Влияние легирующих элементов на свойства сталей

Сталь – это популярный материал, который активно используется во всех отраслях промышленности.

Чтобы больше адаптировать основу в виде стали к разным нагрузкам и условиям эксплуатации, были специально выведены пропорции элементов, которые добавляются в сплав для улучшения его свойств. Поговорим об этом подробнее.

Понятие легирования стали

Легирование стали – это процесс добавления различных химических элементов в сталь для улучшения ее свойств и придания специальных характеристик. Легирующие элементы вводятся в расплавленный сплав в строго определенных количествах. Легирование проводится для:

Повышения прочности и твердости.
Улучшения коррозионной стойкости.
Увеличения жаропрочности.
Улучшения обрабатываемости резанием.
Придания особых магнитных свойств.

На сегодня существует несколько методов легирования. Например, ввод легирующих элементов в жидкий металлический расплав. Можно использовать ферросплавы или специально легированный чугун или лом.

Влияние элементов на микроструктуру марки стали зависит от их типа, концентрации и условий термообработки. Легирование гарантирует получение стойкого к износу, коррозии и повышенным температурам материала.

Как влияют элементы легирования на свойства сталей

Легирующие элементы оказывают разное влияние на свойства стали. Рассмотрим подробнее, как химические компоненты (с обозначением) влияют на свойства сталей:

Легирующий элемент	Эффект
Хром (Cr)	Повышает устойчивость к коррозии за счет образования оксидной пленки на поверхности; Увеличивает прочность, твердость и износостойкость; Улучшает жаропрочность и жаростойкость; Способствует образованию мартенситной структуры при закалке.
Никель (Ni)	Повышает прочность и вязкость; Улучшает устойчивость к окислению; Расширяет температурный интервал существования аустенитной структуры; Стабилизирует аустенит при охлаждении, позволяя получать аустенитные нержавеющие стали.
Марганец (Mn)	Повышает прочность и твердость; Компенсирует негативное влияние серы на свойства стали; Замедляет рост зерна аустенита при нагреве; При большом содержании способствует образованию аустенитной структуры.
Ванадий (V)	Образует мелкодисперсные карбидные частицы, повышающие прочность; Способствует измельчению зерна феррита и бейнита; Улучшает свариваемость и обрабатываемость резанием.
Кремний (Si)	Повышает прочность и упругость стали; Повышает коррозионную стойкость Улучшает обрабатываемость резанием и жидкотекучесть расплава, прокаливаемость; Способствует графитизации в чугуне.

Благодаря легирующим элементам можно целенаправленно управлять структурой и свойствами сталей, придавая им требуемый комплекс характеристик для конкретных областей применения.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

Легирующие элементы и примеси в стали существенно отличаются как по своему предназначению, так и по влиянию на свойства конечного продукта. Основные отличия собрали в сводной таблице ниже.

Критерии	Легирующие элементы	Примеси
Цель введения	Вводятся целенаправленно для придания ей определенных свойств (прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности и так далее).	Попадают в сталь случайно из исходного сырья или в процессе производства. Оказывают преимущественно негативное влияние на свойства конечного продукта.
Концентрация	Вводятся в сплав в строго определенных и контролируемых количествах (обычно от долей до нескольких процентов).	Концентрация примесей в стали, как правило, намного меньше и составляет сотые или тысячные доли процента.
Влияние на свойства	Легирующие элементы улучшают механические, физические и эксплуатационные свойства стали в соответствии с их назначением.	Примеси, как правило, ухудшают свойства стали, делая ее более хрупкой, снижая пластичность, ухудшая свариваемость.
Контроль содержания	Содержание легирующих элементов строго контролируется, регламентируется стандартами и техническими условиями. Есть строгая классификация.	Процент вредных примесей ограничивается максимально допустимыми концентрациями для требуемого уровня свойств стали.

Легирующие элементы – это намеренно вводимые компоненты для улучшения свойств стали. Примеси – это нежелательные включения, оказывающие преимущественно негативное влияние на качество стали. Регулирование содержания легирующих элементов и снижение уровня примесей – важнейшие задачи при производстве стального сплава.

Применение легированной стали

Сталь широко используется во всех отраслях промышленности благодаря улучшенным свойствам, которые ей придает введение легирующих элементов. Рассмотрим основные области применения легированных сталей:

Машиностроение: детали машин, механизмов, валов, осей, режущие, штампованные, измерительные инструменты, обладающие высокой твердостью, прочностью и теплостойкостью.
Энергетика: детали турбин, котлов, реакторов, работающих при высоких температурах. Трубные стали для паропроводов и трубопроводов высокого давления.
Транспортное машиностроение: рессоры, пружины автомобилей и ж/д транспорта. Конструкционные легированные стали используют для кузовов, мостов в автомобиле- и судостроении.
Химическая промышленность: изготовление резервуаров, трубопроводов, реакторов, работающих в агрессивных средах.
Другие области: производство постоянных магнитов. Метеориту- и радиацию-стойкие легированные стали для космической техники. Отдельное направление – это криогенные легированные стали для использование при сверхнизких температурах.

Введение разных легирующих элементов позволяет получать стали с заданным комплексом эксплуатационных характеристик. Это делает материал предельно адаптивным под конкретные условия эксплуатации в ключевых отраслях промышленности.

2024-06-05