какое влияние на свойства стали оказывает сера

Влияние химического состава на механические свойства стали

Каждый химический элемент, входящий в состав стали, по-своему влияет на ее механические свойства – улучшает или ухудшает.

Углерод (С), являющийся обязательным элементом и находящимся в стали обычно в виде химического соединения Fe₃C (карбид железа), с увеличением его содержания до 1,2% повышает твердость, прочность и упругость стали и уменьшает вязкость и способность к свариваемости. При этом также ухудшаются обрабатываемость и свариваемость.

Кремний (Si) считается полезной примесью, и вводится в качестве активного раскислителя. Как правило, он содержится в стали в небольшом количестве (в пределах до 0,4%) и заметного влияния на ее свойства не оказывает. Но при содержании кремния более 2% сталь становится хрупкой и при ковке разрушается.

Марганец (Mn) содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве (0,3-0,8%) и серьезного влияния на ее свойства не оказывает. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы, повышает твердость и прочность стали, ее режущие свойства, увеличивает прокаливаемость, но снижает стойкость к ударным нагрузкам.

Сера (S) и фосфор (Р) являются вредными примесями. Их содержание даже в незначительных количествах оказывает вредное влияние на механические свойства стали. Содержание в стали более 0,045% серы делает сталь красноломкой, т.е. такой, которая при ковке в нагретом состоянии дает трещины. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды (MnS). Содержание в стали более 0,045% фосфора, делает сталь хладноломкой, т.е. легко ломающейся в холодном состоянии. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

Ниобий (Nb) улучшает кислостойкость стали и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Титан (Тi) повышает прочность, плотность и пластичность стали, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии. Повышает прокаливаемость стали при малых содержаниях и понижает при больших.

Молибден (Mo) повышает прочностные характеристики стали, увеличивает твердость, красностойкость, антикоррозионные свойства. Делает ее теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. Затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает.

Никель (Ni) увеличивает вязкость, прочность и упругость, но несколько снижает теплопроводность стали. Никелевые стали хорошо куются. Значительное содержание никеля делает сталь немагнитной, коррозионностойкой и жаропрочной.

Вольфрам (W) образуя в стали твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивает твердость и красностойкость. Увеличивает работоспособность стали при высоких температурах, ее прокаливаемость, повышает сопротивление стали к коррозии и истиранию, уменьшает свариваемость.

Ванадий (V) обеспечивает мелкозернистость стали, повышает твердость и прочность. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем. Снижает чувствительность стали к перегреву и улучшает свариваемость.

Кобальт (Co) повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Алюминий (Аl) является активным раскислителем. Делает сталь мелкозернистой, однородной по химическому составу, предотвращает старение, улучшает штампуемость, повышает твердость и прочность, увеличивает сопротивление окислению при высоких температурах.

Медь (Cu) влияет на повышение коррозионной стойкости, предела текучести и прокаливаемости. На свариваемость не влияет.

Для всестороннего понимания и анализа процессов, происходящих при легировании и деформировании сталей, важную роль играет знание зависимостей между химическим составом и механическими свойствами.

Целью настоящих исследований является изучение комплексного влияния химического состава на предел текучести σ_Т арматурной стали класса А500С.

В течение сентября и октября текущего года в Лаборатории испытаний строительных материалов и конструкций ГБУ «ЦЭИИС» проводились испытания образцов арматурных стержней диаметром от Ø16 до Ø36. Были выполнены более 30 параллельных испытаний. При этом для одной и той же пробы данного типоразмера арматурных стержней определяли фактическую массовую долю химических элементов с помощью оптико-эмиссионного спектрометра PMI-MASTER SORT (рис.1) и механические свойства стали при помощи испытательной машины ИР-1000М-авто (рис.2).

