Принципы маркировки сталей в России
В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: X – хром, Н – никель, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, Т – титан, Ю – алюминий, Д – медь, Г – марганец, С – кремний, К – кобальт, Ц – цирконий, Р – бор, Б – ниобий. Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце марки – то, что сталь высококачественная.
Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если coдержание легирующего элемента больше 1 %, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1 % или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.
В качестве основных легирующих элементов в конструкционных сталях применяют хром до 2 %, никель 1–4 %, марганец до 2 %, кремний 0,6–1,2 %. Такие легирующие элементы, как Мо, W, V, Ti, обычно вводят в сталь в сочетании с Cr, Ni с целью дополнительного улучшения тех или иных физико-механических свойств. В конструкционных сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, %: Мо 0,2–0,4; W 0,5–1,2; V 0,1–0,3; Ti 0,1–0,2.
Например, сталь 18ХГТ содержит, %: 0,17–0,23 С, 1,0–1,3 Сr, 0,8–1,1 Мn, около 0,1 Ti; сталь 38ХНЗМФА – 0,33–0,40 С, 1,2–1,5 Сr, 3,0–3,5 Ni, 0,35–0,45 Мо, 0,1–0,18 V; сталь ЗОХГСА – 0,32–0,39 С, 1,0–1,4 Сr, 0,8–1,1 Мn, 1,1–1,4 Si.
В инструментальных сталях в начале обозначения марки стали ставится цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если содержание углерода около 1 % или более.
Для некоторых групп сталей принимают дополнительные обозначения. Марки автоматных сталей начинаются с буквы А, подшипниковых – с буквы Ш, быстрорежущих – с буквы Р, электротехнических – с буквы Э, магнитотвердых – с буквы Е.
Марки стали для строительных конструкций обозначают С235, С245, С255, С345, С590К и т. д., где буква С означает, что сталь строительная, цифры – предел текучести проката, а буква К – вариант химического состава. Если в конце обозначения стоит буква Д, это значит, что сталь дополнительно легирована 0,15–0,30 % Сu, например С345Д.
В конце обозначения марок особо высококачественных сталей могут стоять буквы, показывающие способы ее дополнительного переплава. Буквы ВД означают, что с целью улучшения качества сталь была подвергнута вакуумно-дуговому переплаву, буква ТУТ – электрошлаковому, ПД – плазменно-дуговому, ВИ – вакуумно-индукционной выплавке.
Диаграммы состояния
Диаграмма состояния показывает изменение состояния сплавов в зависимости от их концентрации и температуры.
По диаграмме состояния можно судить о структурных превращениях, происходящих в любом сплаве данной системы при нагревании и медленном охлаждении. Имея диаграмму состояния, можно заранее определять технологические и механические свойства всех сплавов данной системы. Она позволяет также установить температуры начала и конца кристаллизации сплавов. Кроме того, диаграмма состояния позволяет выбрать из данной системы сплавы определенного состава, наиболее удовлетворяющие требованиям практики.
Существуют различные типы диаграмм состояния: двойных сплавов, тройных сплавов и т. д.
Наиболее простые диаграммы состояния получаются для двухкомпонентных сплавов. Вид такой диаграммы зависит от того, как реагируют оба компонента сплава друг с другом в жидком и твердом состоянии. Диаграммы состояния двойных сплавов могут быть представлены в виде графиков на плоскости в прямоугольных координатах. При этом на горизонтальной оси откладывают состав (концентрацию) сплавов данной системы (обычно в весовых процентах одного из компонентов), а на вертикальной – температуры.
Линии диаграммы отделяют область одного состояния сплава (например, жидкого) от области другого состояния (например, твердого) и характеризуют температуры, при которых в сплавах происходят какие-либо превращения.
Существует много методов построения диаграмм состояния. Наиболее простым из них является метод, при котором используются результаты термического анализа. Сущность его состоит в том, что на основании опытных данных строят кривые охлаждения для сплавов одной системы, но разной концентрации (рис. 7). По остановкам и перегибам на этих кривых, вызванным тепловым эффектом превращений, определяют критические точки и по ним строят диаграмму состояния в координатах температура – концентрация (рис. 8).
