Состав стали: химические элементы, практика легирования и технические условия

Железо, углерод и определение стали

Сталь — это сплав на основе железа, в котором углерод является основным легирующим элементом. Углерод растворяется в кристаллической решетке железа и, в зависимости от термической обработки, распределяется таким образом, что образуется очень широкий спектр микроструктур и механических свойств. Верхний предел содержания углерода в стали обычно принимается равным 2,1 % по массе; при превышении этого значения сплав затвердевает с образованием первичных карбидов и классифицируется как чугун, обладающий принципиально иными технологическими характеристиками.

В рамках ассортимента сталей содержание углерода является основным фактором, определяющим реакцию материала на термическую обработку. Низкоуглеродистые стали обладают вязкостью и свариваемостью, но не подвергаются значительному упрочнению. Высокоуглеродистые марки достигают высокой твердости и прочности после закалки, но при недостаточном контроле термических процессов становятся все более сложными для сварки и более подверженными хрупкому разрушению.

Легирующие элементы в стали

Помимо углерода, большинство коммерческих марок стали содержат дополнительные элементы, добавляемые специально для достижения определённых металлургических характеристик. Именно выбор и соотношение этих элементов отличают мягкую конструкционную сталь от дуплексной нержавеющей стали, криогенной марки или стали для сосудов под давлением, устойчивой к ползучести.

Марганец присутствует практически во всех коммерческих марках стали. Он выступает в качестве раскислителя при производстве стали, улучшает закаливаемость и вступает в реакцию с серой с образованием сульфида марганца, который наносит значительно меньший ущерб свойствам стали, чем сульфид железа. Хром при содержании выше примерно 10,5% по массе образует пассивную оксидную пленку, которая придает нержавеющим сталям коррозионную стойкость; при более низких концентрациях он способствует закаливаемости и износостойкости. Никель повышает вязкость и ударную вязкость при низких и минусовых температурах, что делает его ключевым добавкой в сталях для криогенных и арктических условий эксплуатации. Молибден повышает прочность при высоких температурах и сопротивление ползучести и является стандартной добавкой в сталях для сосудов под давлением и оборудования, работающего при повышенных температурах. Ванадий и ниобий, эффективные даже при очень низких концентрациях, являются средствами для утончения кристаллитов и упрочнения путем выделения осадков; они являются характерными добавками в современных марках высокопрочных низколегированных сталей (HSLA), в которых достигается значительное повышение прочности без увеличения содержания углерода. Кремний служит в первую очередь раскислителем, хотя в более высоких концентрациях его используют для регулирования магнитных свойств электротехнической стали.

Фосфор и сера также присутствуют во всех марках стали, причем не в качестве целенаправленных добавок, а в виде технологических примесей, попадающих в сталь из сырья. Оба этих элемента ухудшают механические свойства при содержании выше следовых уровней, поэтому их содержание во всех конструкционных марках стали ограничивается установленными максимальными пределами. Современная практика производства стали позволяет поддерживать содержание этих элементов на достаточно низком уровне, благодаря чему их влияние на свойства в подавляющем большинстве случаев является незначительным.

В приведенной ниже таблице представлены эти элементы, их функции, а также диапазоны составов, характерные для коммерческой практики.

Таблица 1. Основные элементы состава стали, их роль и ориентировочные диапазоны массовых долей. Указанные значения соответствуют общепринятой коммерческой практике; предельные значения определяются действующим стандартом на данную продукцию.

Как определяется и указывается состав стали

Теплотехнический анализ и анализ продукции

Состав стали определяется на двух этапах производства. Анализ плавки, также называемый анализом из ковша, проводится на расплавленной стали во время или сразу после плавки и отражает состав всей партии. Анализ готовой продукции проводится на готовом прокатном или кованом изделии. Поскольку во время затвердевания может происходить сегрегация элементов, результаты анализа готовой продукции могут незначительно отличаться от результатов анализа плавки, и стандарты на продукцию определяют допустимое отклонение между ними. Результаты обоих анализов указываются в сертификате испытаний материала, прилагаемом к продукции.

Для инженеров, осуществляющих проверку поступающего материала, сертификат состава является основным документом. Его сверка с таблицей состава соответствующего стандарта, элемент за элементом, представляет собой простой, но важный этап в процессе аттестации материалов.

Углеродный эквивалент как практический инструмент

Поскольку несколько легирующих элементов влияют на поведение стали способами, качественно схожими с влиянием углерода, в сварочной технике для оценки требований к предварительному нагреву и риска водородного растрескивания используется комбинированный параметр, называемый углеродным эквивалентом (CE). Наиболее широко применяемый вариант учитывает содержание углерода в сочетании с взвешенными вкладами марганца, хрома, молибдена, ванадия, никеля и меди. Углеродный эквивалент рассчитывается непосредственно на основе сертификата состава и является одним из наиболее распространенных практических применений данных о составе для инженеров, занимающихся изготовлением изделий и аттестацией сварочных процессов.

Сталь с низким коэффициентом усадки (CE) обычно можно сваривать без предварительного нагрева при умеренных размерах сечения. По мере увеличения CE возникает необходимость в предварительном нагреве, чтобы замедлить скорость охлаждения в зоне термического влияния и снизить риск образования трещин. Конкретные температуры предварительного нагрева, необходимые для данного CE и толщины сечения, указаны в стандартах по сварке и являются темой, которая будет рассмотрена в инженерных руководствах Total Materia, где металлургия сварки рассматривается в практическом контексте выбора марки стали и планирования изготовления.

Состав, свойства и эквивалентность

Состав определяет потенциал стали; термическая и механическая обработка определяют, в какой степени этот потенциал реализуется в готовом изделии.
Состав также является основным критерием для оценки того, являются ли две марки из разных национальных стандартов действительно эквивалентными. Совпадение наименований марок по стандартам ASTM и EN не является надёжным показателем их истинной эквивалентности; таковым является непосредственное сравнение предельных значений состава и требований к механическим свойствам.