Как основной материал современной промышленности, характеристики стали напрямую регулируются химическим составом. Среди них углерод (С), марганец (Mn), кремний (Si), сера (S), фосфор (Р) — пять элементов, изменяя металлургическую организацию, кристаллическую структуру и распределение примесей, существенно влияющих на прочность, ударную вязкость, технологичность и коррозионную стойкость стали.
Во-первых, углеродные (С) элементы: прочность и пластичность стержневого регулятора.
Углерод является наиболее важным легирующим элементом стали, и его содержание играет решающую роль в характеристиках стали. В субэвтектической стали (содержание углерода 0,02%-0,77%) с увеличением содержания углерода количество науглероженных частиц в ферритной матрице, прочность на разрыв и твердость линейно увеличивались, но существенно уменьшались относительное удлинение и ударная вязкость. Когда содержание углерода превышает эвтектическую точку (0,77%), образуя перитектическую сталь, сужение расстояния между перлитными пластинками приводит к дальнейшему увеличению прочности, но карбидное смещение на границах зерен вызывает риск хрупкости.
Типичные случаи показывают, что содержание углерода 0,45% среднеуглеродистой стали после отпуска, предел прочности до 800 МПа, удлинение сохраняется на уровне 15%; и содержание углерода 1,2% из высокоуглеродистой стали, хотя твердость HRC62, но ударная вязкость менее 10 Дж/см². Производительность сварки, содержание углерода в каждом увеличении на 0,1%, индекс чувствительности к трещинам в сварном шве увеличен на 20%, необходимо использовать электроды с низким-водородом и предварительно нагреть до 150 градусов или более.
Во-вторых, элемент марганец (Mn): прокаливаемость и горячая обрабатываемость двойного регулятора.
Марганец как слабый карбидообразующий элемент-за счет упрочнения твердого раствора и организации двойного механизма контроля для улучшения характеристик стали. В феррите атомы марганца заменяют атомы железа, вызывая искажение решетки, предел текучести увеличивается примерно на 30 МПа/%; в аустените марганец расширил область фазы -, так что критическая температура Ac3 увеличилась на 50-80 градусов, что значительно улучшило прокаливаемость. Экспериментальные данные показывают, что сталь 45, содержащая 1,2% марганца, после закалки в воде может достигать твердости HRC45, что на 3 уровня твердости по Роквеллу выше, чем у стали, не содержащей марганца.
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%) приводит к укрупнению зерна при отпуске и увеличению показателя отпускной хрупкости на 40%, а остаточный аустенит необходимо устранять выдержкой при 700 град. В типичных применениях для изготовления строительной арматуры широко используется сталь 20MnSi с содержанием марганца 0,8–1,2%, а ее предел текучести увеличен на 25% по сравнению со сталью Q235.
В-третьих, элемент кремния (Si): синергетический усилитель упрочнения твердого раствора и коррозионной стойкости.
Кремний, являющийся сильным ферритообразующим элементом-, улучшает свойства стали за счет двойного механизма упрочнения твердого раствора и поверхностной оксидной пленки. В феррите радиус атомов кремния на 11% больше, чем у атомов железа, что вызывает искажение решетки и повышение предела текучести примерно на 50 МПа/%. Эксперименты по окислению поверхности показывают, что содержание кремния в 1,5% стали, окисленной при 800 градусах в течение 24 часов, толщина оксидной пленки на 60% меньше, чем у обычной стали, благодаря образованию плотного защитного слоя SiO₂.
С точки зрения обрабатываемости содержание кремния более 0,8% увеличивает стойкость к холодной деформации на 20%, что требует многопроходного процесса с небольшими объемами деформации. Типичные применения, содержание кремния 0,2% -0,5% стали 40SiMn, используемой при производстве автомобильных шатунов, ее усталостная долговечность по сравнению с обычной углеродистой сталью увеличивается в 1,5 раза; содержание кремния 15%-20% в высококремнистом чугуне в серной кислоте, средняя скорость коррозии<0.1mm / a, become the preferred material for corrosion-resistant parts of chemical equipment.
В-четвертых, элементы серы (S): эффективность невидимого разрушителя при горячей обработке.
Сера в виде включений FeS в границах зерен стали, ее вред в основном проявляется при термической обработке и сварке двух сцен. FeS и Fe образуются при температуре плавления со- всего 988 градусов, когда сталь нагревается до 1150 градусов, границы зерен жидкого FeS приводят к снижению местной прочности, склонности к термическому растрескиванию. Экспериментальные данные показывают, что при содержании серы 0,05% в стали, полученной в процессе непрерывной разливки, частота термического растрескивания в 5 раз выше, чем при содержании серы 0,01%.
Что касается сварочных характеристик, газ SO₂, образующийся в результате реакции между серой и кислородом, образует поры в сварном шве, уменьшая эффективную площадь поперечного сечения металла сварного шва на 30 %. Типичные случаи показывают, что содержание серы 0,08% в стали Q235 при ручной дуговой сварке, ударная вязкость металла шва составляет менее 8 Дж/см², что составляет всего 1/3 от основного материала. В современном процессе производства стали за счет добавления редкоземельных элементов для образования сульфида с высокой температурой плавления индекс опасности серы снижается на 70%.
Пять элементов фосфора (P): смертельная стойкость к низким-температурам
Растворимость фосфора в феррите в твердом состоянии составляет 0,9%, его атомный радиус на 14% больше, чем у атома железа, что вызывает серьезное искажение решетки. Экспериментальные данные показывают, что содержание фосфора 0,1% в стали при -20 градусах при ударной вязкости на 65% ниже, чем при нормальной температуре, что связано с атомами фосфора в смещении кристаллической плоскости {100}, образовании газовых кластеров Киршнера при движении дислокаций в результате эффекта закрепления. Эксперименты по низкотемпературному охрупчиванию показывают, что сталь с содержанием фосфора 0,15% подвергается деконволюционному разрушению при температуре -40 градусов, причем разрушение характеризуется типичными икосаэдрическими особенностями.
Что касается режущей способности, синергетический эффект фосфора и серы привел к снижению сил резания на 20% и увеличению срока службы инструмента в 1,5- раза. В типовых применениях для прецизионной обработки деталей широко применяется автоматная сталь 1215 с содержанием фосфора 0,08-0,15 %, с шероховатостью поверхности до Ra0,8 мкм. Однако следует отметить, что при содержании фосфора более 0,12 % скорость коррозии стали в морской среде увеличивается в 3 раза, которую необходимо ингибировать добавлением медных элементов для образования защитной пленки.
