Легированные конструкционные стали. Влияние легирующих элементов на свойства сталей.
Легированные конструкционные стали. Основная информация.
Легирующие элементы образуют с железом и другими элементами твер-дые растворы и химические соединения, свойства которых в значительной мере определяют свойства стали.
Основная цель легирования — придание конструкционным сталям высоких механических свойств, повышение стойкости против хрупкого разрушения, а также обеспече¬ние специальных свойств (например, жаропрочности).
По принятой в сварочной технике классификации легированные стали разделяют на низколегированные, среднелегированные и высоко-легированные. Если содержание каждого из легирующих элементов не превышает 2%, а суммарное их содержание — 5%, то сталь назы¬вается низколегированной. Если содержание каждого из легирующих элементов находится в пределах от 2 до 5%, а суммарное их содержание не превышает 10%, сталь называется среднелегированной. Высоколе-гированной называется сталь, содержащая не менее 5% * одного из легирующих элементов или не менее 10% суммы легирующих элементов.
Твердые растворы легирующих элементов в железе могут быть образованы по типу замещения или внедрения. Такие элементы, как водород, углерод, азот и бор, растворяются в железе и его сплавах по типу внедрения. При этом растворенные элементы располагаются между узлами решетки растворителя. Все прочие элементы растворяются в же-лезе и его сплавах по типу замещения. В этом случае атомы легирую¬щего элемента располагаются в узлах решеток, заменяя собой атомы растворителя.
Влияние легирующих элементов на свойства сталей.
Легирующиеэлементы существенно влияют на степень совершенства кристаллической решетки. Искажение решетки тем больше, чем больше рознятся диаметры атомов растворяющего и растворяющегося элементов. В ре¬зультате легирования происходит упрочение стали, увеличение ее твердости, изменение ряда физико-химических свойств. Многочисленны-ми исследованиями, проведенными за два последних десятилетия, было установлено, что упрочение α- и γ-растворов происходит при легирова¬нии не только за счет изменения параметра кристаллической решетки, но и вследствие различия валентностей растворителя и растворяемого элемента. Однако количественная оценка этого фактора весьма затруд-нена, так как не установлена валентность некоторых элементов.
Углерод- повышает прочность, снижает пластичность и вязкость легированной стали; он также повышает чувствительность к пере¬греву и закаливаемости стали и поэтому оказывает отрицательное влияние на ее свариваемость. Увеличение содержания углерода в стали при обычных условиях сварки способствует образованию трещин в околошовной зоне и шве. В современных низколегированных сталях содержание углерода находится в пределах 0,18—0,25%. В сталях, к свариваемости которых предъявляют повышенные требования, содер¬жание углерода не должно превышать 0,12—0,14%. Низко- и средне¬легированные конструкционные стали повышенной прочности, содер¬жащие до 0,45% углерода, сваривают с предварительным подогревом, подвергая сварные соединения последующей термической обработке. Влияние углерода усиливается при повышенном содержании в стали марганца, хрома и ряда других элементов.
Марганец — наиболее распространенный элемент в легиро-ванных сталях. Он повышает прочность стали и мало влияет на ее пла-стичность. При содержании углерода до 0,20% марганец в количестве до 1,2% повышает ударную вязкость низколегированной стали. Повы¬шение содержания марганца до 1,8% рационально с точки зрения улуч¬шения свойств стали при условии ограничения в ней содержания угле¬рода 0,14%. Если в стали содержится более 2% марганца, наблюдается ухудшение ее свойств. Кремний значительно повышает предел прочности стали и в несколько меньшей степени увеличивает ее предел текучести. Влияние кремния на хладноломкость стали неоднозначно. Так, введение 0,15— 0,35% кремния в кипящую сталь приводит к снижению ее порога хладноломкости на 20—25° (в отсутствие алюминия) и на 40° (при совместном раскислении кремнием и алюминием). С увеличением содержания Кремния ухудшается свариваемость стали.
Хром усиливает восприимчивость стали к закалке, особенно при увеличении содержания углерода и других легирующих элементов. Он несколько снижает склонность легированной стали к старению и в небольших количествах способствует некоторому повыщению удар¬ной вязкости при комнатной и повышенной температурах [46, 63]. Кроме того, хром, нейтрализуя отрицательное влияние фосфора на ударную вязкость стали, уменьшает ее хладноломкость. При низком содержании углерода и в присутствии марганца и кремния хром (при содержании до 1%) не ухудшает свариваемости стали. ї Влияние никеля на свойства стали неоднозначно. В ферритных и низкоуглеродистых сталях никель повышает запас вязкости, причем тем сильнее, чем выше его содержание и чем ниже содержание углерода. При этом уменьшается порог хладноломкости стали. Имеются данные, что при повышении содержания углерода, а также уве¬личении суммарного содержания легирующих элементов в стали благоприятное влияние никеля быстро нивелируется идажесменяетсяот¬рицательным. В количествах, встречающихся при легировании низколе¬гированных сталей, никель мало влияет на свариваемость последних. Несмотря на положительное влияние никеля на свойства стали, в целом ряде случаев расход его стремятся ограничить из-за дефицитности.
Медь - (до 0,5%) вводят в состав некоторых низколегированных сталей для повышения стойкости против коррозии. В таком количестве она не оказывает существенного влияния на свариваемость стали. Как и никель, медь является дефицитным металлом.
Молибден - в значительной степени влияет на свойства сталей, упрочняя ферритную фазу. Его эффективность понижается с увеличе¬нием суммарного содержания легирующих элементов. Молибден устра¬няет отпускную хрупкость стали. Оптимальное его содержание в кон-струкционных сталях находится в пределах 0,20—0,45%, а дальней¬шее увеличение может привести к охрупчиванию стали .
Основная цель легирования — придание конструкционным сталям высоких механических свойств, повышение стойкости против хрупкого разрушения, а также обеспече¬ние специальных свойств (например, жаропрочности).
По принятой в сварочной технике классификации легированные стали разделяют на низколегированные, среднелегированные и высоко-легированные. Если содержание каждого из легирующих элементов не превышает 2%, а суммарное их содержание — 5%, то сталь назы¬вается низколегированной. Если содержание каждого из легирующих элементов находится в пределах от 2 до 5%, а суммарное их содержание не превышает 10%, сталь называется среднелегированной. Высоколе-гированной называется сталь, содержащая не менее 5% * одного из легирующих элементов или не менее 10% суммы легирующих элементов.
Твердые растворы легирующих элементов в железе могут быть образованы по типу замещения или внедрения. Такие элементы, как водород, углерод, азот и бор, растворяются в железе и его сплавах по типу внедрения. При этом растворенные элементы располагаются между узлами решетки растворителя. Все прочие элементы растворяются в же-лезе и его сплавах по типу замещения. В этом случае атомы легирую¬щего элемента располагаются в узлах решеток, заменяя собой атомы растворителя.
Влияние легирующих элементов на свойства сталей.
Легирующиеэлементы существенно влияют на степень совершенства кристаллической решетки. Искажение решетки тем больше, чем больше рознятся диаметры атомов растворяющего и растворяющегося элементов. В ре¬зультате легирования происходит упрочение стали, увеличение ее твердости, изменение ряда физико-химических свойств. Многочисленны-ми исследованиями, проведенными за два последних десятилетия, было установлено, что упрочение α- и γ-растворов происходит при легирова¬нии не только за счет изменения параметра кристаллической решетки, но и вследствие различия валентностей растворителя и растворяемого элемента. Однако количественная оценка этого фактора весьма затруд-нена, так как не установлена валентность некоторых элементов.
Углерод- повышает прочность, снижает пластичность и вязкость легированной стали; он также повышает чувствительность к пере¬греву и закаливаемости стали и поэтому оказывает отрицательное влияние на ее свариваемость. Увеличение содержания углерода в стали при обычных условиях сварки способствует образованию трещин в околошовной зоне и шве. В современных низколегированных сталях содержание углерода находится в пределах 0,18—0,25%. В сталях, к свариваемости которых предъявляют повышенные требования, содер¬жание углерода не должно превышать 0,12—0,14%. Низко- и средне¬легированные конструкционные стали повышенной прочности, содер¬жащие до 0,45% углерода, сваривают с предварительным подогревом, подвергая сварные соединения последующей термической обработке. Влияние углерода усиливается при повышенном содержании в стали марганца, хрома и ряда других элементов.
Марганец — наиболее распространенный элемент в легиро-ванных сталях. Он повышает прочность стали и мало влияет на ее пла-стичность. При содержании углерода до 0,20% марганец в количестве до 1,2% повышает ударную вязкость низколегированной стали. Повы¬шение содержания марганца до 1,8% рационально с точки зрения улуч¬шения свойств стали при условии ограничения в ней содержания угле¬рода 0,14%. Если в стали содержится более 2% марганца, наблюдается ухудшение ее свойств. Кремний значительно повышает предел прочности стали и в несколько меньшей степени увеличивает ее предел текучести. Влияние кремния на хладноломкость стали неоднозначно. Так, введение 0,15— 0,35% кремния в кипящую сталь приводит к снижению ее порога хладноломкости на 20—25° (в отсутствие алюминия) и на 40° (при совместном раскислении кремнием и алюминием). С увеличением содержания Кремния ухудшается свариваемость стали.
Хром усиливает восприимчивость стали к закалке, особенно при увеличении содержания углерода и других легирующих элементов. Он несколько снижает склонность легированной стали к старению и в небольших количествах способствует некоторому повыщению удар¬ной вязкости при комнатной и повышенной температурах [46, 63]. Кроме того, хром, нейтрализуя отрицательное влияние фосфора на ударную вязкость стали, уменьшает ее хладноломкость. При низком содержании углерода и в присутствии марганца и кремния хром (при содержании до 1%) не ухудшает свариваемости стали. ї Влияние никеля на свойства стали неоднозначно. В ферритных и низкоуглеродистых сталях никель повышает запас вязкости, причем тем сильнее, чем выше его содержание и чем ниже содержание углерода. При этом уменьшается порог хладноломкости стали. Имеются данные, что при повышении содержания углерода, а также уве¬личении суммарного содержания легирующих элементов в стали благоприятное влияние никеля быстро нивелируется идажесменяетсяот¬рицательным. В количествах, встречающихся при легировании низколе¬гированных сталей, никель мало влияет на свариваемость последних. Несмотря на положительное влияние никеля на свойства стали, в целом ряде случаев расход его стремятся ограничить из-за дефицитности.
Медь - (до 0,5%) вводят в состав некоторых низколегированных сталей для повышения стойкости против коррозии. В таком количестве она не оказывает существенного влияния на свариваемость стали. Как и никель, медь является дефицитным металлом.
Молибден - в значительной степени влияет на свойства сталей, упрочняя ферритную фазу. Его эффективность понижается с увеличе¬нием суммарного содержания легирующих элементов. Молибден устра¬няет отпускную хрупкость стали. Оптимальное его содержание в кон-струкционных сталях находится в пределах 0,20—0,45%, а дальней¬шее увеличение может привести к охрупчиванию стали .
Каховский Н.И., Фартушный В.Г., Ющенко К.А. Электродуговая сварка сталей
Теги:
0 Комментариев