Железоуглеродистые сплавы

Стали нашли самое широкое применение в народном хозяйстве для изготовления самых разнообразных конструкций. Сталь состоит из многих элементов. Однако наибольшее влияние на ее свойства оказывает углерод. На рис. 1 представлена диаграмма состояния сплавов железа с углеродом в области между железом и цементитом (химическое соединение железа с углеродом).

1. Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

В системе сплавов этих двух компонентов существует ряд фаз: ж — жидкий раствор углерода в железе; у — аустенит — твердый раствор углерода в у — Fe; а — феррит — твердый раствор углерода в а — Fe; Ц — цементит (кроме или вместо цементита может присутствовать графит Г — свободный углерод). В сплавах существуют также однородные механические смеси. В области высоких концентраций углерода образуются также однородные механические смеси — ледебурит Л, эвтектоид — перлит П, первичный цементит— 1Дь вторичный цементит — Цг, третичный цементит— Цз. Диаграмма состояния характерна для равновесных условий кристаллизации сплавов. Фазы и структуры могут быть получены при достаточно медленном охлаждении или нагреве и выдержке быстроохлажденного сплава до температуры, соответствующей фазовой или структурной области. О превращениях при охлаждении сплавов различного состава можно судить по обозначениям  областей диаграммы.  Сплавы со структурой феррита и перлита содержат количество перлита от 0 % при отсутствии в железе углерода до 100 % при содержании примерно до 0,8 % углерода. Другая составляющая этих сплавов — перлит, (механическая смесь феррита и цементита). Так как цементит имеет более высокую твердость, чем феррит, и более хрупкий, то он оказывает большое влияние на свойства сплавов. Цементит, являясь включением в мягкой, легко деформируемой основе, препятствует пластической деформации, повышает твердость и прочность сталей. При содержании в стали 0,8 % С структура стали состоит из ферритно-цементитной механической смеси. Сплавы с большим содержанием углерода относятся к чугунам. Чугуны, у которых при кристаллизации выделяется цементит и он сохраняется до полного охлаждения, называют белыми чугунами, а чугуны в структуре с графитом вместо цементита называются серыми.

Введение в сталь легирующих элементов меняет их свойства и в значительной мере влияет на условия сварки и свойства сварных соединений. Легирующие элементы по-разному взаимодействуют с железом и углеродом — основными компонентами стали. С железом легирующие элементы дают растворы замещения. Взаимодействие их с углеродом более сложно. С одной стороны многие легирующие элементы или непосредственно образовывают с углеродом карбид легирующего элемента или заменяют часть атомов железа в карбиде железа. С другой стороны, образуя растворы замещения и заменяя в кристаллической решетке часть атомов железа, легирующие элементы изменяют энергетические условия взаимодействия с решеткой внутренних атомов углерода. Следовательно, легируя феррит и меняя уровень энергетических связей, легирующие элементы меняют температуру полиморфных превращений, что особенно важно при быстропротекающем нагреве стали при сварке, а при охлаждении влияют на процесс распада аустенита.

Сталь имеет определенные марки. Углеродистые и легированные стали маркируются по-разному.

Стали обыкновенного качества, изготавливаемые по ГОСТ 380—71*, делятся на три основных группы А, Б, В, которые определяют области применения стали. В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы делится на категории. Нормируемыми показателями для первой категории стали группы А является предел прочности и относительное удлинение, для второй категории к ним добавляется изгиб в холодном состоянии, а для третьей категории — кроме того, предел текучести.

Стали группы Б классифицируют по химическому составу. Нормируемые показатели для первой категории стали этой группы — это содержание углерода, марганца, кремния, фосфора, серы, мышьяка и азота. Для второй категории, кроме этих компонентов, ограничивается содержание хрома, никеля и меди.

Стали группы В характеризуются механическими свойствами, соответствующими сталям группы А, и химическим составом, отвечающим сталям группы Б.

