La influencia de los elementos en las propiedades del acero

Introducción a los elementos en acero

Manganeso (Mn)

El manganeso se utiliza para desoxidar el ferromanganeso en la fabricación de acero y permanece en el acero.El manganeso puede eliminar FeO en el acero, mejorar la calidad del acero y reducir la fragilidad del acero.El manganeso y la vulcanización se combinan para formar MnS, eliminar el efecto nocivo del azufre y mejorar el rendimiento de trabajo en caliente del acero.El contenido de manganeso en el acero al carbono se controla generalmente entre 0,25 y 0,80%.El manganeso se puede disolver en ferrita para formar ferrita de manganeso, que desempeña el papel de fortalecer la ferrita.El manganeso también se puede disolver en Fe3C para formar cemento de aleación, mejorando así la resistencia del acero al carbono.El manganeso es un elemento de impureza beneficioso y una pequeña cantidad de manganeso no tiene un efecto significativo en el rendimiento del acero.

Silicio (Si)

También se agrega silicio al acero como desoxidante.El contenido de silicio en el acero al carbono generalmente se controla entre 0.03-0.4%, y la mayor parte se disuelve en ferrita, formando ferrita de silicio, que desempeña el papel de fortalecer la ferrita y mejorar la resistencia y dureza del acero.Pero la plasticidad y la dureza han disminuido.La falta de silicio no tiene un efecto significativo sobre las propiedades del acero.

Azufre (S)

El azufre se introduce en el acero mediante el mineral y el combustible en la fabricación de acero, el azufre es insoluble en hierro y existe en forma de diferentes FeS, FeS y Fe pueden formar un punto de fusión de 985 ℃ eutéctico y se distribuyen en los límites de grano de austenita cuando el el acero se lamina y se forja a 1000-1200 ℃, derretirá el cristal eutéctico en los límites del grano, el acero es frágil, este fenómeno se denomina fragilidad térmica, el azufre es una impureza dañina, por lo que el contenido de carbono en el acero debe ser estrictamente controlado.El efecto nocivo del azufre se puede eliminar aumentando el contenido de Mn en el acero.Debido a que el manganeso y el azufre pueden formar MnS con un punto de fusión de 1620 ℃, el MnS tiene cierta plasticidad a altas temperaturas, por lo que se puede evitar la fragilidad térmica del acero.

Fósforo (P)

El fósforo se introduce en el acero a partir del mineral, donde se disuelve completamente en ferrita, lo que mejora la resistencia y la dureza de la ferrita.Pero al mismo tiempo, la plasticidad del acero a temperatura ambiente cae bruscamente y se vuelve quebradizo.Este fenómeno se denomina fragilidad en frío.El fósforo también es una impureza nociva y su contenido en el acero debe controlarse estrictamente.

Estructura metalográfica en acero

Ferrita: La solución sólida intersticial de carbono en α-Fe se llama ferrita.A menudo se representa con el símbolo F (o α).La ferrita tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo y su capacidad para disolver el carbono es pobre debido a su pequeño espacio.A 727 ℃, el contenido máximo de carbono disuelto es 0,0218 %.Con la disminución de la temperatura, el contenido de carbono disuelto disminuye gradualmente y, a temperatura ambiente, el contenido de carbono disuelto es solo del 0,0008 %.La ferrita tiene baja resistencia, δσb es 180-280MN/m2, HB es aproximadamente 80, pero tiene buena ductilidad, δ es 50%.

Austenítico: La solución sólida intersticial de carbono formada en gamma-Fe se llama su.A menudo se representa con el símbolo A (o γ).La austenita tiene una estructura reticular cúbica centrada en las caras.Debido a su gran espacio de red efectivo, su solubilidad en carbono es relativamente alta.La solubilidad máxima del carbono a 1148 ℃ es de 2,11 %, que disminuye gradualmente con la disminución de la temperatura y alcanza el 0,77 % a 727 ℃.Las propiedades mecánicas de la austenita dependen de la cantidad de carbono disuelto y del tamaño de un grano.Generalmente, la dureza de la austenita es 170-220HBS, el alargamiento de δ es 40-50% y la austenita existe en el rango de temperatura sólida por encima de 727℃.La austenita es propensa a la formación de plástico.

Cementita (Cementita): compuesto de C y Fe (Fe3C) conocido como cementita, el contenido de carbono del 6,69 %, el punto de fusión de la cementita es 1227 ℃, su dureza es muy alta, alrededor de 800 HB, la dureza plástica y al impacto es casi cero, la fragilidad es genial, por lo que no se puede utilizar como fase matriz del acero al carbono, es la principal fase de refuerzo del acero al carbono.La cementita es una fase metaestable.Bajo ciertas condiciones, se descompondrá y formará carbono libre de grafitos.