Для обеспечения достоверности статистических выводов и содержательной интерпретации результатов исследований сначала определили необходимый объем выборки, т.е. минимальное количество параллельных испытаний. Так как в данном случае испытания проводятся для оценки математического ожидания, то при нормальном распределении исследуемой величины минимально необходимый объем испытаний можно найти из соотношения:

где υ – выборочный коэффициент вариации,

t_α,k – коэффициент Стьюдента,

k = n-1 – число степеней свободы,

Как правило, генеральный коэффициент вариации γ неизвестен, и его заменяют выборочным коэффициентом вариации υ, для определения которого нами была проведена серия из десяти предварительных испытаний.

По результатам проведенных испытаний и выполненных расчетов при доверительной вероятности Р=0,95 получен необходимый объем выборки, равной n=26. Фактическое количество испытаний, как было сказано выше, составило 36.

Массив данных, полученных по результатам проведенных параллельных испытаний, был обработан с помощью многофакторного корреляционного анализа.

Уравнение множественной регрессии может быть представлено в виде:

где X=(X₁, X₂,…, X_m) – вектор независимых (исходных) переменных; β – вектор параметров (подлежащих определению); ε – случайная ошибка (отклонение); Y – зависимая (расчетная) переменная.

Разработка множественной корреляционной модели всегда сопряжена с отбором существенных факторов, оказывающих наибольшее влияние на признак-результат. В нашем случае из дальнейшего рассмотрения были исключены три элемента (Аl, Тi, W) по причине их низкой массовой доли (

Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Источник

Влияние вредных примесей серы, фосфора и неметаллических включений на качество стали

Примеси в стали подразделяются на постоянные, случайные и вредные. Качество стали определяется содержанием вредных примесей.

Сера (S) попадает в сталь из чугуна (из золы и руды).

Наличие эвтектики вызывает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах. При нагреве до 1000-1200?С эвтектика, располагающая по границам зёрен, расплавляется и при деформации (ОМД) в стали возникают надрывы и трещины. Сера образует с ним

Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовка

разрушается. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов

уменьшения влияния серы является введение марганца. Эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

Вывозят серу из стали с помощью марганца. Марганец обладает большим сродством к сере, чем железо, и образует соединение MnS с высокой температурой плавления Тпл = 1620?С:

Сера и её соединения при комнатных и пониженных температурах способствует снижению ударной вязкости стали, т. к. разрушение металла идёт по сульфидным включениям (поэтому ударная вязкость металла (KCU) снижается) (рис. 5).

Рисунок 5. Влияние серы на вязкие свойства стали

Сернистые включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. Сера облегчает обрабатываемость резанием.

Фосфор (Р) содержится в пределах 0,025-0,045% Р. Попадает в сталь в процессе производства из руды, топлива, флюсов.

Фосфор занимает особое место среди других элементов, присутствие которых отрицательно сказывается на качестве стали. С одной стороны, фосфор является легирующим элементом, сильно упрочняющим феррит и повышающим коррозионную стойкость проката в атмосферных условиях; с другой стороны, повышенное содержание фосфора в стали обусловливает появление хрупкости, снижение ударной вязкости и сопротивления хрупкому разрушению, а также увеличение склонности к образованию кристаллизационных трещин при сварке.

Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость. Сильное упрочняющее действие фосфора объясняется тем, что в феррите он замещает атомы железа, а так как его атом больше атомов железа, то это приводит к существенному упрочению, но также и к охрупчиванию. Кроме того, фосфор препятствует поперечному микроскольжению, увеличивая тем самым склонность к микроплоскому скольжению, при этом уменьшается количество плоскостей скольжения, особенно с понижением температуры, а также увеличивается склонность железа к двойникованию.

Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали фосфора.

Фосфор значительно повышает порог хладноломкости.

Фосфор обладает большой склонностью к ликвации (неоднородность распределения). Фосфор скапливается в серединных слоях слитка, по границам зёрен, сильно снижая ударную вязкость.

