Почему 09Г2С не колется на морозе, 40ХН2МА закаливается насквозь, а 110Г13Л твердеет от ударов? Собирай сталь из девяти элементов и смотри, как меняются прочность, закаленный слой, вязкость при −40 °C, свариваемость и стойкость к ржавчине.
Чистое железо с углеродом дает простую углеродистую сталь: дешевую, но капризную. Толстую деталь из нее не закалить насквозь, на морозе она колется, в воде ржавеет. Добавки решают эти задачи по одной. Марганец и хром поднимают прокаливаемость, никель держит вязкость на морозе, хром от 12 % делает сталь нержавеющей, ванадий и вольфрам дают твердые карбиды для износа.
Но у каждой добавки есть цена. Чем больше углерода, хрома и марганца, тем выше углеродный эквивалент Cэ, и тем труднее варить: у шва появляются трещины. Поэтому инженер выбирает не «самую легированную» сталь, а ту, где добавок ровно столько, сколько нужно детали. В марке добавки видны по буквам: Г марганец, С кремний, Х хром, Н никель, М молибден, Ф ванадий, В вольфрам, Т титан.
ⓘ Модель приближенная: она верно показывает, куда и примерно насколько двигает свойство каждый элемент, но не заменяет ГОСТ и сертификат на сталь. Точно посчитан только углеродный эквивалент Cэ по формуле МИС.
Эти три расчета инженер делает, когда выбирает сталь для детали или проверяет чужой выбор. Числа берутся из состава в опыте; подсвечена карточка того элемента, который ты двигал последним.
Можно ли варить без подогрева?
Формула Международного института сварки (МИС, IIW). Каждый элемент пересчитан в «сколько углерода он стоит» для склонности шва к закалке и трещинам.
Насколько толстый вал закалится насквозь?
Метод Гроссмана: каждый элемент умножает прокаливаемость на свой множитель. DI это диаметр для идеальной закалки; в воде реально около 0,7 DI, в масле около 0,45 DI.
Станет ли сталь нержавеющей?
Сталь не ржавеет, когда хрома в твердом растворе хватает на сплошную пленку оксида. Углерод забирает часть хрома в карбиды, а титан забирает углерод себе.
Закалка это гонка. Горячая сталь, аустенит, при остывании хочет распасться на мягкие феррит и перлит. Для этого атомам углерода надо перебежать на новые места, а на это нужно время. Если остудить быстрее, чем они успеют, получится твердый мартенсит.
Поверхность остывает быстро, середина толстого вала медленно. У углеродистой стали распад начинается уже через секунду, и середина не успевает. Хром, молибден, марганец и никель мешают атомам бегать, и распад сдвигается вправо, на десятки секунд. Тогда и медленно остывающая середина успевает стать мартенситом.
Поэтому легированную сталь можно калить в масле вместо воды: охлаждение мягче, меньше поводки и трещин. А у Hardox и подобных листов маленькая добавка бора делает то же, что процент хрома.
Рамы, площадки, емкости и мосты на высокогорье делают из 09Г2С: марганец держит вязкость до −60 °C, а Cэ около 0,4 позволяет варить ее в поле.
Тяжело нагруженные валы редукторов и полуоси делают из 40Х, 40ХН, 40ХН2МА. Чем толще деталь, тем больше нужно Cr, Ni и Mo, чтобы улучшение прошло насквозь.
Износостойкий лист типа Hardox 400–500 закален насквозь, но углерода в нем мало: его можно варить с небольшим подогревом и гнуть. Подробнее в теме «Твердость».
Щеки, конусы и бронеплиты дробилок отливают из 110Г13Л. Под ударами руды поверхность сама твердеет, а вязкая сердцевина не дает плите расколоться.
Рабочие колеса и трубопроводы кислых шахтных вод делают из 12Х18Н10Т и подобных нержавеющих сталей: хром дает пленку, никель вязкость, титан защищает швы.
Перед сваркой незнакомой детали сварщик смотрит марку и считает Cэ. Варить 40Х или 65Г без подогрева значит получить трещину у шва через сутки.
Углеродный эквивалент считается точно по формуле МИС (медь принята равной нулю). Прокаливаемость оценена по методу Гроссмана с упрощенными множителями ASTM A255 для зерна 7 балла; реальный критический диаметр в воде и масле взят как 0,7 и 0,45 от идеального, глубина слоя при недогреве середины оценена грубо. Бор не учтен, хотя у листов типа Hardox он заметно добавляет прокаливаемость. Твердость мартенсита задана формулой от углерода, прочность в состоянии поставки и после улучшения суммой вкладов элементов, твердость и прочность пересчитаны друг в друга по таблицам для стали. Ударная вязкость при −40 °C получена из ступенчатой кривой, порог хладноломкости которой сдвигают элементы; числа показывают порядок и направление, а не гарантированное значение по ГОСТ. Класс стали (перлитная, мартенситная, ферритная, аустенитная) определен по упрощенной схеме Шеффлера. Коррозионная стойкость и износостойкость это оценочные шкалы. Состав Hardox 450 взят близким к опубликованному, это не точный состав марки. Реальные свойства зависят еще от серы, фосфора, азота, размера зерна и режима термообработки.