Martensita: el uso de un método de enfriamiento rápido, debido al grado de subenfriamiento, los átomos de hierro y carbono no se pueden difundir, la austenita solo puede ser por cizallamiento de red no difusa, hay una red cúbica centrada en la cara γ-Fe reorganizada para Red cúbica centrada en el cuerpo de α-Fe.Esta austenita se transforma directamente en una solución alfa-sólida saturada que contiene carbono, llamada martensita.

El tamaño de grano de la austenita y sus factores de influencia

El tamaño de grano austenítico del acero tiene una gran influencia en la microestructura y las propiedades después del enfriamiento.Cuanto más fino sea el tamaño de grano de la austenita, más fina será la estructura después del enfriamiento y mejor será la resistencia, plasticidad y tenacidad.Por lo tanto, es de gran importancia obtener granos finos de austenita mediante tratamiento térmico para el rendimiento final y la calidad de la pieza de trabajo.

Cuanto mayor sea la temperatura de austenización, más evidente será el crecimiento del tamaño de grano del acero.A una determinada temperatura, cuanto mayor sea el tiempo de mantenimiento, más favorable será el crecimiento de los granos de austenita.

La tendencia al crecimiento del grano aumenta con el aumento del contenido de carbono en el acero.Pero cuando la cementita está en el límite del grano austenítico, dificultará el crecimiento del grano austenítico.

Además del Mn, el P y otros elementos aumentan la tendencia al crecimiento del grano austenítico, otros elementos forman elementos carburos (Ti, Nb, Zb, etc.), formando óxidos y nitruros (como el Al), cuando forman compuestos distribuidos en la austenita. límites de grano, dificultará el crecimiento de grano de austenita en diversos grados.

Los elementos de aleación que comúnmente se agregan al acero aleado son Mn, Si, Cr, Mo, W, V, Ti, Nb, Ni, Al, etc.Entre ellos, Ni, Si, Al y otros elementos no pueden formar compuestos con carbono.Elementos como Nb, Ti, V, W, Mo, Cr y Mn pueden formar compuestos con carbono.Los elementos de aleación existen en diferentes formas en el acero.Por lo tanto, el papel principal del acero también es diferente.El papel principal tiene los siguientes aspectos:

1. Cuando aumenta la resistencia del acero, los elementos que no pueden formar carburo se disuelven principalmente en ferrita para formar ferrita de aleación, y la solución sólida se fortalece.Los elementos formadores de carburo forman una aleación de carburo con carbono, que tiene una mayor dureza y un mayor efecto de fortalecimiento de la dispersión.Cualquier elemento que se agregue al acero aumenta su resistencia.

   
   

2. Mejore la templabilidad además del Co, la mayoría de los elementos de aleación agregados al acero, ralentizan la descomposición de la austenita sobreenfriada, de modo que la curva C hacia la derecha, reduce la velocidad crítica de enfriamiento, mejora la templabilidad del acero (Ni, Cr, Co) este es uno de los propósitos principales de los elementos de aleación añadidos al acero.Pero debe señalarse que este efecto solo se puede lograr cuando los elementos de aleación se disuelven en austenita.

   
   

3. Prevenga el crecimiento del grano austenítico excepto Mn, la tendencia al crecimiento del grano austenítico de la aleación es pequeña, especialmente el carburo generado por los fuertes elementos formadores de carburo (Ti, V, Zr, Nb, etc.) puede prevenir fuertemente el crecimiento del grano austenítico, y así jugar el papel de refinar el grano.

   
   

4. Aumentar la estabilidad de templado del acero.La resistencia del acero al proceso de ablandamiento durante el revenido se denomina estabilidad de revenido.Muchos elementos de aleación pueden aumentar y ralentizar la temperatura de precipitación de carburos y la descomposición de la austenita residual en la martensita.Por lo tanto, en comparación con el acero al carbono, el acero aleado tiene mayor dureza y resistencia cuando se templa a la misma temperatura.Por el contrario, cuando se templa a la misma dureza, la temperatura de templado del acero aleado es alta, por lo que la eliminación de la tensión interna es más completa, y la plasticidad y la tenacidad son mayores.Los elementos formadores de carburo Cr, Mo, Nb y V tienen fuertes efectos sobre la estabilidad del revenido.