Линия диаграммы АСВ называется линией ликвидуса. На ней расположены критические точки начала кристаллизации всех сплавов системы Pb–Sb. Выше линии ликвидуса все сплавы находятся в жидком состоянии.
Линия DCE называется линией солидуса. На ней лежат критические точки конца кристаллизации сплавов системы Pb–Sb. Так как у всех сплавов данной системы критические точки конца затвердевания одинаковые, то линия солидуса представляет собой прямую, параллельную горизонтальной оси диаграммы. Ниже линии солидуса сплавы находятся в твердом состоянии.
В промежутке, заключенном между линией ликвидуса и линией солидуса, сплавы будут частично жидкими, а частично твердыми.
Сплав, состоящего из 13% Sb и 87% Pb в отличие от других затвердевает не в интервале температур, а при постоянной и притом самой низкой для данной системы сплавов температуре – 246°С (точка С на диаграмме рис. 8). При этом одновременно кристаллизуются оба компонента с образованием тонкой механической смеси кристаллов Sb и Pb. Такая структура называется эвтектикой, а сплав, состоящий из 13% Sb и 87% Pb, называется эвтектическим.
Была рассмотрена диаграмма состояния двойных сплавов, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно взаимно растворяются, а в твердом состоянии образуют механические смеси.
Другой вид имеет диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состоянии Примером таких сплавов, образующих твердые растворы, являются сплавы системы медь–никель (Сu–Ni) (рис. 9). Данная диаграмма отличается от диаграммы состояния сплавов системы Pb–Sb прежде всего тем, что у сплавов меди с никелем не наблюдается кристаллизации при постоянной температуре (линия солидуса имеет криволинейный характер) и образования эвтектики.
Кроме рассмотренных диаграмм двух типов, имеются еще диаграммы состояния сплавов, компоненты которых могут образовывать химические соединения или в ограниченном количестве растворяться друг в друге в твердом состоянии. Такие диаграммы имеют более сложный вид и представляют различные сочетания уже рассмотренных диаграмм.
Коррозия металлов
Типы и виды коррозии
Коррозией называется разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой.
Существует много видов коррозии: газовая, атмосферная, подводная, подземная и т. д. Однако все многообразие видов коррозии, отличающихся друг от друга особенностями протекания коррозионных процессов и причинами возникновения коррозии, можно отнести к двум основным типам — химической и электрохимической коррозии.
Химическая коррозия возникает в результате химического взаимодействия металлов со средой, не являющейся проводником электрического тока. Химическая коррозия протекает в сухих газах при высоких температурах или в неэлектролитах, т. е. в жидкостях, не проводящих электрического тока (нефть, бензин, керосин, масла и т. д.).
При химической коррозии металлы вступают в химическое взаимодействие с активными веществами внешней среды, чаще всего с кислородом. В результате такого взаимодействия на поверхности металла образуется пленка из продуктов коррозии (обычно окислов), и металл начинает разрушаться.
Скорость химической коррозии зависит от степени сродства металла с кислородом, а также от свойств образующейся окисной пленки (ее плотности и прочности связи с поверхностью металла).
Электрохимическая коррозия возникает при воздействии на металл электролитов, т. е. жидкостей, проводящих электрический ток (растворы солей, кислот, щелочей). Электрохимическая коррозия является наиболее распространенным видом коррозии.
При электрохимической коррозии металл, взаимодействуя с электролитом, посылает в раствор положительно заряженные ионы (катионы), а сам обогащается электронами. Разность потенциалов, получающаяся на поверхности соприкосновения металла с электролитом и характеризующая способность металла к растворению, называется электродным потенциалом.
Электродный потенциал металла, погруженного в нормальный раствор собственной соли, принято измерять по отношению к водородному электроду, потенциал которого условно приравнивается к нулю. В этом случае значение электродных потенциалов (Е0, Вт) металлов и порядок их расположения в электрохимическом ряду напряжений будет следующий:
| Ме | золото | платина | серебро | медь | водород | свинец | олово | молибден | никель | кобальт | кадмий | железо | хром | цинк | ниобий | марганец | титан | цирконий | алюминий | бериллий | магний | натрий | калий | литий |
| Е0, Вт | +1,50 | +1,19 | +0,79 | +0,337 | –0,126 | –0,136 | –0,20 | –0,25 | – 0,277 | – 0,402 | – 0,44 | – 0,74 | – 0,762 | – 1,1 | – 1,18 | – 1,21 | – 1,53 | – 1,66 | – 1,85 | – 2,37 | – 2,71 | – 2,925 | – 3,02 |
Металлы, расположенные до водорода, имеют положительный потенциал. Они обладают слабой растворимостью. Металлы, расположенные после водорода, растворяются тем сильнее, чем отрицательнее их потенциал.
