Металл. Сталь. Металлические балки

Сталь представляет собой ковкий (деформируемый) сплав железа с углеродом (в пределах 2%) и некоторыми другими элементами. Железо — основа стали.

Структура сталей в равновесном состоянии

От процентного содержания углерода зависит окончательный вид сформировавшейся микроструктуры сталей и сплавов. Определить его можно по структурной диаграмме Fe – Fe3C в соответствии с процессами, которые происходят в составе сплава.

На свойства сталей и сплавов влияют углерод и постоянные примеси (технологические). Они являются обязательными компонентами, поэтому их трудно удалить при выплавке (S, P), из шихты – металлического легированного лома (Cr, Ni, др.), в процессе раскисления (Mn, Si).

Постоянные примеси (марганец, кремний, углерод, сера, фосфор, азот, кислород, водород) присутствуют в твердом или газообразном виде. В тоже время, они не влияют существенно на положение критических точек диаграммы Fe – Fe3C. Зависимость заключается в возможности образовывать самостоятельные фазы с железом (основным компонентом) и местом возникновения этих фаз.

Углерод

Если увеличить содержание углерода (до 1,2%), то возрастут твердость, прочность, предел текучести, величина электрического сопротивления, порог хладноломкости (0,1%   способствует повышению температуры порога хладноломкости на 20ºС), коэрцитивная сила. В тоже время, пластичность, вязкость, плотность, теплопроводность, величина остаточной индукции, величины относительных удлинения и сужения снижаются.

Так как физические свойства изменяются, то это ведет к целому ряду негативных технологических процессов, а, именно, свариваемость, деформирование при штамповке и т.д. Стали низкоуглеродистые, отличаются хорошей свариваемостью. А вот высокоуглеродистые и среднеуглеродистые стали, требуют при сварке применения подогрева, что предупреждает образование трещин, так как замедляется охлаждение, другие технологические операции.

Марганец служит технологической добавкой стали, чтобы повысить степень их раскисления, устранить вредное влияние серы. Содержание марганца в качестве примеси не должно превышать 0,8%. Он пребывает в сплавах и сталях в виде твердого раствора а- Fe, а так же, как примесь технологическая, что не оказывает существенного влияния на свойства стали.

Вводят для раскисления в сталь также и кремний. Его содержание не выше 0,37%, в сталях для сварных конструкций – в пределах: 0,12 – 0,25%. Кремний присутствует в твердом состоянии а- Fe, не оказывает существенного влияния на свойства стали и сплавов.

Сера, как технологическая примесь, составляет содержание 0,035 … 0,045%, нерастворима в аустените. Она присутствует в виде хрупких сульфидов Fe S, Mn S, которые входят в эвтектику при температуре плавления 985ºС. Эвтектика, чаще всего, кристаллизуется по границам зерен.

Если содержание серы повышается, то снижаются свойства сталей (механические, физико-химические). А, именно, пластичность, ударная вязкость, коррозийная стойкость, сопротивление к истиранию, снижает свариваемость изделий. К красноломкости приводит большое содержание серы при горячем деформировании, т.е. мы видим надрывы по включениям Fe S.

В твердом растворе а- Fe в сталях и сплавах присутствует фосфор. Его доля, как технологической смеси, находится в пределах 0,025 – 0,045%. Фосфор является вредной примесью в сталях и сплавах, как и сера. Если увеличивается его содержание на немного, доли процента, то прочность повышается, но и снижается пластичность, вязкость, повышается хрупкость, текучесть, порог хладноломкости. Обоснованно это тем, что фосфор вызывает внутрикристаллическую ликвацию, довольно сильную, способствует росту зерен в металле. При повышенном содержании углерода, сильно вредное влияние оказывает фосфор на металл.

Отрицательно воздействуют на свойства металла кислород и азот.  Они присутствуют в малом количестве, в результате чего, сталь загрязняется неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Поэтому вызывается анизотропия механических свойств, при этом, хрупкость повышается, порог хладноломкости, а вязкость и выносливость снижается. Старение стали бывает при содержании кислорода более 0,03%, а красноломкость – более 0,1%. Азот снижает пластичность стали, но увеличивает твердость и прочность. В тоже время, если содержание азота повышено, то происходит деформационное старение. Оно медленнее развивается при комнатной температуре и быстрее при нагреве до 250º С.

В твердом состоянии а- Fe находится в металлах водород. Он можетскапливаться в порах и на дислокациях. Если его содержание увеличивается в металле, то повышается хрупкость. Возникают в прокатных изделиях флокены, которые развивают водород, что выделяется в поры. Флокены ведут к разрушению металла, поэтому металл, содержащий их, не допускают в промышленность.

Существует сталь легированная. Она содержит наряду с обычными примесями — специальные, которые вводятся в определенных сочетаниях. К легирующим элементам относятся: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, Wo, V, Al, B, Ti и др. их содержание составляет больше 1%. Именно комплексное легирование обеспечивает лучшие технологические свойства. Т.е. повышается ударная вязкость, предел текучести, относительное сужение и прокаливаемость, снижается порог хладноломкости, скорость закалки, деформирование изделий, образование трещин. Повышенные механические свойства легированных сталей в изделиях, которые имеют крупное сечение (диаметр более 15 –20 мм), по сравнению с углеродистыми сталями.