   
   

5. Endurecimiento secundario cuando el contenido de W, Mo, Cr, V es más alto, en el rango de temperatura de templado de 500-600 ℃, la dureza no se reduce, sino que aumenta el fenómeno conocido como endurecimiento por templado secundario.Esto se debe a dos razones: en primer lugar, al templar a esta temperatura, los carburos especiales finos y dispersos, como Mo2C, W2C y VC, se precipitarán de la martensita, que desempeña la función de endurecimiento por dispersión;En segundo lugar, cuando se templa a esta temperatura, parte del carburo se precipita en la austenita residual, lo que reduce el contenido de carbono y aumenta la temperatura del punto Ms, de modo que la austenita residual se puede convertir en martensita (apagado secundario) a una temperatura más alta durante el proceso de enfriamiento para aumentar la dureza del acero.

   
   

6. La fragilidad por templado ocurre cuando el acero aleado se templa en un cierto rango de temperatura después del enfriamiento, lo que se denomina fragilidad por templado.La disminución de la tenacidad a 350-400 ℃ se denomina el primer tipo de fragilidad por temple.Esta fragilidad ocurre independientemente del acero al carbono o del acero aleado y es independiente de la velocidad de enfriamiento.Este tipo de fragilidad por templado no se puede eliminar después de la producción, también conocida como fragilidad por templado irreversible.Para evitar la aparición de tal fragilidad por templado, el templado generalmente no se realiza dentro de este rango de temperatura.

   
   

La disminución de la tenacidad que se produce después del enfriamiento lento después del templado a 500-600 ℃ se denomina fragilidad por templado tipo II (fragilidad por templado a alta temperatura).Los aceros aleados que contienen Cr, Mn y Ni son los más propensos a este tipo de fragilidad por revenido.Este tipo de fragilidad por templado no ocurrirá si se enfría rápidamente después del templado;Si se produce un enfriamiento lento después del revenido, se ha producido fragilidad, siempre que se recaliente a la temperatura de revenido y se enfríe rápidamente, entonces la fragilidad del revenido puede eliminarse por completo, por lo que también se denomina fragilidad del revenido reversible.

Acero resistente al calor

La resistencia al calor del acero incluye resistencia a la oxidación a alta temperatura y resistencia a alta temperatura.

La resistencia a la oxidación de un metal, generalmente se refiere a la formación de una densa película de óxido después de una oxidación rápida a altas temperaturas, que cubre la superficie del metal, de modo que el acero no continúe oxidándose.La superficie oxidada del acero al carbono a altas temperaturas genera FeO poroso suelto, que es fácil de desprenderse, y los átomos de oxígeno continúan difundiéndose a través de FeO para que el acero continúe oxidándose.Los elementos de aleación como Cr, Si y Al se agregan al acero, de modo que cuando el acero está en contacto con oxígeno a alta temperatura, se forman películas de oxidación densas como Cr2O3, SiO2 y Al2O3 con puntos de fusión altos en la superficie. , lo que dificulta continuar el proceso de oxidación del acero en gas a alta temperatura.

La resistencia a altas temperaturas (resistencia térmica) del acero es la resistencia a la fluencia a altas temperaturas.Para mejorar la resistencia térmica del acero, generalmente se agregan Cr, Mo, V, Ni y otros elementos de aleación al acero, que pueden disolverse en la matriz para fortalecer la solución sólida y mejorar la temperatura de recristalización, mejorando así la alta temperatura. fuerza del acero.Agregar Nb, V, Ti y otros elementos de aleación también puede formar carburos con alta dureza y buena estabilidad térmica, que se distribuyen en la matriz y desempeñan un papel en el fortalecimiento de la dispersión.Además, la estructura de austenita tiene una mejor resistencia a la fluencia que la ferrita y un mejor tamaño de grano que el grano fino.Por supuesto, no puede ser demasiado grueso, lo que afectará la fuerza.

Acero martensítico resistente al calor

Se añadieron Cr y Si para mejorar la resistencia a la oxidación a altas temperaturas.Agregar Mo puede fortalecer la matriz y evitar la fragilidad del templado.Agregar V puede formar carburo disperso y mejorar la resistencia a altas temperaturas.Agregar W puede precipitar carburo estable y aumentar significativamente la temperatura de recristalización.La temperatura de funcionamiento de este tipo de acero no supera los 700 ℃.

Acero austenítico resistente al calor

El acero austenítico resistente al calor tiene un alto contenido de cromo, lo que puede mejorar su resistencia a altas temperaturas y su resistencia a la oxidación.El contenido de Ni también es alto y puede formar una estructura austenítica estable.La resistencia al calor de este tipo de acero es mejor que la del acero martensítico resistente al calor, y la deformación en frío y el rendimiento de soldadura son muy buenos, generalmente funcionan a 600-700 ℃.