Вплив елементів, що входять до складу сталі, на її властивості

Сталь – це цінний конструкційний матеріал, з нього виготовлюють різні деталі для машин та обладнання: зубчасті колеса; корпуси верстатів, труби і багато іншого.
Крім основи (заліза - Fe і вуглецю - С) в сталях в невеликих кількостях присутні домішки.
Сталь =
Залізо (Fe)
- основний компонент
+
Вуглець (С)
- вміст менше 2,14%
+
Домішки
+
Спеціальні (легуючі) добавки

На властивості сталей впливають постійні домішки, які в них містяться:
шкідливі – сірка, фосфор, кисень, азот, водень; корисні – кремній, марганець та інші.
Ці домішки потрапляють в сплав з:
руди (сировина для виготовлення сталі) – сірка та фосфор;
- металевого лому – хром, нікель та інші;
- в процесі розкислення – кремній та марганець.
Технологічні домішки необхідні для здійснення металургійного процесу виплавки сталі.

міцність сталі
(σв - границя міцності при розтязі);
твердість (НВ твердість за Брінеллем);
в'язкість сталі
( ψ - ударна в’язкість);
- пластичність (δ – відносне видовження).
Вплив вуглецю (С) на механічні
властивості сталі:

Вуглець впливає і на технологічні властивості сталі:
підвищення вмісту вуглецю погіршує ливарні властивості сталі (використовуються сталі з вмістом вуглецю до 0,4%);
з ростом вмісту вуглецю в сталі погіршується її оброблюваність тиском і різанням, а також зварюваність (сталі добре зварюються, якщо кількість вуглецю в них не перевищує 0,25%).

Постійні домішки в сталях:
корисні - марганець, кремній (вводяться в процесі виплавки сталі для розкислення, вони є технологічними домішками);
шкідливі - фосфор, сірка (сірка потрапляє в сталь з чавуну);
приховані домішки - гази (азот, кисень, водень) - потрапляють в сталь при виплавці.

Mn – марганець (0,5 ... 0,8%):
- підвищує міцність, не знижуючи пластичності;
- знижує красноломкість сталі.

- підвищує міцність сталі;
- незначно знижує пластичність.
С - кремній 0,35 ... 0,4%: :

Р – фосфор (0,025 ... 0,045%):
знижує пластичність;
сприяє появі холодноламкості (властивість ставати крихкими у холодному стані);
сприяє ліквації у виливків.
Р – фосфор (0,025 ... 0,045%):

Ліквація – неоднорідність хімічного складу сплаву, що виникає при його кристалізації. До таких елементів, що називаються ліквуючими, в сталях відносяться сірка, фосфор та вуглець.

- викликає червоноломкість (підвищення крихкості при високих температурах);
- знижує механічні властивості, особливо ударну в'язкість і пластичність;
- погіршує зварюваність і корозійну стійкість.
S – сірка (0,025 ... 0,06%):

Приховані домішки - гази (азот, кисень, водень)
Ці домішки підвищують поріг холодноламкості і знижують опір крихкому руйнуванню. Неметалеві включення (оксиди, нітриди), що є концентраторами напружень, значно знижують витривалість і в'язкість сталі.
Дуже шкідливим є розчинений в сталі водень, який призводить до крихкості сталі, до утворення в заготовках і поковках тріщин.
Якщо водень знаходиться в поверхневому шарі, то він видаляється в результаті нагрівання при 150...180° C, краще в вакуумі. Для видалення прихованих домішок використовують вакуумування.

Спеціальні домішки
Спеціальні домішки вводяться в сталь для отримання заданих властивостей. Такі домішки називаються легуючими елементами, а сталі - легованими.
Легування - введення до складу металевих сплавів легуючих елементів для отримання певних фізичних, хімічних або механічних властивостей.

Особливі властивості сталей:
* теплостійкість;
* жароміцність;
* корозійна стійкість.
Особливі властивості сталі досягаються
шляхом легування наступними елементами:

Хром:
збільшує прогартованість сталі;
сприяє появі однакової твердості по всьому перетину;
підвищує стійкість до спрацювання;
підвищує жароміцність.

Сталі і сплави з особливими хімічними властивостями (стійкі до корозії) містять не менше 12,5—13 % Сг.
Сталі з високим вмістом хрому и нікелю стійкі в агресивних середовищах.

Нікель:
Полегшує прокатування;
Підвищує границю текучості та міцності;
Зменшує чутливість до перегрівання;
Підвищує корозійну стійкість;
Прискорює тверднення виливків;
Впливає на магнітні властивості.

Ванадій:
Сприяє утворенню дрібнозернистої структури;
Підвищує міцність і в'язкість;
За температур нижче 0º С – ударну в'язкість.

Теплостійкі сталі
це низьколеговані сталі з обов'язковим вмістом ХРОМУ і МОЛІБДЕНУ, що працюють тривалий час при температурі до 600ОС.
Вони дешеві, технологичні; з них виготовляють відливки, прокат, поковки; їх викоритстовують для виготовлення зварювальних конструкцій: турбін, паропроводів, котлів и т.п.

Вольфрам:
Підвищує стійкість інструментів;
Сприяє утворенню усадкових раковин.