Als Grundmaterial der modernen Industrie wird die Leistung von Stahl direkt durch die chemische Zusammensetzung reguliert. Darunter sind Kohlenstoff (C), Mangan (Mn), Silizium (Si), Schwefel (S) und Phosphor (P) fünf Elemente, die durch Veränderung der metallurgischen Organisation, Kristallstruktur und Verteilung von Verunreinigungen die Festigkeit, Zähigkeit, Verarbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit von Stahl erheblich beeinflussen.
Erstens Kohlenstoffelemente (C): Festigkeit und Plastizität des Kernregulators
Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement in Stahl und sein Gehalt spielt eine entscheidende Rolle für die Stahlleistung. Im sub-eutektischen Stahlbereich (Kohlenstoffgehalt von 0,02 % bis 0,77 %) nahm mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt die Anzahl der aufgekohlten Partikel in der Ferritmatrix, die Zugfestigkeit und die Härte linear zu, die Dehnung und Schlagzähigkeit nahmen jedoch deutlich ab. Wenn der Kohlenstoffgehalt den eutektischen Punkt (0,77 %) überschreitet und ein peritektischer Stahl entsteht, führt die Verengung des Abstands zwischen den Perlitlamellen zu einer kontinuierlichen Erhöhung der Festigkeit, die Karbidvorspannung an den Korngrenzen birgt jedoch die Gefahr der Sprödigkeit.
Typische Fälle zeigen, dass der Kohlenstoffgehalt von Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt nach der Anlassbehandlung 0,45 % beträgt, die Zugfestigkeit bis zu 800 MPa beträgt und die Dehnung bei 15 % gehalten wird; und Kohlenstoffgehalt von 1,2 % des Kohlenstoffstahls, obwohl die Härte HRC62 beträgt, aber die Schlagzähigkeit weniger als 10 J/cm² beträgt. Schweißleistung, der Kohlenstoffgehalt steigt jeweils um 0,1 %, der Schweißrissempfindlichkeitsindex steigt um 20 %, es müssen wasserstoffarme Elektroden verwendet und auf 150 Grad oder mehr vorgewärmt werden.
Zweitens Element Mangan (Mn): Härtbarkeit und Warmumformbarkeit des Doppelreglers
Mangan ist ein schwach karbidbildendes Element, das durch einen Doppelmechanismus zur Festigung fester Lösungen und zur Organisationskontrolle die Leistung von Stahl verbessert. In Ferrit ersetzen Manganatome Eisenatome, um eine Gitterverzerrung auszulösen, wodurch die Streckgrenze um etwa 30 MPa/% erhöht wird; Im Austenit expandiert Mangan im --Phasenbereich, so dass die kritische Temperatur von Ac3 um 50-80 Grad ansteigt, was die Härtbarkeit deutlich verbessert. Experimentelle Daten zeigen, dass 45-Stahl mit 1,2 % Mangan nach dem Abschrecken mit Wasser eine Härte von HRC45 erreichen kann, was 3 Rockwell-Härtestufen höher ist als die von manganfreiem Stahl.
In terms of hot working performance, manganese and sulfur form high melting point MnS (melting point 1610℃), which replaces low melting point FeS (melting point 988℃) to eliminate thermal embrittlement. However, excess manganese (>1,5 %) führt zu einer Kornvergröberung während des Anlassens und einem Anstieg des Anlasssprödigkeitsindex um 40 %, und Restaustenit muss durch Halten bei 700 Grad entfernt werden. In typischen Anwendungen wird 20MnSi-Stahl mit 0,8–1,2 % Mangan häufig für Baubewehrungsstäbe verwendet, und seine Streckgrenze ist im Vergleich zu Q235-Stahl um 25 % erhöht.
Drittens Element Silizium (Si): synergistischer Verstärker der Festigung der festen Lösung und der Korrosionsbeständigkeit
Als starkes ferritbildendes Element verbessert Silizium die Stahleigenschaften durch den doppelten Mechanismus der Festigung der festen Lösung und der Oberflächenoxidschicht. In Ferrit ist der Radius der Siliziumatome 11 % größer als der der Eisenatome, was zu einer Gitterverzerrung führt und die Streckgrenze um etwa 50 MPa/% erhöht. Experimente zur Oberflächenoxidation zeigen, dass der Siliziumgehalt von 1,5 % des Stahls bei 800 Grad 24 Stunden lang oxidiert wird. Die Dicke des Oxidfilms ist dank der Bildung einer dichten SiO₂-Schutzschicht um 60 % geringer als bei gewöhnlichem Stahl.
