Настольная книга специалиста-металлурга (справочник)

Элемент

Влияние

С

• Упрочняет феррит, т.к. образует с железом раствор внедрения [⁴⁰, стр. 8].

• Входит в состав перлита, количество которого в отожжённом или нормализованном состоянии феррито-перлитных сталей увеличивается с увеличением содержания углерода. Увеличение содержания перлита сопровождается упрочнением стали [⁴\ стр. 8].

• Отрицательное влияние на ударную вязкость [⁴², стр. 378].

• Увеличивает твердость, временное сопротивление стали в горячекатаном, нормализованном, и закаленном и отпущенном состоянии [⁴³, стр.2].

• Увеличивает временное сопротивление, предел текучести, снижает относительное удлинение, ударную вязкость [⁴⁴, стр. 162].

• В феррито-перлитных сталях углерод больше увеличивает временное сопротивление, а не предел текучести, таким образом с увеличением %С соотношение предела текучести к временному сопротивлению уменьшается. [⁴⁵, стр. 8].

• 0,1 %С увеличивает временное сопротивление нормализованного или горячекатаного проката на 40 МПа [⁴⁶- стр. 27].

• Углерод усиливает ликвацию всех элементов, особенно резко Mn, Mo, S [⁴⁷, стр. 81].

• Снижение содержание С уменьшает степень сегрегации Mn [⁴⁸, стр. 31].

• Формирование хрупких фаз при содержании углерода выше 0,09 связано с существенной сегрегаций элементов, происходящей при перитектической реакции в процессе затвердевания. Происходит локальное обогащение легирующими элементами. Локальный химический состав ответственен за низкие значения вязкости [⁴⁹, стр. 37].

• Для улучшения пластичности, вязкости, свариваемости предпочтительно содержание углерода менее 0,2 [⁵⁰, стр.2].

Si

• При содержании примерно до 0,4⁵¹ - неизбежная технологическая примесь: вводится в сталь на этапе выплавки для раскисления стали [⁵², стр.З].

• Полностью растворим в феррите, поэтому структурно не обнаруживается [⁵³, стр. 163].

• Упрочняет феррит [⁵⁴, стр. 310].

• Снижает вязкость феррита [⁵⁵, стр. 310].

• Повышает устойчивость аустенита [⁵⁶, стр. 58].

• Повышает временное сопротивление за счет твёрдорастворного упрочнения, снижает пластичность и ударную вязкость, особенно при низких температурах [⁵⁷, стр. 9, 75].

• Обладает сильной склонностью к ликвации. Ликвация Si может сохраняться даже после гомогенизации [⁵⁸, стр. 59].

• В сварочной ванне ликвация Si выражена еще более ярко, что отрицательно сказывается на свариваемости стали [⁵⁹, стр. 9].

• 0,1 Si увеличивает временное сопротивление, нормализованного или горячекатаного проката на 20 МПа [60, стр. 27].

Mn

• Марганец - раскислитель [⁶¹, стр.З]

• Повышает устойчивость переохлажденного аустенита, снижает критическую точку АгЗ [⁶², стр. 19,⁶³, стр. 36].

• Снижает вязкость феррита [⁶⁴, стр. 310]

• Упрочняет феррит [⁶⁵, стр. 310].

• Обладает одной из наименьших среди легирующих элементов склонностью к ликвации [⁶⁶, стр.З].

• Повышает временное сопротивление, снижает ударную вязкость [⁶⁷, стр. 8], причем тем больше, чем больше уже имеется углерода в стали [^6δ, стр.2].

• 0,1 %Мп увеличивает временное сопротивление нормализованного или горячекатаного проката на 20 МПа [69, стр. 27].

• Содержание Mn более 1,8 ухудшает пластичность, ударную вязкость и свариваемость малоуглеродистых и низколегированных сталей [⁷⁰, стр. 9].

S

• Практически нерастворима в железе и образует сульфиды [⁷\ стр.165].

• Вредная примесь. FeS входит в состав хрупкой эвтектики, которая образуется при 988°С, которая, как правило располагается по границам зерен делает сталь хрупкой при 800°С (красноломкость), для предотвращения ее образования в сталь вводят Mn [⁷², стр. 165-166], образующий пластичные сульфиды MnS с большей температурой плавления по сравнению с FeS.

