Влияние легирующих элементов на однородность состава и структуры стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние легирующих элементов на однородность состава и структуры стали

Сплавы, применяемые в технике, в отличие от идеальных - неоднородны и несовершенны как по составу, так и по своему строению: макро-, микро- и тонкой структуре. Величина, характер и степень равномерности в распределении этих несовершенств и определяет свойства реальных металлов и сплавов, их поведение в процессах обработки, их прочность и работоспособность в конкретных условиях службы деталей. Схематично неоднородность состава и несовершенства строения кристаллов и кристаллитов можно разделить на два вида: биографические и обработки.

Биографические несовершенства. Биографические несовершенства прежде всего связаны с исходным составом сплава и условиями его кристаллизации. Наиболее ярким примером такого несовершенства в реальных сплавах, и в частности в сталях, является зональная и особенно дендритная ликвация, под которой понимается химическая неоднородность сплава в пределах одного кристалла (кристаллита). Дендритная неоднородность стали определяется ее составом, характером условий кристаллизации, весом слитка и условиями разливки. Как правило, чем шире температурный интервал кристаллизации, а точнее - чем больше разность равновесных концентраций, сосуществующих в процессе кристаллизации жидкой и твердой фаз, тем больше степень внутридендритной неоднородности - ликвации. По склонности к развитию дендритной неоднородности и исходя из вида соответствующих диаграмм состояния и. Н. Голиков располагает элементы в следующий нисходящий ряд: Р, S, В, С, W, As, V, Ті, Mo, Си, Al, Nb, Si, Cr, Mn, Co, Ni. В приведенный ряд не вошли, однако, такие элементы, как, например, водород, свинец, висмут и сурьма, исчезающе малые и трудноопределяемые количества которых, как показали исследо-йлиия автора, а также других исследователей, значительно влияют на формирование и отчетливость проявления дендритной неоднородности. Большинство элементов в стали, включая уг-ісрод, ликвируют от бей' дендрита к междуосным пространствам, II обратном направлении ликвируют только элементы, повышающие температуру плавления сплава (например, вольфрам).

Применительно к типовому слитку весом 2-3 т степень дендритной ликвации И.Н. Голиков оценивает следующими значениями

Совместная ликвация элементов-примесей может и усиливать и ослаблять степень дендритной химической неоднородности легированных сталей. Так, например, фосфор не только сам сильно ликвирует, но и усиливает ликвацию других элементов, приводя иногда даже к перераспределению их в микрообъемах. Еще А.Л. Бабошиным было показано, что фосфор при определенных содержаниях в стали, располагаясь в междендритных пространствах кристаллов, выталкивает углерод из этих участков в оси дендритов.

Церий и другие элементы группы лантанидов, связывая серу, еще в жидкой фазе, в предкристаллизационный и кристаллизаци-Іонньїй периоды в тугоплавкие сульфиды, изменяет их располо-ржение в дендритах, выстраивая их в осях (фиг. 33). При дальней-шем увеличении количества вводимых в жидкую сталь добавок редкоземельных металлов (св. 0,3%) дендритный рисунок кристаллизации становится все менее отчетливым и при введении 0,5-0,6% ферроцерия полностью исчезает (фиг. 33, г) [83].

Приведенные выше численные значения степени дендритной неоднородности довольно условны и, как правило, занижены. С повышением локальности исследуемых областей (с совершенствованием методики) и точности анализа выявляемая степень неоднородности резко возрастает.

В качестве примера можно привести результаты исследований М А. Студница и И.Л. Миркина по изучению с применением радиоактивных изотопов С, Si1, Сг51, Ni», Мо^\ W^»^, S'^ и Р^^ распределения отдельных элементов в объеме дендритов маленьких слитков (3 кг) стали марки 25ХНМ. Отлитые слитки охлаждались до 1400°, после чего извлекались из формы. В табл. 9 приводятся результаты количественного изучения распределения вышеперечисленных элементов.

¦ в объеме дендритов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

І Резкое возрастание концентрации примесей в междуосных прс гтранствах, представляющих собой зоны обогащения ширино в несколько микрон, отмечается также Б.А. Мовчаном (для сери: плавов цветных металлов), связывающим это с природой межфаг ной границы раздела и концентрационными эффектами в кати дярных системах [134]. Это объяснение оспаривается Я - Н. Малиночкой [128].

