Страница 116 из 118« Первая«…102030…114115116117118»
Рис. 19. Распределение атомов внедрения в твердом растворе железа:
1 — атомы в атмосферах Коттрелла; 2 — атомы в твердом растворе (В. И. Саррак,. С. О. Суворова, В. И. Ширяев)
Феррит — одна из основных фаз во многих сталях. В конструкционных сталях его доля составляет около 95 %, поэтому знание свойств легированного феррита позволит правильно оценить общий уровень свойств сталей.
Легированный феррит представляет собой многокомпонентный твердый раствор по типу замещения и внедрения легирующих элементов и примесей в а-железе. Изучению свойств легированного феррита посвящены работы советских ученых А. П. Гуляева, В. С. Меськина, М. М. Штейн — берга и др.
Дислокационные теории упрочнения твердых растворов при легировании (Мотта и Набарро, Флейшера) не дают для сплавов железа совпадения расчетов с экспериментом.
Эмпирически установлено, что количественная оценка упрочнения железа при легировании возможна на основе аддитивного вклада упрочняющего влияния отдельных легирующих элементов на свойства а-твердого раствора железа. Так, при одновременном легировании а-феррита атомами нескольких (4—5) легирующих элементов их влияние на упрочнение может быть просуммировано:
/=1
Где Kt — коэффициент упрочнения феррита, представляющий собой прирост предела текучести при растворении в нем 1 % (по массе) t-того легирующего элемента: С*—концентрация t’-того легирующего элемента, растворенного в феррите, % (по массе).
Значения Ki для легирующих элементов, входящих в состав феррита, приведены ниже:
Элемент C+N P Si Ti Al Cu Mn Cr Ni Mo V
Kf, МПа/1′%
(по массе) . . «4670 690 85 80 60 40 35 30 30 10 3
Необходимо отметить, что при оценке упрочнения феррита по приведенной формуле следует брать концентрацию легирующего элемента, растворенного в феррите, а не содержание этого элемента в стали.
На рис. 20 представлено влияние концентраций элементов замещения на свойства железа высокой чистоты. Эти данные показывают, что в области малых концентраций наибольшее упрочняющее влияние оказывает фосфор, тогда как хром, находящийся в феррите, в наименьшей степени упрочняет железо.
Прочность феррита сильно зависит от диаметра зерна d. Эта зависимость определяется соотношением Холла— Петча: o^Gi+Kyd-1’2,
Где Oi — напряжение трения или предел текучести в отсутствии сопротивления со стороны границы, т. е. предел текучести монокристалла; Ky—коэффициент, характеризующий вклад границ зерен в упрочнение.
В графическом выражении зависимости aT=f(d~112) (рис. 21) ст,- представляет собой отрезок, отсекаемый на оси ординат при d~~1/2 =0 (d = оо), a Ky характеризуется тангенсом угла наклона прямолинейной зависимости.
Рис. 20. Зависимость предела текучести, железа от содержания легирующих элементов замещения (Аллен)
Значение ст,- феррита будет зависеть от твердорастворно — го упрочнения, плотности дислокаций, наличия дисперсных частиц, a Ky от наличия примесей внедрения в твердом растворе, блокировки дислокаций примесями, угла разо- риентировки границ. Для низкоуглеродистых сталей, феррита технической чистоты значения Ky составляет 0,57—0,73, а для железа высокой чистоты 0,16—0,19 МПаКм.
(6)
Таким образом, чем меньше размер зерна, тем выше должна быть прочность феррита. Эффективность зерногра — ничного упрочнения определяется степенью измельчения зерна.
Важнейшей характеристикой стали является значение порога хладноломкости Тхл или температуры перехода Гпр из вязкого в хрупкое состояние, характеризующее склонность стали к хрупкому разрушению.
4Г
Влияние размера зерна на склонность сталей и сплавов к хрупким разрушениям вытекает из известной схемы А. Ф. Иоффе, работ советских школ под руководством Н. Н. Давиденкова и Я — Б. Фридмана. Математическая связь критерия разрушения с размером зерна видна из соотношения
А с учетом уравнения Холла — Петча
Где р — коэффициент, характеризующий характер нагру — жения материала; G — модуль сдвига железа; 7 — эффективная поверхностная энергия трещины.
