Анализ роли элементов в стальных трубах

I. Основа: углерод-душа силы и корень хрупкости
Углерод является наиболее фундаментальным и важным легирующим элементом в стали, его роль является как решающей, так и вредной.

Тонкий механизм действия: Атомы углерода врезают в решетку атома железа, формируя твердый раствор, и могут сформировать весьма трудное соединение с железосементитом. Это «укрепление твердым раствором» и «усиление второй фазы» являются основными способами достижения стали высокой прочности.

Тонкие эффекты вариации содержимого:

Низкоуглеродистый диапазон (<0,25%): на этом уровне сталь имеет относительно низкую прочность, но отличную пластичность и ударную вязкость, что упрощает сварку и холодную работу. Общие структурные трубы и бесшовные стальные трубы для транспортировки жидкости в основном относятся к этой категории. Увеличение содержания с 0,1% до 0,2% значительно увеличивает предел текучести.

Средний диапазон углерода (0,25% ~ 0,60%): прочность и твердость значительно увеличиваются, но пластичность и свариваемость начинают уменьшаться. Превосходные всесторонние механические свойства можно получить путем термической обработки «гасить + закалять». Обычно используется в производстве прецизионных стальных труб для механических деталей, гидравлических опорных труб и т. Д. Содержание углерода 0,45% является классической разделительной линией.

Высокоуглеродистый диапазон (> 0,60%): прочность и твердость достигают своего пика, но хрупкость резко увеличивается, а пластичность и свариваемость очень плохи. Он редко используется в производстве стальных труб и в основном встречается в инструментальных сталях.

Таким образом: выбор содержания углерода-это, по сути, компромисс между прочностью и пластичностью/ударной вязкостью/свариваемостью. Точная настройка содержания углерода является самым прямым способом удовлетворения основных требований к производительности стальных труб для различных применений.

II. Многоэлементная синергия: «Командная работа» легирующих элементов

Помимо углерода, другие легирующие элементы играют определенную роль, и благодаря сложным взаимодействиям они совместно формируют конечные характеристики стальной трубы.

1. Марганец: невоспетый «универсал»

Функция:

Укрепление твердого раствора: похож на углерод, но более мягкий, он может улучшить прочность, вызывая меньшее повреждение пластичности.

Устранение вреда серы: марганец сочетается с серой с образованием сульфида марганца, предотвращая реакцию серы с железом с образованием сульфида железа с низкой температурой плавления, что позволяет избежать «горячей хрупкости» во время горячей работы. Это-одна из самых важных функций марганца.

Небольшая разница: в обычной углеродистой стали содержание марганца обычно составляет 0,5% ~ 0,8%. Увеличение его до 1,0% ~ 1,5% или даже выше создает «марганцевую сталь», которая значительно улучшает прокаливаемость, позволяя стальным трубам большого сечения достигать равномерной высокой прочности за счет термообработки.

2. Кремний: раскислитель и усиливающий агент.

Функции:

Сильный раскислитель: во время выплавки стали он преимущественно сочетается с кислородом с образованием оксидов, которые плавают в шлак, тем самым очищая расплавленную сталь и уменьшая пузырьки и включения.

Твердое решение Усиливать: Укрепляет матрицу феррита, значительно улучшая коэффициент прочности и выхода стали.

Небольшая разница: в общей конструкционной стали содержание кремния составляет примерно 0,2% ~ 0,3%. Если содержание кремния намеренно увеличить до 0,5% ~ 1,0%, его прочность будет дополнительно улучшена, но пластичность и прочность будут немного пожертвованы. В термостойкой стали высокое содержание кремния может образовывать плотную оксидную пленку, улучшая стойкость к высокотемпературному окислению.

3. Хром: Бессмертный «Хранитель»

Функции:

Коррозионная стойкость: хром может образовывать чрезвычайно тонкую и плотную пассивирующую пленку оксида хрома на стальной поверхности, изолируя ее от воздуха и влаги. Это корень коррозионной стойкости нержавеющей стали.