Наиболее действенными мерами снижения дендритной неоднородности стали являются обработка расплавов редкоземельными металлами, применение вакуумирования стали в процессе ее вьплавки и разливки, резкое увеличение скорости кристаллизац и пр., гомогенизация заготовок и т.д.

Для потребителя стали важна и страшна не сама междендритная неоднородность стали, а связанная с ней полосчатость структуры, строчечное расположение отдельных ее составляющих (неметаллических включений, карбидов), анизотропность механических свойств деформированной стали. Степень анизотропности оценивают по величине отношения значения того или иного свойства, определенного при испытании образцов, вырезанных в направлении прокатки, к тем же характеристикам, определенным на образцах, вырезанных поперек направления течения металла. Наиболее чувствительными к анизотропност оказываются пластические свойства стали д и у_т.

Принято считать, что коэффициент анизотропности самого структурночувствительного свойства стали - ударной вязкости в конструкционньх сталях - фактические значения коэффициента анизотропности для отдельных марок стали различной чистоты и технологии производства колеблются от 1,2 до 20. Только отсутствие систематически испытаний свойств стали в поперечном направлении как на металлургических заводах, так и при приемке стали заводами машиностроения маскировало до сих пор это явление. И чем сильнее загрязнена сталь неметаллическими включениями (особенно нитевидной формы), чем больше в ней содержится карбидов, нитридов и других трудно растворимых соединений, тем ниже оказываются механические свойства стали в поперечном направлении. Опасность такой неоднородности не следует, однако, преувеличивать - она всецело определяется как трудоемкостью изготовления деталей, так и конкретными условиями их службы - направлением действия внешних сил по отношению к течению волокон.

анизотропность сталь несовершенство сплав

Наиболее эффективными средствами борьбы с анизотропностью механических свойств стали на металлургическом заводе является повышение чистоты стали, совершенствование технологии плавки, раскисления (исключение или резкое ограничение ВВОДИМЫХ добавок А1, Ті, Zr) и разливки, гомогенизация проката, а также применение обработки расплава редкоземельными металлами (фиг. 34). Как видно из приведенного рисунка, характеризующего влияние различных добавок РЗМ на свойства стали марки 40ХН одной и той же промышленной плавки, разлитой в слитки весом 2,8 т, минимальная анизотропность значений ударной вязкости была получена при введении 0,25% ферроцерия, что отвечало остаточному его содержанию в стали в 0,03 - 0,06%.

Эффективным средством снижения отрицательного влияния анизотропии механических свойств проката на работоспособность деталей является штамповка, обеспечивающая правильное расположение волокон (фиг. 35). Однако и в этом случае наличие полосчатости структуры может отчетливо проявлять себя на различных этапах технологического процесса производства. В качестве примера на фиг. 36 приводится микроструктура поверхности цементованного образца, подвергшегося в процессе последующего охлаждения значительному обезуглерожимнию.

Образец был изготовлен из сложнолегированной кремнесодержащей стали. Как видно из микрофотографии, в процессе обезуглероживания отчетливо проявилась полосчатость стали.

Нельзя не согласиться с И.Н. Голиковым, когда он многие производственные аномалии обработки стали на машиностроительных предприятиях (мягкие пятна, закалочные трещины, коробление) связывает с резко выраженной полосчатостью стали и особенно, когда контур поверхности пересекает волокно под разными углами.

Несовершенства обработки. Рассмотрим роль легирующих элементов в возникновении несовершенств состава, структуры и свойств стали в процессах ее обработки. Несовершенства обработки могут быть связаны:

а) с процессами нагрева - аустенизации, гомогенизации, нагрева под ковку, штамповку;

б) с условиями охлажде-'ния (закалки);

в) с процессами стабили-зации сплава (отпуском, ста-рением, коагуляцией карбидной фазы);

г) со специально создаваемой химической или физической неоднородностью (все виды химикотермической обІработки, поверхностные методы упрочнения и пр.).

Здесь будет уместно еще раз напомнить, что понятие несовершенства состава и структуры сплава значительно шире, чем понятие дефектность материала, поскольку несовершенства строения материала могут не только не снижать его свойства, но и наоборот, являются источником повышения тех или иных свойств. Рассмотрим некоторые примеры несовершенств обработки.

Высокотемпературный нагрев - гомогенизация - в известной, мере устраняет химическую неоднородность стали в пределах кри-сталла (кристаллита, дендрита). Вместе с тем, высокотемпературный нагрев (аустенизация, гомогенизация) может приводить и к диаметрально противоположному процессу - к появлению неоднородности состава в микрообъемах при наличии в стали малых количеств поверхностно активных относительно железа (горофильных) элементов.