• Негативно влияет на пластичность, ударную вязкость, как при испытании ка вдоль так и поперек прокатки, так и толщины листа. По большей части связано с удлиненной вдоль направления прокатки формой сульфидных включений, являющимися концентраторами напряжений [⁷³, стр. 32].

• Снижает свариваемость [⁷⁴, стр.З].

• Может отрицательно сказаться на качестве поверхности [⁷⁵, стр.З].

P

• В большинстве случаев - вредная примесь [⁷⁶], сильно повышает температуру хрупко-вязкого перехода [⁷⁷, стр. 377], т.к. имеет пониженную растворимость в феррите, поэтому диффундирует к границам зерен и сегрегирует по границам [[⁷⁸, стр. 32,⁷⁹, стр. 164].

• Влияние справедливо как для основного металла, так и металла сварного шва [⁸⁰, стр. 32]. Для ЗТВ лучше его иметь менее 0,013% [^δ1, стр. 38].

• Упрочняет феррит сравнимо с углеродом, снижает пластичность и

вязкость особенно сталей в закаленном и отпущенном состоянии [⁸², стр.З].

• Добавляют в сталь для улучшения сопротивления атмосферной коррозии [⁸³, стр.З]. Пример - 10ХНДП по ГОСТ 14959.

Cr

• Повышает устойчивость переохлажденного аустенита [⁸⁴, стр. 33].

• Существенно упрочняет сталь в случае комплексного легирования, при этом положительно влияет на хладостойкость [⁸⁵, стр. 9]

• Упрочняет феррит [⁸⁶, стр. 310].

• Является важным элементом для улучшения коррозионной стойкости сталей [⁸⁷, стр.4]

Ni

• Повышает устойчивость переохлажденного аустенита, снижает критическую точку АгЗ [⁸⁸, стр. 19,⁸⁹, стр. 30].

• Незначительно упрочняет сталь [⁹⁰, стр. 9] (образует твёрдый раствор замещения, атомный радиус близок к радиусу железа)

• Позволяет повысить пластичность, ударную вязкость, в том числе и при пониженных температурах [⁹¹, стр. 9,⁹², стр. 378,⁹³, стр.2].

• В сварных швах малоуглеродистых сталей увеличивает ликвацию серы [⁹⁴, стр. 81].

• Упрочняет феррит [⁹⁵, стр. 310].

Cu

• Повышает устойчивость переохлажденного аустенита, снижает критическую точку Агз [⁹⁶, стр. 19,].

• Вводят в сталь для улучшения коррозионной стойкости [⁹⁷, стр. 8, ⁹⁸, стр.4].

• Незначительно повышает прочностные характеристики [", стр. 9].

• В количестве -0,3% улучшает коррозионную стойкость [¹⁰°, стр. 9].

• При большом содержании меди вызывает красноломкость и требует введения «элементов-нейтрализаторов» типа Ni в соотношении 1:2 [¹⁰¹, стр. 9].

Mo

• Повышает устойчивость переохлажденного аустенита [¹⁰², стр. 38]. Сдвигает кривую изотермического распада в верхней области вправо [¹⁰³, стр. 12].

• Вводят для получения бейнитной структуры при охлаждении проката на воздухе (-0,35-0,5%) [¹⁰⁴, стр. 12].

• Отличается высокой склонностью к ликвации [¹⁰⁵, стр. 81].

• Снижает вязкость феррита [¹⁰⁶, стр. 310].

• Упрочняет феррит [¹⁰⁷, стр. 310].

• Увеличивает прочность стали при высоких температурах, а также сопротивление ползучести [¹⁰⁸, стр.4].

• В современные бейнитные стали вводятся в количестве (0,35- 0,5%) [¹⁰⁹, стр. 121

Al

• Неизбежная технологическая примесь; вводится в сталь для раскисления.

• Используется для связывания азота в нитриды [¹¹°, стр. 11].

• Образовавшиеся нитриды алюминия сдерживают рост аустенитных зерен примерно до 1000-1100°С [¹¹¹, стр. 18].

• При общем содержании более 0,018% обеспечивает наследственную мелкозернистость стали [¹¹²].

