Влияние различных компонентов стали на ее свойства

И свариваемость

Углерод (У)повышает предел текучести и временное сопротивление стали, однако пластичность и свариваемость стали уменьшаются. Поэтому в сварных конструкциях применяются только низкоуглеродистые стали, с содержанием углерода до 0,25 %.

Далее в скобках указано условное обозначение элемента в марках сталей.

Кремний (С)раскисляет сталь, поэтому его количество возрастает от кипящей к спокойной стали. Он, как и углерод, но в меньшей степени, увеличивает предел текучести и временное сопротивление, но несколько ухудшает свариваемость, стойкость против коррозии и сильно снижает ударную вязкость. Вредное влияние кремния может компенсироваться повышенным содержанием марганца.

Марганец (Г)увеличивает предел текучести и временное сопротивление стали, незначительно снижая ее пластические свойства и мало влияя на свариваемость.

Медь (Д) несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное (более 1,0 %) содержание меди способствует старению стали.

Алюминий (Ю)хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, несколько повышает ее ударную вязкость.

Азот (А)в несвязанном состоянии увеличивает хрупкость стали, особенно при низких температурах, и способствует ее старению. В химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном и ниобием азот, образуя нитриды, становится легирующим элементом, улучшающим структуру стали и ее механические свойства. Азота в металле шва содержится до 0,1 %.

Никель (Н), хром (X), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т), бор (Р)являются легирующими компонентами, улучшающими те или иные механические свойства стали, а никель еще всегда улучшает ее свариваемость.

Но в сталях еще имеются неизбежные примеси, которые оказывают вредное влияние на механические и конструкционные характеристики.

Фосфор (Р) резко уменьшает пластичность и ударную вязкость стали, а также делает ее хладноломкой (хрупкой при отрицательных температурах). Допускается в сталях не более 0,08 %.

Сера (S) несколько уменьшает прочностные характеристики стали и, главное, делает ее красноломкой, хрупкой и склонной к образованию трещин при температуре 800…1100 °С, что влечет за собой появление сварочных трещин. Допускается в сталях 0,02…0,06 %, в некоторых до 0,01 %.

Кислород, водород и азот, которые могут попасть в расплавленный металл из воздуха и остаться там, ухудшают структуру и свариваемость стали и способствуют увеличению ее хрупкости. В сталях кислорода допускается не более 0,2 %. В металле шва кислорода, как правило, не более 0,05 %, водорода – 3…20 см³/100 г.

В зависимости от степени раскисления различают спокойную (сп), полуспокойную (пс) и кипящую (кп) стали. Остывание спокойной стали при разливе ее в изложницы происходит спокойно, без бурного выделения содержащихся в ней газов и образования газовых пузырей, приводящих впоследствии к внутренним порокам и расслоению металла при прокате. Спокойная сталь имеет лучшую структуру и однородное строение. Эти показатели в полуспокойной и кипящей сталях соответственно ниже, поэтому для ответственных конструкций с большими усилиями, а также при знакопеременных и вибрационных рабочих нагрузках в узлах применяют спокойную сталь, а в менее ответственных – полуспокойную и даже кипящую.

По своей структуре низкоуглеродистая сталь является однородным кристаллическим телом, состоящим из зерен (кристаллов) феррита, занимающих почти весь объем стали, а также перлитовых и цементитовых включений между зернами феррита и по его граням.

Микроструктура низкоуглеродистой стали представляет собой зерна феррита (имеют светлую окраску) и перлита (темную) (рис. 35).

Рисунок 35 – Микроструктура низкоуглеродистой стали

Вкрапления и прослойки перлита, обволакивая зерна феррита, создают как бы жесткую и упругую «сетку» вокруг мягкого и пластичного феррита. Такое строение стали объясняет ее работу под нагрузкой и пластические свойства.

Структура низколегированных и среднелегированных сталей похожа на структуру низкоуглеродистой стали. Прочностные свойства низкоуглеродистых сталей повышаются благодаря введению различных легирующих элементов, которые входят в феррит, растворяясь в нем, и этим его упрочняют. Кроме того, карбидообразующие легирующие элементы, образуя различные карбиды, дополнительно упрочняют сетку прослоек между зернами феррита.

Для металла шва и участка перегрева зоны термического влияния (ЗТВ) углеродистых и низколегированных сталей характерна так называемая видманштеттова структура, т. е. структура феррито-перлитовая с игольчатой формой феррита. Такая же структура наблюдается в случаях сильного перегрева стали и крупнозернистости – в литых изделиях и изделиях, сильно перегретых в процессе горячей обработки.