Alloying Elements in Steel

Nickel (Ni) is one of the indispensable major alloying elements in steel. Its mechanisms of action and application rules are as follows:

1. Microstructure and Strength Effects

• Strengthening ferrite and refining pearlite. Nickel strengthens ferrite and refines pearlite in steel. The overall effect is an increase in strength, with no significant effect on plasticity.
• Increasing the strength of low-carbon steel without significantly reducing toughness. For low-carbon steels that do not require quenching and tempering and are used in the rolled, normalized, or annealed condition, a certain nickel content can increase strength without significantly reducing toughness; each 1% increase in nickel raises strength by approximately 29.4 Pa.
• Increased yield-strength ratio. As nickel content increases, yield strength rises faster than tensile strength, so nickel-containing steels have a higher yield-strength ratio than ordinary carbon steels.
• Effect on medium-carbon steel. Nickel lowers the pearlite transformation temperature, refining the pearlite, and also lowers the carbon content at the eutectoid point, resulting in a greater amount of pearlite and higher strength than carbon steel of the same carbon content; conversely, if the same strength is required, the carbon content of nickel-containing steel can be appropriately reduced, thereby improving toughness and plasticity.

 

1. Toughness, Fatigue, and Low-Temperature Performance

• Little detrimental effect on toughness and plasticity. When nickel increases the strength of steel, its detrimental effect on toughness, plasticity, and other process properties is smaller than that of other alloying elements.
• Improved fatigue resistance and reduced notch sensitivity. Nickel can improve the fatigue resistance of steel and reduce its notch sensitivity.
• Improved low-temperature toughness. Nickel lowers the ductile-to-brittle transition temperature of steel: steel containing 3.5% nickel can be used at -100°C, and steel containing 9% nickel can operate at -196°C.

III. Corrosion Resistance

Resistance to acids, alkalis, atmospheric corrosion, and salt corrosion. Nickel added to steel provides resistance not only to acids but also to alkalis, and it resists corrosion by the atmosphere and salts. It is one of the important elements in stainless and acid-resistant steels.

Легирующие элементы в стали

Никель (Ni) является одним из незаменимых основных легирующих элементов в стали. Механизмы его действия и закономерности применения приведены ниже:

1. Влияние на структуру и прочность
2. Упрочнение феррита и измельчение перлита. Никель упрочняет феррит и измельчает перлит в стали. Общий эффект заключается в повышении прочности без заметного влияния на пластичность.
3. Повышение прочности низкоуглеродистой стали без существенного снижения вязкости. Для низкоуглеродистых сталей, не требующих закалки и отпуска и применяемых в состоянии после прокатки, нормализации или отжига, определённое содержание никеля позволяет повысить прочность без существенного снижения вязкости; каждое увеличение содержания никеля на 1% повышает прочность примерно на 29,4 Па.
4. Повышение отношения предела текучести к пределу прочности.С ростом содержания никеля предел текучести растёт быстрее предела прочности, поэтому у никельсодержащих сталей отношение предела текучести к пределу прочности выше, чем у обычных углеродистых сталей.
5. Влияние на среднеуглеродистую сталь. Никель снижает температуру превращения перлита, измельчая перлит, а также снижает содержание углерода в эвтектоидной точке, что приводит к увеличению количества перлита и повышению прочности по сравнению с углеродистой сталью с тем же содержанием углерода; conversely, если требуется одинаковая прочность, содержание углерода в никельсодержащей стали можно соответственно снизить, что улучшает вязкость и пластичность.

1. Вязкость, усталостная прочность и низкотемпературные свойства
2. Малое вредное влияние на вязкость и пластичность. При повышении прочности стали никель оказывает меньшее вредное влияние на вязкость, пластичность и другие технологические свойства, чем другие легирующие элементы.
3. Повышение усталостной прочности и снижение чувствительности к концентраторам напряжений.Никель повышает сопротивление стали усталости и снижает её чувствительность к концентраторам напряжений.
4. Улучшение низкотемпературной вязкости. Никель снижает температуру хрупкого перехода стали: сталь с содержанием никеля 3,5% может применяться при -100°C, а сталь с содержанием никеля 9% может работать при -196°C.

III. Коррозионная стойкость

1. Стойкость к кислотам, щелочам, атмосферной коррозии и коррозии в солях. Никель, добавленный в сталь, обеспечивает стойкость не только к кислотам, но и к щелочам, а также сопротивляемость коррозии в атмосфере и солевых средах. Он является одним из важных элементов в нержавеющих и кислотостойких сталях.