Если левая часть приведенных соотношений меньше правой, то материал не будет склонен к хрупкому разрушению. Отсюда видно, что повышение всех факторов, приводящих к упрочнению (рост а,, сгт), а также увеличение размера зерна d, прочности блокирования дислокации Ky будут увеличивать левую часть соотношений и, следовательно, приводить к охрупчиванию материала. Поскольку при упрочнении значения ст; и K7 растут, то компенсирующим фактором этого вредного влияния может быть лишь уменьшение размера зерна d.
Более того, измельчение зерна положительно сказывается не только на склонности к хрупким разрушениям, но оно одновременно приводит к упрочнению в соответствии с уравнением Холла—Петча. От степени уменьшения значений d по сравнению с возрастанием ст;, ат и Ky будет зависеть суммарное влияние упрочнения на склонность стали к хрупким разрушениям. Поскольку значения Ky, Р, 7 меняются по-разному в зависимости от легирования, термической обработки и температуры испытания, то количественная оценка по этим соотношениям затруднена. •
Преобразование соотношений дало возможность связать критическую температуру перехода из вязкого в хрупкое состояние Тщ, с размером зерна d:
Тп9 = А-ВЫсГ1’2, (9)
Где А и В — коэффициенты, мало зависящие от температуры.
Уравнение дает линейную зависимость Tnp от Ind-1’2. Такая зависимость в настоящее время получена экспериментально для феррита многих сталей (рис. 22).
Многочисленные исследования легированного феррита показывают, что собственно упрочнение феррита при легировании отрицательно сказывается на склонности его к хрупким разрушениям. Однако влияние легирующих элементов на температуру перехода индивидуально.
На рис. 23 приведены данные по влиянию марганца, кремния, хрома, ванадия и никеля на порог хладноломкости железа Г50. В области малых концентраций легирующих элементов замещения температура перехода несколь-
О Z Ч в_ 8 Рнс. 23. Влияние легирующих элементов на тем — Легирующий
Пературу перехода T50 железа (А. П. Гуляев) элемент, 7о
Ко снижается, а при большем их содержании заметно повышается. Никель в отличие от других легирующих элементов при всех концентрациях существенно понижает порог хладноломкости. Концентрация легирующих элементов, до которой понижается порог хладноломкости феррита для ванадия и хрома, составляет %. В неполной мере раскисленных низкоуглеродистых (^0,2 % С) сталях его содержится меньше: в полуспокойных 0,05—0,017 %, в кипящих 8—10 приводит практически к полному связыванию серы в туго-
Рис. 9. Зависимость ударной вязкости нормализованной стали типа 45 от содержания в ией серы (В. Кнорр)
O, iz о,/J 0,01 о, ог O1OJ
S, (по массе]
Рнс. 10. Зависимость ударной вязкости KCV (а) и температуры перехода Ту, (б) стали 08Г2МБ от содержания серы (Е. Н. Жукова) овМП а:
Эффекта или сульфидного парадокса (рис. 10). Оно объясняется тем, что повышение содержания серы снижает ударную вязкость на поперечных образцах с острым надрезом (KCV), т. е. сопротивление стали вязкому разрушению (рис. 10,а). Увеличение прочности стали приводит к более существенному влиянию серы на снижение вязкости. Наиболее интенсивно понижается сопротивление вязкому разрушению при содержаниях серы до 0,010%. В то же время влияние серы на температуру перехода из вязкого в хрупкое состояние, определяемое по наличию 50 % вязкой составляющей в изломе ударных образцов— T5о, т. е. на сопротивление стали хрупкому разрушению, имеет экстремальный характер. Как показывают данные, представленные на рис. 10,6, наиболее склонна к хрупкому разрушению сталь при концентрации серы ~0,010%. При меньших и больших концентрациях серы температура перехода T50 понижается. Экстремальное содержание серы в различных сталях может быть разным. Таким образом, сульфидный эффект заключается в повышении сопротивления стали хрупкому разрушению при одновременном уменьшении сопротивления вязкому разрушению с увеличением содержания серы выше определенного предела. Можно полагать, что сульфидный эффект обусловлен различным взаимодействием движущейся трещины с сульфидами в зависимости от вязкости матрицы.