Улучшенная закаливаемость: помогает получить более глубокий затвердевший слой во время термообработки.

Тонкие различия: это ключ к различению марок нержавеющей стали.

~ 13% Cr: Формы мартенситной нержавеющей стали (например, 420), с высокой прочностью и определенной коррозионной стойкостью.

~ 18% Cr: в сочетании с ~ 8% Ni, он образует классическую аустенитную нержавеющую сталь 304 с отличной коррозионной стойкостью и обрабатываемостью.

От 304 до 316: Добавление примерно от 2% до 3% молибдена к нержавеющей стали 304 модернизирует его до 316, что приводит к значительному улучшению его устойчивости к точечной коррозии, особенно в средах с ионами хлорида.

4. Никель: «Регулятор» твердости и «Стабилизатор» аустенита.

Функции:

Стабилизируя аустенит: Сталь помощи никеля поддерживает грани-центризованное кубическое аустенитовое структуру на комнатной температуре, давая нержавеющей стали (как 304) немагнитные свойства, высокую твердость, и превосходную низкотемпературную твердость.

Повышение ударной вязкости: в ненержавеющих сталях никель улучшает размер зерна, улучшая ударную вязкость при низких температурах.

Тонкие различия: содержание никеля напрямую определяет стабильность и стоимость аустенитной нержавеющей стали. 304 содержит Ni ~ 8%, в то время как более устойчивый к коррозии 904L содержит Ni ~ 25%.

5. Молибден: член спецназа для высокотемпературной прочности и коррозионной стойкости питтинга.

Функции:

Улучшенная высокотемпературная прочность: значительно улучшает прочность на ползучесть стали при высоких температурах, ключевого элемента в термостойких стальных трубах (таких как P91).

Улучшенная прокаливаемость: более эффективна, чем хром и марганец.

Устойчивость к точечной коррозии: как упоминалось ранее, ключевой элемент для повышения производительности нержавеющей стали.

Тонкие различия: в легированной стали, даже добавление только 0,2% ~ 0,5% молибдена может значительно улучшить его общую производительность. В нержавеющей стали содержание молибдена 1% ~ 3% является отличительной чертой между «обычной нержавеющей сталью» и «специальной нержавеющей сталью».

6. Ванадий, Ниобий, Титан: Зерноочистители

Это сильные карбонитридные формирующие элементы, с аналогичными механизмами действия, но с разными фокусами.

Функции:

Изысканность зерна: частицы карбонитрида, которые они образуют при высоких температурах, могут определять границы зерен, предотвращая рост зерна во время нагрева. Мелкие зерна могут одновременно улучшить прочность и ударную вязкость стали, что является очень ценным свойством.

Усиление осадков: во время термообработки дисперсные мелкие частицы осаждаются, создавая сильный укрепляющий эффект.

Тонкие различия: Их количество добавления обычно чрезвычайно низкое (0,01% ~ 0,1%), но эффекты значительны. Например, в микролегированных высокопрочных стальных трубах добавление небольшого количества ниобия или ванадия позволяет достичь чрезвычайно высокой прочности без термической обработки, широко используемой в нефте-и газопроводах.

III. Двусторонний меч, требующий строгого контроля: элементы примесей

1. Сера и фосфор: «Разрушители» чистоты

Сера: вызывает «горячую хрупкость», серьезно ухудшая горячие рабочие свойства и поперечную прочность. Трубы из высококачественной стали требуют содержания серы ниже 0,005%.

Фосфор: вызывает «холодную хрупкость», значительно снижая прочность стали при низких температурах. Его вред более коварен, чем сера, и требования к контролю столь же строгие.

Современные металлургические технологии могут контролировать эти вредные элементы до чрезвычайно низких уровней посредством «рафинирования в печи», что является одним из существенных различий между высококачественными стальными трубами и обычной сталью.