Як основний матеріал сучасної промисловості, експлуатаційні характеристики сталі безпосередньо регулюються хімічним складом. Серед них вуглець (C), марганець (Mn), кремній (Si), сірка (S), фосфор (P) п’ять елементів, змінюючи металургійну організацію, кристалічну структуру та розподіл домішок, суттєво впливаючи на міцність, ударну в’язкість, здатність до обробки та стійкість до корозії сталі.
По-перше, вуглецеві (C) елементи: міцність і пластичність основного регулятора
Вуглець є найважливішим легуючим елементом у сталі, і його вміст відіграє вирішальну роль у характеристиках сталі. У підевтектичній сталі (вміст вуглецю 0,02% -0,77%) зі збільшенням вмісту вуглецю кількість навуглецьованих частинок у феритовій матриці, міцність на розрив і твердість лінійно збільшувалися, але подовження та ударна в’язкість значно зменшувалися. Коли вміст вуглецю перевищує евтектичну точку (0,77%) з утворенням перитектичної сталі, звуження проміжку між пластинами перліту призводить до постійного збільшення міцності, але зміщення карбіду на межах зерен викликає ризик крихкості.
Типові випадки показують, що вміст вуглецю 0,45% середньовуглецевої сталі після відпустки, міцність на розрив до 800 МПа, подовження підтримується на рівні 15%; і вміст вуглецю 1,2% високовуглецевої сталі, хоча твердість HRC62, але ударна в'язкість менше 10 Дж/см². Ефективність зварювання, вміст вуглецю при кожному збільшенні на 0,1%, індекс чутливості до розтріскування зварювального шва збільшено на 20%, потрібно використовувати електроди з низьким-воднем і попередньо розігріти до 150 градусів або вище.
По-друге, елемент марганець (Mn): здатність до гартування та гарячої оброблюваності подвійного регулятора
Марганець як слабкий карбід-утворюючий елемент завдяки зміцненню твердого розчину та подвійному механізму контролю організації для підвищення продуктивності сталі. У фериті атоми марганцю замінюють атоми заліза, викликаючи спотворення решітки, межа текучості збільшується приблизно на 30 МПа/%; в аустеніті розширення -фазової області марганцю таким чином, що критична температура Ac3 підвищилася на 50-80 градусів, значно покращуючи зміцнюваність. Експериментальні дані показують, що сталь 45, яка містить 1,2% марганцю, може досягати твердості HRC45 після загартування у воді, що на 3 рівні твердості за Роквеллом вище, ніж у сталі без марганцю.
In terms of hot working performance, manganese and sulfur form high melting point MnS (melting point 1610℃), which replaces low melting point FeS (melting point 988℃) to eliminate thermal embrittlement. However, excess manganese (>1,5%) призводить до укрупнення зерна під час відпустки та збільшення індексу крихкості відпуску на 40%, а залишковий аустеніт необхідно усунути, витримуючи при 700 градусах. У типовому застосуванні сталь 20MnSi з 0,8%-1,2% марганцю широко використовується для будівельної арматури, а її межа текучості збільшена на 25% порівняно зі сталлю Q235.
По-третє, кремнієвий (Si) елемент: синергетичний підсилювач зміцнення твердого розчину та стійкості до корозії
Як міцний ферит{0}}утворюючий елемент, кремній покращує властивості сталі завдяки подвійному механізму зміцнення твердого розчину та поверхневої оксидної плівки. У фериті радіус атомів кремнію на 11% більший, ніж у атомів заліза, що викликає спотворення решітки, щоб збільшити межу текучості приблизно на 50 МПа/%. Експерименти з окислення поверхні показують, що вміст кремнію в 1,5% сталі окислюється при 800 градусах протягом 24 годин, товщина оксидної плівки на 60% менша, ніж у звичайної сталі, завдяки утворенню щільного захисного шару SiO₂.
З точки зору оброблюваності, вміст кремнію понад 0,8% підвищує стійкість до холодної деформації на 20%, що вимагає багато-процесу з малими обсягами деформації. Типове застосування, вміст кремнію 0,2% -0,5% сталі 40SiMn, яка використовується у виробництві автомобільних шатунів, її втомна довговічність, ніж звичайна вуглецева сталь, збільшується в 1,5 рази; вміст кремнію 15% -20% чавуну з високим вмістом кремнію в сірчаній кислоті середня швидкість корозії<0.1mm / a, become the preferred material for corrosion-resistant parts of chemical equipment.
По-четверте, елементи сірки (S): гарячі робочі характеристики невидимого руйнівника
Сірка у вигляді включень FeS у межі зерен сталі, її шкода в основному відображається в термічній обробці та зварюванні двох сцен. FeS і Fe, утворені спів{1}}температурою плавлення кристалів лише 988 градусів, коли сталь нагрівається до 1150 градусів, межі зерен у рідкому FeS призводять до зниження локальної міцності, схильності до термічного розтріскування. Експериментальні дані показують, що вміст сірки 0,05% у сталі в процесі безперервного лиття частота термічного розтріскування в 5 разів вище, ніж вміст сірки 0,01%.
З точки зору ефективності зварювання, газ SO₂, що утворюється в результаті реакції між сіркою та киснем, утворює пори в зварному шві, зменшуючи ефективну площу поперечного-перерізу металу зварного шва на 30%. Типові випадки показують, що вміст сірки 0,08% у сталі Q235 при ручному дуговому зварюванні, ударна в'язкість зварного металу становить менше 8 Дж/см², лише 1/3 основного матеріалу. сучасний процес виробництва сталі шляхом додавання рідкоземельних елементів для формування високої температури плавлення сульфіду, індекс небезпеки сірки зменшено на 70%.
П’ять, елементи фосфору (P): стійкість до низьких-температур смертельного вбивці
Розчинність фосфору у твердому фериті становить 0,9%, його атомний радіус на 14% більший, ніж атом заліза, що викликає серйозне спотворення решітки. Експериментальні дані показують, що вміст фосфору становить 0,1% у сталі при -20 градусах, коли ударна в’язкість на 65% нижча за звичайну температуру, що походить від атомів фосфору в кристалічній площині {100}, що зміщує утворення кластерів газу Кіршнера на рух дислокації ефекту закріплення. Експерименти з низькотемпературної крихкості показують, що сталь із вмістом фосфору 0,15% зазнає деконволюційного руйнування при температурі -40 градусів, при цьому руйнування характеризується типовими ікосаедричними ознаками.
З точки зору оброблюваності різанням, синергетичний ефект фосфору та сірки призвів до 20% зменшення сил різання та збільшення терміну служби інструменту в 1,5-раза. У типових сферах застосування вільнорізальна сталь 1215 із вмістом фосфору 0,08%-0,15% широко використовується для точної обробки деталей із шорсткістю поверхні до Ra0,8 мкм. Слід зазначити, однак, що при вмісті фосфору понад 0,12% швидкість корозії сталі в морському середовищі збільшується в 3 рази, що потрібно пригнічувати додаванням мідних елементів для утворення захисної плівки.