Если два взаимно контактирующих металла с разными потенциалами погрузить в какой-либо электролит, то они образуют гальванический элемент. При образовании гальванической пары разрушаться будет тот металл, у которого потенциал относительно меньший. Например, в гальванической паре железо – цинк разрушаться будет цинк.
Неоднородность структуры сплавов и присутствие в них посторонних примесей, способствуя появлению на поверхности гальванических пар, ускоряют процесс коррозии. Простые металлы корродируют в меньшей степени, чем их сплавы. Чем чище металлы, тем выше их коррозийная стойкость.
По характеру разрушений металлов и сплавов различают несколько основных видов коррозии: равномерная коррозия, неравномерная коррозия, местная коррозия, межкристаллитная коррозия, коррозия под напряжением, коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, контактная коррозия, щелевая коррозия, биокоррозия.
Самая простая и надежная оценка коррозии – оценка по потерям массы металла, разрушенного коррозией. Этот способ обычно применяют при сплошной коррозии, протекающей с более или менее одинаковой скоростью по всей поверхности металла.
Потеря массы определяется по изменению массы образца, отнесенному к единице поверхности в единицу времени, и обычно измеряется в г/(м2×год). При определении потери массы необходимо тщательно; следить за полным удалением продуктов коррозии.
Если процесс коррозии идет в основном с выделением водорода или поглощением кислорода, применяют объемный метод оценки коррозии. Скорость коррозии при этом определяется количеством выделившегося водорода [см3/(см2×сут)] или количеством поглощенного кислорода [см3/(см2×сут)].
Объемный метод оценки коррозии на один-два порядка точнее массового.
Когда коррозия носит неравномерный или местный характер показатель потери массы должен быть дополнен глубиной проникновения коррозии.
О межкристаллитной коррозии удобно судить по изменению предела прочности и особенно удлинения.
Существуют другие способы оценки коррозии: по изменению отражательной способности поверхности металла; по изменению электрического сопротивления; по определению количества металла, перешедшего в раствор в процессе коррозии; по времени до появления первого коррозионного очага или определенной площади коррозии.
Для защиты металлов от коррозии применяют электрохимическую защиту, защитные покрытия, обработку коррозионной среды и специальные антикоррозионные сплавы и металлы, устойчивые в данной среде.
Электрохимическая защита металла от коррозии осуществляется наложением электрического тока от внешнего источника или соединением с металлом (протектором), имеющим больший отрицательный (катодная защита) или больший положительный (анодная защита) потенциал, чем защищаемый металл.
Электрохимическую защиту широко применяют для защиты железа, стали, меди, свинца, алюминия при их работе в грунте, водных растворах (защита от коррозии подземных трубопроводов, кабелей, свай, шлюзовых ворот, морских трубопроводов).
Защитные покрытия изолируют металл от коррозионной среды и классифицируются следующим образом:
| Защитные покрытия | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Металлические | Неметаллические | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Электролитическое | Плакирующее | Металлизированное | Диффузионное | Горячее | Лакокрасочные покрытия | Эмали | Смазки | Гуммирование | Оксидные защитные пленки | Покрытие полимерами | ||||||||||||||||||||||
Обработка коррозионной среды заключается в удалении из состава среды стимуляторов коррозии (например, растворенный в воде кислород) или введении в среду веществ-ингибиторов (от лат. inhibeo – сдерживаю, торможу), замедляющих или полностью подавляющих коррозию.
Антикоррозионные сплавы получают путем легирования их элементами, повышающими коррозионную стойкость. Например, выплавляются высоколегированные стали с особыми химическими свойствами, стойкие против коррозии в воде, атмосфере, сухих газах при высоких температурах, растворах многих кислот и щелочей. В последние годы резко возросло производство титана и его сплавов, которые обладают коррозионной стойкостью к большему числу сред, чем нержавеющие стали.