Im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit erhöht ein Siliziumgehalt von mehr als 0,8 % den Kaltverformungswiderstand um 20 %, was einen mehrstufigen Prozess mit kleinen Verformungsvolumina erfordert. Typische Anwendungen, Siliziumgehalt von 0,2 % -0,5 % des 40SiMn-Stahls, der bei der Herstellung von Automobil-Pleuelstangen verwendet wird, seine Ermüdungslebensdauer ist um das 1,5-fache höher als bei gewöhnlichem Kohlenstoffstahl; Siliziumgehalt von 15 % bis 20 % aus Gusseisen mit hohem Siliziumgehalt in Schwefelsäure mit mittlerer Korrosionsrate<0.1mm / a, become the preferred material for corrosion-resistant parts of chemical equipment.
Viertens Schwefelelemente (S): Heißarbeitsleistung des unsichtbaren Zerstörers
Schwefel in Form von FeS-Einschlüssen in den Stahlkorngrenzen, seine Schädlichkeit spiegelt sich hauptsächlich in der thermischen Verarbeitung und dem Schweißen zweier Szenen wider. FeS und Fe entstehen durch den Co-Kristall-Schmelzpunkt von nur 988 Grad. Wenn der Stahl auf 1150 Grad erhitzt wird, führen die Korngrenzen am flüssigen FeS zu einem Rückgang der lokalen Festigkeit, was zu thermischer Rissbildung führt. Experimentelle Daten zeigen, dass bei einem Schwefelgehalt von 0,05 % des Stahls im Stranggussverfahren die thermische Rissrate fünfmal höher ist als bei einem Schwefelgehalt von 0,01 %.
Im Hinblick auf die Schweißleistung bildet SO₂-Gas, das durch die Reaktion zwischen Schwefel und Sauerstoff entsteht, Poren in der Schweißnaht, wodurch die effektive Querschnittsfläche des Schweißguts um 30 % verringert wird. Typische Fälle zeigen, dass der Schwefelgehalt von Q235-Stahl beim manuellen Lichtbogenschweißen 0,08 % beträgt und die Schlagzähigkeit des Schweißguts weniger als 8 J/cm² beträgt, also nur 1/3 des Grundmaterials. Durch den modernen Stahlherstellungsprozess wurde der Schwefelgefährdungsindex durch die Zugabe von Seltenerdelementen zur Bildung eines Sulfids mit hohem Schmelzpunkt um 70 % reduziert.
Fünftens: Phosphor (P)-Elemente: Tief-Zähigkeit des tödlichen Killers
Phosphor hat eine feste Löslichkeit von 0,9 % in Ferrit, sein Atomradius ist 14 % größer als der des Eisenatoms, was zu schwerwiegenden Gitterverzerrungen führt. Experimentelle Daten zeigen, dass der Phosphorgehalt von 0,1 % des Stahls bei -20 Grad liegt, wenn die Schlagzähigkeit 65 % niedriger ist als die normale Temperatur, was auf die Vorspannung der Phosphoratome in der {100}-Kristallebene durch die Versetzungsbewegung des Pinning-Effekts zurückzuführen ist. Tieftemperatur-Versprödungsexperimente zeigen, dass Stahl mit einem Phosphorgehalt von 0,15 % bei -40 Grad einen entfalteten Bruch erleidet, wobei der Bruch durch typische ikosaedrische Merkmale gekennzeichnet ist.
Im Hinblick auf die Zerspanbarkeit führte der synergistische Effekt von Phosphor und Schwefel zu einer Reduzierung der Schnittkräfte um 20 % und einer 1,5-{3}fachen Erhöhung der Werkzeugstandzeit. In typischen Anwendungen wird der Automatenstahl 1215 mit einem Phosphorgehalt von 0,08 % bis 0,15 % häufig für die Präzisionsteilebearbeitung mit einer Oberflächenrauheit von bis zu Ra0,8 μm verwendet. Es ist jedoch zu beachten, dass bei einem Phosphorgehalt von mehr als 0,12 % die Korrosionsrate des Stahls in der Meeresumwelt um den Faktor 3 erhöht ist, was durch die Zugabe von Kupferelementen zur Bildung eines Schutzfilms gehemmt werden muss.