В жаропрочных аустенитных сталях повышение содержания серы заметно уменьшает пределы ползучести и длительной прочности, т. е. S снижает жаропрочные свойства.
Фосфор
Растворимость фосфора в а — и у-железе значительно выше, чем содержание фосфора в стали, как примеси. Поэтому фосфор в стали целиком находится в твердом растворе, и его влияние на свойства сказывается посредством изменения свойств феррцта и аустенита. Вредное действие фосфора на свойства может усугубляться из-за сильной склонности его к ликвации (степень ликвации достигает 2—3).
Действие фосфора на свойства феррита проявляется в его упрочняющем влиянии и особенно в усилении хладноломкости стали, т. е. повышении температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние (рис. 11). \
Фосфор относится к сильным упрочнителям (см. гл. IV, п — 4). Несмотря на то что содержание его в стали обычно
Не превышает 0,030—0,040 %, он увеличивает предел текучести феррита на 20—30 МПа. В то же время увеличение содержания фосфора В пределах сотых долей процента может вызывать повышение порога хладноломкости на не-
•м
?,% (по массе)
Рис. 11. Влияние фосфора на Oa и ат (М. С. Михалев, М. И. Гольдштейи) и ударную вязкость KCU (А. П. Гуляев) низкоуглероднстой феррнто-перлнтной стали (0,2 % С, 1 % Mn)
Сколько десятков градусов ( ~ 20—25 cC на 0,01 % Р) благодаря сильному уменьшению работы распространения трещины.
В конструкционных улучшаемых сталях фосфор ответственен за проявление обратимой отпускной хрупкости (см.
Гл. IX, п. 6). В этом случае’ влияние его на порог хладноломкости особенно сильно (0,010 % P повышает температуру перехода на ~40°С).
Аналогично фосфор влияет на порог хладноломкости аус — тенитных марганцовистых сталей, при этом его вредное влияние проявляется менее, резко (рис. 12). Влияние фосфора в допустимых пределах на механические и жаропрочные свойства хромоникелевых аустенит — ных нержавеющих и жаропрочных сталей заметно не проявляется.
Рнс. 12. Влияние фосфора на порог хладноломкости Tso аусте — нитной марганцовистой стали г 110Г13 (А. П. Гуляев):
1 — литая; 2 — кованая
В сталях, выплавленных на базе керченских руд, содержится мышьяк. Его влияние на свойства стали аналогично фосфору, но вредное действие мышьяка значительно слабее, чем фосфора. Поэтому в качественной стали такого производства допускается до 0,08 % As.
Газы в стали
R сталях в определенных количествах обычно присутствуют водород, ислород, азот. Содержание их в сталях зависит прежде всего от способа выплавки. Примерное содержание, %, газов в стали при разных способах выплавки по данным А. П. Гуляева:
Электропечной Мартеновский Кислородно-
Основной конверторный
Водород • • • Кислород • • • Азот. . . •
. 0,0004—0,0006 0,002—0,004 0,007—0,010
0,0003—0,0007 0,005—0,008 0,004—0,006 0,0001—0,0008 0,005—0,003 0,002—0,005
Водород может входить в состав твердого раствора стали и выделяться в газообразном состоянии, скапливаясь в порах металла, при этом в стали образуются флокены. Кислород обычно связан в неметаллические включения. Азот отрицательно влияет на свойства стали, если он находится в твердом растворе или образует нитриды железа, вызывая старение стали. Положительное влияние азота на свойства стали проявляется при связывании его в прочные нитриды AlN, VN1 NbN или карбонитриды V (С, N), Nb (С, N) и др., что используется в сталях с карбоннтридным упрочнением. Кроме того, азот широко используется в качестве аустеннтообразующего элемента в коррозионностойкнх и жаропрочных сталях.
В заключение необходимо отметить, что борьбу с вредными примесями в стали в основном проводят при выплавке стали. Уменьшение содержания вредных примесей в стали требует зачастую немалых затрат для осуществления определенных технологических приемов и применения специальных методов выплавки.