Рисунок 6. Влияние фосфора на хладноломкость стали (0,2% С, 1% Mn)

В твёрдой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химическое соединение (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их в стали допускается

Кислород и азот в свободном виде располагаются в раковинах, трещинах и др. Эти включения значительно уменьшают ударную вязкость, повышают порог хладноломкости и уменьшают пластичность, при этом повышается прочность стали (рис. 7).

Рисунок 7. Влияние примесей внедрения кислорода (а) и азота (б) на вязкие свойства железа

Частично удалить водород с поверхностного слоя можно путём нагрева до 150-180?С, лучше всего в вакууме

Источник

Влияние серы на свойства стали, возможности десульфурации и поведение серы в условиях окислительной плавки

Сера имеет неограниченную растворимость в жидком железе и ог­раниченную – в твердом железе. При кристаллизации стали по грани­цам зерен выделяются сульфиды железа, которые могут образовать легкоплавкую эвтектику с железом, вызывающую явление краснолом­кости при нагревании слитков перед прокаткой или ковкой. Красно­ломкость проявляется сильнее в литой стали в виде трещин или рва­нин, потому что сульфиды и оксисульфиды скапливаются по границам первичных зерен.

В процессе горячей деформации (прокатки, ковки) сульфидные включения легко деформируются и вытягиваются в строчки по на­правлению деформации. Строчечные сульфидные включения наруша­ют сплошность структуры металла, и, если нагрузка на готовое изде­лие направлена поперек оси деформации (перпендикулярно сульфид­ным строчкам), металлическая матрица разрушается по границе разде­ла с сульфидами; в результате снижается пластичность стали в попе­речных образцах. В случае испытания образцов металла при низких температурах сульфиды резко снижают пластичность и повышают по­рог хладноломкости. В частности, низкое содержание серы (и соответ­ственно малое количество сульфидов) очень важно иметь в стали, применяемой при производстве труб большого диаметра для газопро­водов, прокладываемых по Крайнему Северу ([S]

В то же время большое количество конструкционных сталей ис­пользуется для изготовления изделий, у которых основные нагрузки – в направлении вдоль оси прокатки. В таком случае особо низкого со­держания серы в металле не требуется, так как сера оказывает благо­приятное влияние на обрабатываемость стали на металлорежущих станках (сера увеличивает хрупкость стружки и не дает возможности образования так называемой витой стружки). Поэтому в большинстве марок электростали допустимый верхний предел содержания серы со­ставляет 0,035 % и лишь в высококачественных сталях он не должен превышать 0,020 %. Более низкое содержание серы в стали обычно оговаривается техническими условиями на поставку конкретной марки стали.

Сера попадает в металлический расплав с шихтовыми материалами. Передельный чугун содержит от 0,025 до 0,070 % серы, в чугунном ломе ее примерно столько же, в ломе углеродистых сталей – 0,030…0,050% серы. Кокс, применяемый для науглероживания рас­плава, содержит до 2 % серы. Некоторое количество серы может пе­рейти в металл из мазута, если мазут используется в топливокислород­ных горелках. Обычно содержание серы в металле после расплавления выше допустимого для готовой стали, поэтому в процессе плавки и внепечной обработки требуется удалить из металла избыточное коли­чество серы (осуществить десульфурацию металла).

Суть процесса десульфурации металла заключается в переводе се­ры из металла в десульфурирующую фазу (чаще всего это шлак). На скорость и степень («глубину») десульфурации металла влияют: актив­ность серы в металле и шлаке, наличие поверхностно-активных приме­сей на поверхности раздела металл-десульфурирующая фаза, величина поверхности контакта металл-шлак, состав и свойства шлака (прежде всего основность, окисленность и вязкость), а также, особо подчер­киваем, количество шлака или другой десульфурирующей фазы.

Активность серы в жидкой стали повышают углерод, кремний, алюминий. Поэтому в полном металлургическом цикле (интегриро­ванные заводы) выгоднее удалять серу из чугуна (в доменной печи или в чугуновозных ковшах, миксерах и т.д.), а при выплавке сталей с повышенным содержанием углерода, кремния и алюминия удается полу­чать металл с более низким содержанием серы. Активность серы в шлаке определяется прежде всего основностью шлака.