• Находясь в твердом растворе, увеличивает устойчивость аустенита [¹¹³, стр. 61].

• Стали раскисленные алюминием, имеют более мелкое зерно и потому более высокий уровень вязкости [¹¹⁴, стр.4].

Nb

• Тормозит рекристаллизацию аустенита при прокатке, clth;bdftn рост аустенитного зерна [¹¹⁵, стр. 12, 30].

• Находясь в твердом растворе, увеличивает устойчивость аустенита [¹¹⁶, стр. 56].

• За счет образования устойчивых при высоких температурах карбидов и нитридов препятствует росту аустенитного зерна при нагреве, более мелкое зерно аустенита перед превращением способствует понижению температуры хрупко-вязкого перехода.

• Увеличивает прочность сталей за счет двух механизмов: дисперсионного твердения (выделение мелких карбидов внутри ферритного зерна) и зернограничного упрочнения (измельчение размера ферритного зерна за счет сдерживания роста аустенитных зерен перед превращением) [¹¹⁷, стр. 9].

• Используется для связывания азота в нитриды [¹¹⁸, стр. 11].

• Очень редко специально добавляют в продукты, подвергаемые сварке; на данный элемент необходим при производстве проката с применением TMO [¹¹⁹, стр. 148].

• Может вызывать уменьшение ударной вязкости подварочного шва, а также всего сварного соединения при последующей операции отпуска (за счет выделения карбидов, карбонитридов) [¹²°, стр. 148].

• Добавки ниобия сдерживают аномальный рост зерна до температур -1150°С [¹²¹, стр. 18].

• Часто применяется в сталях, предназначенных для контролируемой прокатки [¹²², стр.4].

• Стехиометрическое соотношение к углероду: Nb= 93/12*С [¹²³, стр. 29].

• Произведение растворимости: lg[Nb][C+12/14N]=-6770/T+2,26 [¹²⁴, стр. 17].

V

• За счет образования устойчивых при высоких температурах карбидов и нитридов (но менее устойчивых по сравнению с Ti и Nb) препятствует росту аустенитного зерна при нагреве до температур около 1000-1IOO⁰C [¹²⁵, стр. 18] (по другим данным около 1200-1300°С [¹²⁶, стр. 43]), более мелкое зерно аустенита перед превращением способствует понижению температуры хрупко-вязкого перехода.

• При нагреве сталей под закалку ниже температур растворения части ванадия, частицы оказывают зародышевое воздействие - что уменьшает прокаливаемость стали [¹²⁷, стр. 43].

• Увеличивает прочность стали в основном за счет дисперсионного

твердения (выделение мелких когерентных с основной матрице карбидов внутри ферритного зерна), проходящего в процессе или после γ-α превращения [¹²⁸, стр. 12].

• Используется для связывания азота в нитриды [¹²⁹, стр. 11]

• Влияние аналогично ниобию: может вызывать уменьшение ударной вязкости подварочного шва, а также всего сварного соединения при последующей операции отпуска (за счет выделения из раствора карбидов, карбонитридов) [¹³°, стр. 148].

• Эффективен для повышения прокаливаемости стали [¹³¹, стр.4].

• Позволяет сохранять прочность закаленным сталям при отпуске P³², стр.4].

Ti

• За счет образования устойчивых при высоких температурах карбидов и нитридов препятствует росту аустенитного зерна при нагреве (нитрид титана сдерживает аномальный рост зерна примерно до 1200-1250°С) [¹³³, стр. 10, 12, 18, 33]; по данным [¹³⁴, стр. 52] примерно до того же диапазона не растворяются и карбиды титана. Более мелкое зерно аустенита перед превращением способствует понижению температуры хрупковязкого перехода.

• Используется для связывания азота в нитриды, соответственно для уменьшения содержания азота в твердом растворе [¹³⁵, стр. 9].

• Мелкодисперсные нитриды и оксиды титана, образующиеся при пониженном содержании кислорода и азота - эффективные препятствия для роста аустенитного зерна в зоне перегрева ЗТВ при сварке [¹³⁶, стр. 9].