К неметаллическим включениям относятся химические сое-1 динения, образовавшиеся в стали в процессе ее производства— выплавки и разливки. Неметаллические включения являются важнейшим фактором, характеризующим «метал — лургйческое» качество стали. Они существенно влияют на качество и свойства стальных изделий, их эксплуатационные характеристики в зависимости от природы, количества, формы, размера и характера распределения.
Согласно классификации, предложенной А. А. Байковым, все неметаллические включения по природе их происхождения можно разделить на два вида:
1. Эндогенные неметаллические включения—соединения, образовавшиеся в стали в результате химических реакций, протекающих в процессе ее выплавки, раскисления и разливки, и вследствие изменения растворимости приме-’ сей в процессе кристаллизации слитка.
2. Экзогенные неметаллические включения — частицы’ различных соединений, попавшие в жидкую сталь или в слиток извне, т. е. из шихтовых материалов, огнеупорной футеровки сталеплавильных агрегатов и устройств и т. п.
Указанные неметаллические включения могут взаимодействовать между собой, образуя комплексные соединения.
Количество включений и особенно их размер в различных сталях и отдельных плавках могут сильно колебаться: объемная доля их обычно находится в пределах 0,01-^-. 0,1 %, а размер от IO-5 до 10 мм и более. Однако основная масса неметаллических включений в стали имеет размер более Ю-3 мм. Экзогенные включения почти всегда значительно крупнее эндогенных и их размер практически неограничен.
Размеры неметаллических включений и их количество в стали должны соответствовать ГОСТ 1178—75 «Металлографические методы определения неметаллических включений». Загрязненность стали неметаллическими включениями определяют путем сравнения с эталонными шкалами или подсчетом числа и объемной доли включений в деформированном и литом металле.
Автоматизированный подсчет числа и дисперсии распределения неметаллических включений по размерам осуществляют на количественных металлографических микроскопах типа «Kwantimet» или «Epi — kwant». Фазовый состав их определяют металлографическим, петрографическим, рентгеиоструктурным и электронографическим методами, а химический состав — химическим анализом’ выделенного осадка и локальным рентгеноспектральным методом. Наиболее эффективны микроанализаторы типа «Comebaks», позволяющие определить фазовый и химический состав неметаллических включений размером от 0,5—1,0 мкм 2* 19
Классификация неметаллических включений по составу условна, так как во многих случаях включения являются комплексными и состоят из нескольких типов химических соединений. В соответствии с ГОСТ 1778—75 неметаллические включения подразделяют на кислородные (оксиды и силикаты), сульфиды и нитриды.
Кислородные включения наиболее многочисленны. Большинство этих включений являются продуктами раскисления стали. Они могут быть и экзогенными (частицы огнеупоров). М. И. Виноград разделяет их на четыре вида:
1. Простые окислы: Al2O3—окись алюминия (корунд, глинозем); SiO2 — двуокись кремния (кварц, кремнезем); FeO — закись железа: Fe2O3 — окись железа; TiO2— двуокись титана; Cr2O3 — окись хрома и др.
2. Сложные окислы (шпинели): FeO-MnO — закись железа и марганца; FeO-Cr2O3—хромиты; FeO — — V2O5—ванадиты; FeO-Ti2O5—ильменит; FeO-Al2O3- герцинит; MgO-Al2O3 — магнезиальная шпинель; CaO — — Al2O3— алюминат кальция.
3. Силикаты и алюмосиликаты (кристаллические): 2FeO-SiO2 — силикат железа (файялит); 2MnO — SiO2—силикат марганца (тефроит): mCaO-ZiSiO2— марганца; 3Al203-2Si02—алюмосиликат муллит; Al2O3- — SiO2— алюмосиликат силлиманит.
4. Стекла. Не имеют кристаллического строения. Обычно в их составе содержится кремнезем. Наиболее часто встречаются кварцевое стекло, силикатные стекла с примесью окислов алюминия, марганца, хрома и др.
Различные типы кислородных неметаллических включений приведены на рис. 6.
Сульфидные включения образуются при затвердевании стали вследствие того, что растворимость серы в жидкой фазе значительно выше, чем в твердом растворе.
В сталях в основном образуются сульфиды железа и марганца — FeS и MnS. Сульфид железа FeS имеет температуру плавления 1188°С, однако в стали он образует легкоплавкую эвтектику (988 °С). Сульфид марганца MnS имеет температуру плавления 1620°С, т. е. выше температуры плавления стали.