Сера является поверхностно-активным элементом, ее концентрация на поверхности раздела фаз существенно выше, чем в объеме металла. Поэтому при проведении десульфурации металла необходимо доби­ваться увеличения поверхности контакта металла с десульфурирую­щей фазой (перемешивание металла со шлаком, вдувание в расплав порошков шлакообразующих компонентов и т,п.). Если в металличе­ском расплаве имеется несколько поверхностно-активных элементов, то поступление серы на поверхность раздела фаз затруднено. Кисло­род, присутствующий в металле, также является поверхностно­активным элементом, поэтому в окислительных условиях поверхность контакта металл-шлак занята кислородом и десульфурация металла усложняется. При небольших концентрациях кислорода в металле (меньше 0,01 %) адсорбция серы больше, чем адсорбация кислорода, степень удаления серы из металла резко увеличивается.

Самый простой и дешевый способ десульфурации стали – десуль­фурация основным шлаком. Переход серы из металла в шлак может быть описан следующими схемами:

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) – при записи в молекулярной форме;

[S] + О 2- = S 2- + [О] – при записи в ионной форме.

Вторая схема объясняет взаимосвязь процессов раскисления ме­талла и удаления из него серы. Исходя из этих схем для условий ме­таллургической практики можно утверждать, что, чем выше актив­ность СаО в шлаке и ниже активность FeO и серы в нем, тем выше десульфурирующая способность такого шлака; лучшему переходу се­ры из металла в шлак способствует меньшее содержание кислорода в металле (меньшая окисленность металла). Степень использования десульфурирующей способности шлака обычно характеризуют величи­ной полученного в процессе десульфурации коэффициента распреде­ления серы между шлаком и металлом ϒs = (S) / [S], равной отноше­нию концентраций серы в шлаке и металле. Сравнивая его с так назы­ваемым «равновесным» коэффициентом распределения, определенным для подобных шлаков в лабораторных условиях для случая равновесия между шлаком и металлом, можно судить о глубине десульфурации.

Многочисленные исследования, проведенные в промышленных и лабораторных условиях, подтвердили влияние основности и окисленности шлака на величину полученного коэффициента распределения серы (рис. 3.2).

Условия окислительного периода плавки (высокая окисленность шла­ка и металла) не способствуют проведению глубокой десульфурации металла, поэтому в большинстве случаев электрометаллурги стараются удалить основную часть серы при наличии раскисленного металла и шлака: при использовании классической технологии и ее более позд­них модификаций в восстановительный период плавки и во время вы­пуска металла вместе со шлаком; при использовании современной тех­нологии путем внепечной обработки на установках типа ковш-печь, путем продувки твердыми десульфурирующими реагентами и т.д. Учитывая довольное высокое содержание серы в шихте, по нашему мнению, не следует отвергать возможность частичной десульфурации металла в окислительных условиях в конце плавления и в окислительный период плавки (кратность шлака 0,05…0,07), особенно в современ­ных печах, использующих вспененные постоянно обновляющиеся шла­ки, обеспечивающие довольно большую величину удельной поверхно­сти контакта шлак-металл. Наши данные (рис. 3.3) свидетельст­вуют о возможности получения заметных значений коэффициента рас­пределения серы в окислительный период плавки в 100-тонной печи, особенно при повышении основности шлака, и соответственно о воз­можности удаления в это время до 20 % серы, содержащейся в шихте.

Кроме того, видно (рис. 3.4), что десульфурирующая способность шлаков окислительного периода полностью не использовалась и фак­тическая концентрация серы в металле в конце окислительного перио­да превышала равновесную со шлаком (рассчитанную по формуле Морозова). Причины этого – небольшая длительность окислительного периода и повышенная окисленность металла.