Образование концентрационной неоднородности в объеме зерна С обогащением его граничных или межблочных зон каким-либо элементом или элементами, характерной особенностью которых является значительная разница в величинах их атомных радиусов, по сравнению с атомным радиусом растворителя (в стали - железа), является проявлением внутренней адсорбции сплава.

Под внутренней адсорбцией в твердых телах В.И. Архаров предлагает понимать явление частичной (или полной) компенсации избыточной энергии структурной неоднородности путем создания концентрационной неравномерности. В соответствии с отдельными видами структурных неоднородностей различаются типы внутренней адсорбции. Так, могут раздельно рассматриваться случаи межкристаллитной внутренней адсорбции, межблочной внутренней адсорбции (на границах блоков макро- и микромозаики), внутренней адсорбции на отдельных дислокациях (облака Котрелла) и т.д.

Перераспределение отдельных легирующих элементов (или примесей) в объеме зерна при нагреве стимулируется способностью чужеродныхатомов понижать избыточную энергию структурных неоднородностейОсобенно заметное влияние на свойства сплава оказывает внутренняяадсорбция тогда, когда в результате уменьшения поверхности границ (например, при росте зерна аустенита в процессе высокотемпературногонагрева) концентрация горофильного элемента превзойдет (при выдержкеили в процессе последующего быстрого охлаждения) предел растворимости. В этом случае становится возможным локальный распад твердого раствора с выделением дисперсных частиц избыточной фазы, хотя усредненный состав сплава еще далек от достижения предела растворимости.

Элементами поверхностно активными относительно железа являются: бор, титан, ванадий, молибден, вольфрам, водород и азот, а также сам углерод (при малых и больших - свыше 0,8% содержаниях его в стали). Концентрационную неоднородность стали в микрообъемах нередко удается наблюдать при металлографическом исследовании с применением обычного или специальных методов травления.

В работах А.А. Бочвара и О.С. Жадаевой, С. 3. Бокштейна, С.Т. Кишкина и Л.М. Мороза, М.А. Студница и И.Л. Миркина и других исследователей химическая неоднородность внутри зерна устанавливалась методом измерения микротвердости и с применением меченых атомов. В табл. 10 приводится распределение элементов в ранее рассмотренной стали марки 25ХНМ, но после нагрева слитка до 1400° и выдержки 2 часа.

При сопоставлении приведенных здесь данных с данными табл. 9 обращает на себя внимание резкое усиление после высокотемпературного нагрева степени внутрикристаллитной ликвации молибдена, яри одновременном выравнивании состава по углероду и фосфору.

Обогащение границ зерен горофильными элементами, снижаю-цими их поверхностную энергию, оказывает, согласно В.И. Архарову, огромное влияние на диффузионную способность стали и на уровень механических и химических свойств сплава в целом. В частности, таким путем в связи с межкристаллитной внутренней адсорбцией может возникнуть межкристаллитная хрупкость (обратимая) тпускная хрупкость, камневидный излом стали) или усиленная межкристаллитная коррозия. Она же оказывает в некоторых случаях, например при микролегировании стали бором, важное влияние на скорость зарождения новых фаз и в связи с этим на прокаливаемость стали.

Таким образом, концентрационная неоднородность в пределах шкрообъемов может оказывать и отрицательное и положительное влияние на свойства сплава. Рассматривая эту особенность легированной стали, В.С. Меськин справедливо говорит, что граничные слои зерен представляют или могут в определенных условиях представлять собою «сплав в сплаве». Еще дальше идет СМ. Винаров, развивая положения о принципах локального легирования границ зерен стали.

Другой пример возможной неоднородности состава в микрообъемах в процессе аустенизации может быть взят из опыта нагрева тали токами высокой частоты. Изучая условия возникновения и характер неоднородности, возникающей после закалки с индукционного нагрева, И.Н. Кидин рентгенографическим методом по - :азал, что, например, в стали, содержащей 0,2% углерода, имеются: ристаллы с 1,6% углерода.

Приведенных примеров, вероятно, достаточно для подтверждения того, как далеки обычные представления об аустените как об однородном твердом растворе, от реального его состояния. Именно поэтому огромное значения играет реальное понимание роли свойств и роли при упрочнении сталей.

Размещено на Allbest.ru