Из-за того, что сера имеет большее сродство к марганцу, чем к железу, в сталях при наличии определенного содержания марганца предпочтительнее образуется сульфид марганца или комплексный сульфид (Mn, Fe)S, имеющий состав: 60—62 % Mn; 34—35 % S и 2—31% Fe.
Легирующие элементы также могут образовывать сульфиды в стали. Никель и кобальт образуют легкоплавкие нестойкие сульфиды, а сульфиды хрома, циркония, титана, ниобия, ванадия более тугоплавки.
Г
Кристаллизация сульфидов в стали зачастую происходит на подложках окислов, при этом комплексные включения называются оксисульфвдами (например, FeO-MnS; FeO-SiO2-MnS). Некоторые сульфидные включения в горячекатаной стали показаны на рис. 6, д, е.
F
•i ‘
6′ Кислородные (а—г) и сульфидные (д, е) неметаллические включения в Деформированной стали:
Глинозем, х 100; б — силикаты пластичные, X100; а — силикаты хрупкие, Х500; г —сложные окислы, Х500; д — сульфиды, хЮО; е — оксисульфиды, х500
Нитриды можно отнести к неметаллическим включениям лишь условно, да и то в ограниченных случаях. Будем относить их к ним только в том случае, когда они являются продуктом соединения остаточного азота в стали (менее 0,008%) с нитридообразующими элементами (прежде всего с титаном и алюминием), попавшими в сталь случайно в небольших количествах (до 0,02—0,03%) либо введенных в сталь с раскислителями. Нитриды нельзя считать неметаллическими включениями в тех случаях, когда нитридо — образующие элементы (Ti, Zr, V, Nb, Al и др.) вводят в сталь как легирующие добавки, либо совместно с ними вводится в сталь повышенное, в сравнении с остаточным, содержание азота (более 0,01 %), а образующиеся при этом нитриды и карбонитриды придают стали специальные свойства. Такие нитриды следует рассматривать как промежуточные соединения, являющиеся фазовыми составляющими стали, взаимодействующими с твердым раствором (а — и у- железа) при термической обработке.
Состав включений, нх фазовый состав определяют деформируемость включений при горячей пластической деформации стали (рис. 7). Величина V характеризует степень деформации включений и представляет определенную долю от степени деформации слитка. При v= 1 включения деформируются в той же степени, как н сталь.
Температура горячей прокатки, 0C Длина н. в., мм
Рис. 7. Деформируемость (а) и изменение размеров (б) неметаллических включений (и. в.) при горячей пластической деформации (М. А. Штремель)
Из приведенных данных видно (рис. 7, а), что наиболее легко деформируются сульфиды MnS. Силикаты марганца начинают деформироваться прн более низкой температуре, чем силикаты железа и кальция. При температурах горячей прокатки (1000—1300 °С) эти силикатные включения пластичны и имеют степень деформации V=I в отличие от двуокиси кремния, включения которой практически не деформируются при этих температурах. Не деформируются при горячей прокатке также включения на основе окисн алюминия — А120з — Однако такие недефор — мируемые включения при прокатке могут дробиться и. вытягиваются в строчки. Пластичные же включения при горячей прокатке удлиняются
6) и толщина их заметно уменьшается, по сравнению с литым аллом На рис. 7, б приведена диаграмма, характеризующая измене — ^p толшины и длины пластичных неметаллических включений (н. в) при гппячей прокатке слнтка на лист и проволоку. Стрелки на диаграмме Указывают примерное изменение размеров неметаллических включений L слитка до соответствующего проката.
Механизм воздействия неметаллических включении на свойства стали обоснован и обобщен в работах М. А. Штремеля, которые кратко
¦излагаются ннже.
Различные виды разрушения обусловлены наличием включении разного размера. При хрупком разрушении неметаллические включения
Опасны лишь как первичный очаг, когда нх размер d>d„p= (n/2(/Cic/crT)J,
Где Kic — критерий хрупкого разрушения, O1— предел текучести стали.