• При совместном действии с бором в количестве 20-60 ч.н.м., который задерживает формирование феррита по границам зерен, увеличивает долю игольчатого феррита, который зарождается внутри аустенитных зёрен на подложке из неметаллических включений, типа оксидов титана. Игольчатый феррит - наиболее благоприятная структура для сварного шва [¹³⁷], обладающая высокой ударной вязкостью. Данный совместный эффект титана и бора приводит к положительным результатам при условии, что содержании азота в стали очень низкое [^13δ, стр. 148].

• Используется для модифицирования неметаллических включений: после кристаллизации титан реагирует с серой с образованием сульфидов и карбосульфидов, которые обладают высокой

твердостью (по сравнению с MnS), даже при температурах горячей деформации. [¹³⁹, стр. 9].

• Содержание титана для связывания N, S и С: Ti = 24/7*Ν + 1.5*S + 4*С [¹⁴°, стр. 28]

N

• Как правило, вредная примесь. Вызывает синеломкость стали [¹⁴\ стр. 11] (явление увеличения прочности стали при 200-300°С с одновременным снижением пластичности и вязкости [¹⁴², стр.

387]).

• Свободный азот существенно снижает вязкость стали, повышая критическую температуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению [¹⁴³, стр. 32].

• Вызывает старение стали: атомы азота диффундируют к дефектам кристаллического строения и тем самым создают препятствия для движения дислокаций, таким образом упрочняют сталь [¹⁴⁴, стр. 147].

• Иногда вводят целенаправленно, как легирующий элемент. Пример - сталь 16Г2АФ.

• Целенаправленное введение азота вместе с нитридообразующими элементами (Nb, V, Al, Ti) способствуют значительному измельчению зерна и повышению температуры начала роста зерна аустенита [¹⁴⁵, стр. 11]

• Находясь в твердом растворе (твердый раствор внедрения), азот вызывает сильное искажение кристаллической решетки, следовательно, увеличение прочности и твердости и связанное с этим уменьшение вязкости стали [¹⁴⁶, стр. 147], увеличивает устойчивость аустенита [¹⁴⁷, стр. 69].

• При соединении с Nb и V вызывает дисперсионное твердение стали за счет образования когерентных с основной металлической матрицей мелких частиц карбидов и карбонитридов. Данный процесс происходит в диапазоне температур 400-650°С [^14δ, стр. 147].

• При многопроходной сварке увеличение содержания азота в стали оказывает негативное влияние на ударную вязкость всех зон при многопроходной сварке, при этом не только на свойства последнего шва, но и всех предыдущих. Особенно четко это

негативное влияние на температуру хрупко-вязкого перехода азот оказывает в присутствии Nb и чуть меньше - в присутствии V [¹⁴⁹, стр. 147].

W

• Повышает устойчивость переохлажденного аустенита [¹⁵°, стр. 41].

• Снижает вязкость феррита [¹⁵¹, стр. 310].

• Упрочняет феррит [¹⁵², стр. 310].

Zr

• Образует труднорастворимые карбиды, устойчивые до еще более высоких температур по сравнению с Ti [¹⁵³, стр. 53]

О

• В сварных швах ферритных сталей необходимо минимальное содержание для обеспечения формирования игольчатого феррита. С увеличением содержания Al требование минимальному содержанию кислорода сдвигается в сторону более высоких концентраций кислорода: Omin ~ 250 ppm при Al < 0,015%; Omin - 350...400 ppm при А = 0,035...0,040%. [¹⁵⁴, стр. 146]

Ca

• Вводится в сталь для модификации формы неметаллических включений.

H

• He образует соединении с железом, поэтому может выделяться из металла. [¹⁵⁵, стр. 169]

В

• Очень сильно повышает устойчивость переохлажденного аустенита [¹⁵⁶, стр. 44] и, следовательно, увеличивает прокаливаемость [¹⁵⁷, стр.4]. Данное влияние ослабевает с увеличением содержания углерода в стали [¹⁵⁸, стр.4];

• В отличие от других элементов не упрочняет феррит [¹⁵⁹, стр.4].

• Вводят для получения бейнитной структуры при охлаждении проката на воздухе (0,001-0,004%) [¹⁶°, стр. 12]

• Бор задерживает выделение свободного полигонального феррита в добейнитной части распада [¹⁶¹, стр. 12].