Источник

Влияние химические элементов на свойства стали и свариваемость

Свариваемость — это способность материала образовывать неразъёмные соединения, отвечающие требованиям изготовления и проектирования и работающие должным образом в течение срока службы. Свариваемость считается хорошей для низкоуглеродистой стали, С повышением содержания углерода требуется применять специальные меры, такие как предварительный нагрев, контроль подвода тепла и термическая обработка после сварки. Кроме углерода на свариваемость влияет содержание других легирующих элементов. Качественный подход к определению свариваемости стали заключается в расчете ее углеродного эквивалента.

где Сэ – углеродный эквивалент,

С, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu – массовые доли углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, никеля, и меди, %.

Классификация сталей по свариваемости

По технологической свариваемости легированные углеродистые стали условно можно разбить на четыре группы:

1) стали, свариваемые без ограничений (Сэ ≤ 0,25%);

2) стали с удовлетворительной свариваемостью (0,25 0,45 %), применение которых для изготовления сварных конструкций не желательно

Методы оценки свариваемости металлов

Все испытания, проводимые для определения показателей свариваемости, условно можно разделить на две основные группы.

Косвенные способы позволяют оценить склонность к образованию холодных трещин расчетным путем без непосредственного испытания материалов

Прямые способы предусматривают сварку технологических проб,
проведение специализированных испытаний сварных соединений
или основного материала, подлежащего сварке, в условиях, имитирующих сварочные

Влияние химических элементов на свариваемость

Углерод (C)

Углерод является самым важным элементом в стали, его содержание определяет твердость и прочность материала, а также реакцию на термическую обработку, способность стали к закалке. С повышением содержания углерода увеличивается прочность и твёрдость, а свариваемость пластичность, и обрабатываемость стали снижаются.

Кремний (Si)

Кремний является одним из основных раскислителей стали. Кремний помогает удалять пузырьки кислорода из расплавленной стали. Это элемент, обязательно используется в производстве сталей, и обычно содержится в количествах менее 0,40 процента. Кремний растворяется в железе и имеет свойство увеличивать прочность.

При сварке кремний улучшает очистку и раскисления металла при сварке на загрязненных поверхностях и способствует получения металла сварного шва повышенной прочности Кремний добавляется как раскисляющий элемент в сварочную проволоку. Он предотвращает соединение железа с кислородом и уменьшает количество FeO в сварочной ванне, однако при этом образуются оксиды SiO2 имеющие высокую температуру плавления (около 1710℃), и остающиеся в металле при застывании.

Марганец (Mn)

Действие марганца аналогично действию кремния, но его способность к раскислению несколько хуже, чем у кремния. Марганец добавляемый в сварочную проволоку соединяться с серой и образовывает сульфида марганца (MnS). Оксиды и сульфиды марганца имеет температуру плавления (около 1270 ℃) и низкую плотность благодаря чему они могут агломерироваться в крупный шлак и всплывают в сварочной ванне, обеспечиваю хороший эффект очищения от кислорода и серы. Марганец также является важным легирующим элементом, оказывающим влияние на повышение прочности но снижется вязкость металла сварного шва.

Марганец (Mn)

Марганец может быть вторым по важности элементом после углерода в стали. Mn обладает эффектами, аналогичными эффектам углерода, и производитель стали использует эти два элемента в сочетании для получения материала с желаемыми свойствами. Марганец необходим для процесса горячей прокатки стали путем его сочетания с кислородом и серой.

Стали обычно содержат не менее 0,30% марганца, однако в некоторых углеродистых сталях может содержаться до 1,5%.

Сталь с низким содержанием марганца может содержать серу в виде сульфида железа (FeS), что может привести к образованию трещин в сварном шве.

Сера (S)

Сера улучшает обрабатываемость, но снижает пластичность и ударную вязкость. При сварке сера является вредной примесью, оказывающей неблагоприятное влияние на свариваемость и механические свойства стали. Содержание серы в сталях ограничено до 0,05%.