Проведенная оценка D показала, что даже для высокопрочных сталей dKр=2 мм, т. е. хрупкое разрушение могут вызвать лишь крупные экзогенные включения. В отличие от хрупкого вязкое разрушение практически всегда контролируется включениями. На дне ямок, характеризующих вязкий излом стали, практически всегда имеются неметаллические включения (ими могут быть также карбиды, ннтрнды), размер которых не превышает 0,05—0,5 мкм. Этн включения определяют работу распространения вязкого излома, тогда как более крупные включения (несколько мкм) обусловливают стадию зарождения вязкого излома. Неравномерность распределения неметаллических включений уменьшает энергоемкость вязкого разрушения, т. е — размер ямок увеличивается.
Рис. 8. Ферритная полосчатость в горячекатаной стали, обусловленная строчками сульфидов, XlOO
Неметаллические включения увеличивают анизотропию механических свойств деформированной стали, особенно показатели пластичности — относительное сужение и удлинение. Этн свойства в направлении поперек прокатки могут быть в 1,5—3,0 раза ннже, чем в направлении вдоль прокатки. На поперечных образцах неметаллические включения могут обусловливать появление так называемого шиферного (древовидного) излома. Особенно опасны неметаллические включения при испытании механических свойств по толщине листа — снижается не только пластичность стали, но и ее прочность. Необходимо отметить большую роль неметаллических включений в усталостной прочности стали. Неметаллические включения, выходящие на поверхность изделия или залегающие вблизи нее, могут стать очагом усталостной трещины. Поэтому решающее влияние неметаллические включения оказывают на «контактную» усталость, а именно выкрашивание трущихся поверхностей (шарикоподшипники, головкн рельсов, цементованные зубья шестерен ДР ). В то же время равноосные неметаллические включения, находящиеся в глубине изделия, не оказывают влияния на усталость стали, так как усталостная трещина, зародившаяся иа крупном дефекте, двигается в глубь металла широким фронтом.
Концентрация напряжений при упругой деформации зависит от упругих свойств самих неметаллических включений. Чем больше их модуль упругости, тем выше напряжения около них. Поэтому наибольшие напряжения создаются около прочных иедеформируемых включений типа А120з и SiO2. Острые ребра жестких включений также будут усиливать концентрацию около них остаточных напряжений.
Пластичные силикаты и сульфиды в горячекатаной стали усиливают ферритиую полосчатость (рис. 8). Такое действие силикатов обусловлено тем, что нити этнх неметаллических включений, образовавшихся при кристаллизации жидкой стали, обогащают прилегающий металл шириной до 10 мкм кремнием благодаря диффузии его в металл при высоких температурах, вследствие чего повышается термодинамическая активность углерода и ои вытесняется из этого слоя, облегчая образование в нем феррита. В случае возникновения в деформированной стали строчек сульфида марганца в результате выделения его нз твердого раствора прилегающие к ним участки металла соединяются марганцем, устойчивость переохлажденного аустенита в нем понижается и прн охлаждении в них образуется избыточный феррит. Нормализация стали практически не изменяет ферритную полосчатость, обусловленную силикатами, и уменьшает полосчатость, причиной которой являются сульфиды.
Некоторые неметаллические включения могут существенно влиять на рост зерна аустеннта, устойчивость переохлажденного аустенита при у->а-превращеннн.
Следует отметить, что повышение конструктивной прочносгн сталь, ных изделий не всегда коррелирует с уменьшением числа и размера неметаллических включений в стали. Имеются исследования, в которых показана положительная роль неметаллических включений определенного состава н морфологнн в достижении заданного комплекса механических, технологических и эксплуатационных свойств ряда сталей н изделий из них.
В настоящее время в металлургии широко используют различные технологические процессы н способы производства стали, в результате которых достигается существенное уменьшение загрязненности металла неметаллическими включениями, и становится возможным регулирование нх состава, размера и характера распределения. К таким процессам и способам относятся: рафинирующие переплавы (электрошлаковый, вакуумно-дуговой), вакуумная индукционная плавка, внепечная обработка стали синтетическими шлаками, вакуумнрование в ковше и др.
Качество специальных сталей определяется технологией производства, содержанием примесей и неметаллических включений, макроструктурой и т. д. Не рассматривая технологические факторы выплавки, разливки и прокатки стали, рассмотрим наиболее значимые металловедческие факторы металлургического качества стали.