Из-за усложнения условий эксплуатации трубопроводов, металлоконструкций и оборудования, массового строительства промышленных предприятий в условиях Сибири и Севера, технологических трудностей сварки толстолистового металла и необходимости экономии металла широкое применение нашли низколегированные стали, прочностные характеристики которых, а также температура перехода в хрупкое состояние более благоприятны по сравнению с лучшими низкоуглеродистыми сталями.

Марка легированной стали состоит из сочетания определенных букв и цифр, характеризующих ее химический состав. Входящие в маркировку буквы обозначают следующее: Г—марганец, С — кремний, X — хром, Н — никель, М — молибден, Ю — алюминий, В — вольфрам, Т — титан, Ф — ванадий, Б — ниобий, К — кобальт, Д — медь, Р — бор, А — азот. Цифры, входящие в марку, указывают на содержание конкретного элемента в стали. Двузначное число, стоящее в начале марки стали, указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифра, стоящая справа от букв, обозначающих элементы, показывает примерное содержание этого элемента в процентах.

Под свариваемостью стали понимают возможность получения сварного соединения со свойствами, не уступающими основному металлу, без различных дефектов. Чем лучше свариваемость стали, тем шире технологический диапазон различных видов сварки этой стали и тем проще сам процесс. Ухудшение свариваемости стали вызывает возникновение высоких остаточных напряжении и деформаций, образование разупрочненных участков в зоне теплового влияния, сильный рост зерна в околошовной зоне, появление горячих трещин. Углерод и все основные легирующие элементы отрицательно влияют на свариваемость. Однако пределы их содержания, когда начинается ухудшение свариваемости, различны. Причем эти пределы зависят также и от уровня легирования стали другими элементами. Отрицательное влияние углерода на свариваемость связано с повышением склонности стали к образованию горячих и холодных трещин, с повышением хрупкости металла в зоне теплового влияния. В нелегированной и низколегированной стали содержание углерода до 0,25 % незначительно ухудшает свариваемость. Заметное ухудшение свариваемости наступает при содержании углерода более 0,3%. Особенно плохо свариваются стали с содержанием углерода 0,5 % и более. Влияние легирующих элементов на свариваемость может быть различным в низко- и высоколегированных сталях. В низколегированных сталях наблюдается следующее их влияние. Содержание кремния до 1,7% особо вредного влияния на свариваемость не оказывает. Некоторое отрицательное его влияние связано с упрочнением феррита и со способностью неоднородного распределения углерода. Влияние марганца зависит от содержания углерода в стали — чем выше его содержание, тем хуже свариваемость. Это связано с повышением хрупкости, вероятностью появления холодных трещин и повышением склонности к появлению элементов закалочных структур в зоне теплового влияния. В своем влиянии на свариваемость хром также связан с количеством в стали углерода. При содержании углерода более 0,25 % и хрома более 2 % свариваемость стали значительно ухудшается. При большом содержании хрома повышается склонность к образованию холодных трещин, возникает неоднородность свойств в зоне термического влияния, увеличивается объемный эффект превращения аустенита и снижается теплопроводность стали. Все это приводит к повышению уровня остаточных напряжений. Присутствие никеля до 1 % при содержании до 0,2 % углерода существенно свариваемость не ухудшает. При наличии никеля до 1,5 % свариваемость остается удовлетворительной. При дальнейшем  повышении  содержания должно    быть    снижено наличие углерода или приняты специальные технологические меры для обеспечения получения качественного сварного соединения. На свариваемость стали плохо влияют элементы, дающие устойчивые карбиды. Без значительного ухудшения свариваемости в низкоуглеродистую сталь вводят до 0,5 % вольфрама и молибдена. Ниобий и ванадий ухудшают свариваемость при их содержании более 0,2%.

Символы различных элементов означают содержание данного элемента в процентах. Признаком хорошей свариваемости считается сталь с Сэ = 0,4.