Сера обычно присутствует в стали в виде сульфида железа и распределяется по границе зерен в виде сетки. По содержанию серы и фосфора стали классифицирую по качеству. Стали с содержанием серы и фосфора менее 0,025% относят к высококачественным.

Фосфор (Р)

Фосфор может быть полностью растворен в феррите в стали. Фосфор хотя и увеличивает прочность и коррозионную стойкость стали, также является вредной примесью, так как приводит к охрупчиванию, особенно при низкой температуре. Поэтому он крайне не благоприятен для сварки и его содержания ограничивается так же как и серы.

Хром (Cr)

Хром один из основных легирующим элементом в стали. Хром повышает прокаливаемость стали, коррозионную стойкость, а также предела текучести но при этом ударная вязкость и пластичность незначительно снижаются. Стали с содержанием хрома боле 12% относят к нержавеющим.

Хром также обладает сильной антиоксидантной способностью и термостойкостью. Поэтому хром широко используется в жаропрочных сталях.

Алюминий (Al)

Алюминий является одним из сильнейших раскисляющих элементов, поэтому использование алюминия в качестве раскислителя приводит к снижению оксидов в сварочной ванне, азота и снижает пористость. способность противостоять пористости CO. В то же время высокое содержание в сварочной проволоке алюминий приводит к сильному разбрызгиванию. При оптимальном содержания алюминия в сварочной проволоке, формируется мелкозернистая структура, незначительно повышается твердость, предел текучести и прочность на растяжение металла сварного шва.

Титан (Ti)

Титан очень прочный и легкий металл, который можно использовать отдельно или легировать сталями. Он добавляется в сталь для придания ей высокой прочности при высоких температурах.

Титан является сильным раскисляющим элементом, и также может связывать азот и кислород, что приводит к снижению пористости сварного шва. Содержание титана в металле препятствует росту зерна и улучшает структуру.

Молибден (Мо)

Молибден в сталях повышает прочность и твердость, придает структуре мелко зернистость, уменьшает склонность к образованию трещин и повышает ударную вязкость. Молибденом используется для придания стали жаропрочности, в нержавеющих сталях добавляется для повышения их коррозионной стойкости, а также используется в быстрорежущих инструментальных сталях.

Ванадий (V)

Ванадий повышает прочность стали, способствует уменьшению роста зерна и улучшить прокаливаемость. Ванадий является сильным карбидообразующим элементом, увеличивает склонность стали к закалке. Карбид ванадия обладает высокой температурной стабильностью, поэтому он может улучшить высокотемпературную твердость стали. Ванадий образует тугоплавкие оксиды, что увеличивает сложность газовой сварки и резки.

Ванадий используется в жаропрочных, инструментальных и пружинных сталях вместе с другими легирующими элементами.

Вольфрам (W)

Используется с хромом, ванадием, молибденом или марганцем для производства быстрорежущей и инструментальной стали. Вольфрам в виде карбида вольфрама придает стали высокую твердость, которая сохраняется даже при сильном нагреве, что делает ее особенно подходящей для режущего инструмента.

Кобальт (Co)

Кобальт повышает прочность и твердость при высоких температурах. Усиливает действие других элементов в высоко легированных сталяз индивидуальные эффекты других элементов в более сложных сталях.

Никель (Ni)

Никель улучшает коррозионную стойкость, низкотемпературные характеристики стали и свариваемость. Часто используется в сочетании с другими легирующими элементами, особенно хромом и молибденом. Это ключевой компонент в нержавеющих сталях, в низких концентрациях, обнаруживаемых в углеродистых сталях.

Медь (Cu)

Медь является еще одним основным элементом коррозионной стойкости. Она также оказывает небольшое влияние на прокаливаемость стали. Наиболее часто медь встречающаяся в качестве остаточного металла в сталях и содержится в количестве не менее 0,20 процента.

Ниобий (Nb)

Ниобий улучшает пластичность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость и улучшает структуру зерна. Ниобий является сильным карбидообразователем и образует очень твердые, очень мелкие карбиды.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник