Структура і властивості маловуглецевих низьколегованих сталей, які містять домішки миш’яку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Самохвалов Георгій Вікторович

УДК669.14.:621.9

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ МАЛОВУГЛЕЦЕВИХ НИЗЬКОЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ, ЯКІ МІСТЯТЬ ДОМІШКИ МИШ'ЯКУ

Спеціальність 05.16.01 - Металознавство і термічна обробка металів

Маріуполь - 2005

Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана у Приазовському державному технiчному унiверситетi (ПДТУ) Мiнiстерства освiти i науки України, м. Марiуполь

Науковий керiвник: доктор технiчних наук, професор Шумiлов Михайло Артемович, Приазовський державний технiчний унiверситет (м. Марiуполь), професор кафедри “Матерiалознавство”.

Офiцiйнi опоненти:

- доктор технiчних наук, професор Троцан Анатолiй Iванович, зав. вiддiлом матерiалознавства сталi Iнституту проблем матерiалознавства iм. I. Н. Францевича НАН України, м. Київ;

- кандидат технiчних наук, Спектор Яков Iсаакович, зав. лабораторiєю фiзичного металознавства Українського державний науково-дослiдного iнституту спецiальних сталей, сплавiв i феросплавiв, м. Запорiжжя.

Провiдна установа: Запорiзький нацiональний технiчний унiверситет Мiнiстерства освiти i науки України, м. Запорiжжя.

Захист вiдбудеться 01.07.2005 р. о 14_годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 12.052.01 при ПДТУ за адресою: 87500, м. Марiуполь, вул. Унiверситетська 7.

З дисертацiєю можна ознайомитися у бiблiотецi Приазовського державного технiчного унiверситету: 87500, м. Марiуполь, вул. Апатова. 115.

Автореферат розiсланий 30.05.2005р.

Вчений секретар

Спецiалiзованої вченої ради Д 12.052.01, доктор технiчних наук, професор В.О. Маслов.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Подальший розвиток металургійної промисловості, транспорту, будівництва, збільшення випуску продукції машинобудування сучасного рівня настійно вимагає збільшення виробництва і підвищення якості маловуглецевих низьколегованих сталей, яка в значній мірі залежать від вмісту легуючих і домішкових елементів, оскільки їхнiй вплив на властивості низьколегованих сталей вивчений недостатньо.

Актуальність теми. За даними деяких робіт підвищений вміст миш'яку може спричиняти погіршення властивостей сталей. Підвищений вміст миш'яку у чавуні, одержаному з руд Керченського родовища став одним із стримуючих чинників у його розробці і використанні. Проблеми браку залізорудної сировини для металургійних комбінатів Південного сходу України ставлять на порядок денний відновлення і ширше використання цих руд. Широке використання у виробництві сталей миш'яковистого залізняку у всьому світі і особливо руд Керченського родовища на Україні, що використуються ВАТ „МК „Азовсталь”, вимагає подальшого детального вивчення впливу миш'яку на властивості низьколегованих маловуглецевих сталей, які в даний час виробляються у великих кількостях.

Важливість дослідження впливу миш'яку на властивості сталей визначається не тільки необхідністю використання миш'яковмiсних руд, а й присутністю миш'яку в металевому брухтi, оскільки раніше для виробництва сталей використовувалися руди Керченського родовища.

Тому необхідно оцінити рівень впливу миш'яку на властивості сталей і встановити його граничний вміст у сталях різного призначення, що є дуже актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає напрямку досліджень, що проводяться кафедрою матеріалознавства Приазовського державного технічного університету відповідно до пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки на період до 2006 року „Нові речовини i матерiали” і „Новiтнi технологiї та ресурсозберiгаючі технологiї в енергетицi, промисловостi та агропромисловому комплексi” відповідно до закону України від 11 липня 2001г. № 2623-III „Про прiоритетнi напрямки розвитку науки i техніки”.

Мета і завдання дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є дослідження впливу домішку миш'яку на фізико-механічні, технологічні і службові властивості маловуглецевих низьколегованих сталей, що дозволить оцінити граничний вміст миш'яку в сталях різного призначення і дати практичні рекомендації з розширення області їх застосування.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні завдання:

- продовжити вивчення впливу миш'яку та інших домішкових елементів на фізико-механічні властивості фериту і з'ясувати вплив миш'яку на структуру, параметри тонкої структури фериту та сталей з метою пояснення його впливу на характеристики крихкого руйнування і ударну в'язкість;

- доповнити дослідження впливу миш'яку на механічні, технологічні, службові властивості і зварюваність маловуглецевих низьколегованих сталей з метою розширення області їхнього застосування;

- розширити вивчення корозійної стійкості цих сталей в різних середовищах і дати рекомендації з коректування хімічного складу з метою оптимізації вмісту миш'яку для різних умов експлуатації.

Об'єкт дослідження - фiзико-механічні, службові властивості і корозійна стійкість маловуглецевих низьколегованих сталей, якi мiстять домiшки миш'яку.

Предмет дослідження - механізм впливу миш'яку, фосфору, сірки і легуючих елементів на дифузійну рухливість і розчинність вуглецю, структуру перліту, параметри тонкої структури.

Основні методи дослідження - металографічний, електрономікроскопічний та рентгеноструктурний аналізи, методи внутрішнього тертя і високочастотний резонансний для вимірювання модулів Юнга і зсуву, випробування механічних властивостей і роботи розвитку тріщини, корозійні випробування в різних середовищах, математико-статистична обробка результатів досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів.

Встановлений для перехідних металів кореляційний зв'язок між характеристиками, що відображають рівень сил міжатомних зв'язків (модулем пружності, температурою Дебая, теплотою випаровування, теплотою плавлення, температурним коефіцієнтом лінійного розширення) і температурним коефіцієнтом електронної теплоємності і магнітної сприйнятливості, що характеризують їхню електронну будову.

Встановлено немонотонну зміну модулів Юнга та зсуву і характеристичної температури сплавів залізо-миш'як із зміною вмісту миш'яку і збільшення сил зв'язку в кришталевій рещітці б-заліза із збільшенням концентрації миш'яку від 0,05 - 0,08 % до 0,4 %, що дозволяє зрозуміти немонотоний характер залежності міцності фериту від вмісту в ньому миш'яку до 0,4 %.

Експериментально по критерію в'язко-крихкого переходу сплавів залізо-миш'як і роботі розвитку тріщини сталей 16Д і 15ХСНД показано, що введення миш'яку в б- залізо в кількості до 0,4 % і в сталь до 0,19 % не призводить до істотного погіршення їхньої пластичності і в'язкості, що дозволяє обгрунтувати граничні концентрації миш'яку в сталях.

Вперше встановлено, що введення миш'яку в б- залізо і низьколеговані сталі в кількості до 0,15% збільшує щільність дислокацій, подрібнює субзерна, підвищує дисперсність перліту, що приводить до зростання властивостей міцності. На відміну від існуючої точки зору, що пов'язує оборотну відпускну крихкість з сумісним впливом фосфору і миш'яку, в роботі вперше встановлені і розмежовані температурні інтервали впливу фосфору і миш'яку на оборотну відпускну крихкість. Інтервал температур 525-565?С пов'язаний з міжкришталевою внутрішньою адсорбцією фосфору, а 625-665?С - миш'яку, що дозволило встановити безпечний температурний інтервал нагріву при відпуску сталі.

Практичне значення одержаних результатів.

Одержані в роботі результати про вплив миш'яку на фізико-механічні, службові властивості і корозійну стійкість низьколегованих маловуглецевих сталей на підставі узагальнення великого об'єму експериментальних даних, а також теоретичних висновків дозволило рекомендувати для сортових і фасонних профілів вуглецевих і низьколегованих сталей змінити верхню граничну межу вмісту миш'яку (0,08 %) зі всіх пунктів ДСТУ 2651 - 94 (ГОСТ 380 - 94) таГОСТ 19281 - 89 і вважати допустимим його вміст до 0,15 %.

Результати досліджень дозволили розширити виробництво маловуглецевих низьколегованих сталей на комбінаті Азовсталь, які містять домішки миш'яку, здійснювати коректування хімічного складу і технології виробництва, сприяти впровадженню нових сталей, зокрема 20Г2АФпс для кріплення гірничих виробок і гідротехнічних споруд. Економічний ефект від виробництва на комбінаті ВАТ „МК „Азовсталь” низьколегованих сталей склав 1 162 950 крб. в цінах 1990 року.

Дослідно-промислові випробування сортового прокату сталей 10ХСНД та 15ХСНД з миш'яком для рухомого складу залізничного транспорту (рами піввагонів), балок транспортних галерей рудоперевантажного комплексу, опор і жорсткої поперечини залізничної контактної мережі в період 2000 - 2005 р.р. показало високу експлуатаційну надійність цих сталей з очікуваним економічним ефектом 53250 грн. Експлуатаційні випробуваня кріплень гірничих виробок з сталі 20Г2АФпс в період 2000-2005 р.р. в реальних умовах шахти „Південнодонбаська №1” показали високу надійність і довговічність, поряд з підвищеною корозійною стійкістю в шахтних водах., що полегшує монтаж і демонтаж крепі. Економічний ефект від її застосування склав 20936 грн.

Особистий внесок здобувача:

Автором виконаний аналітичний огляд впливу миш'яку на властивості фериту і низьколегованих маловуглецевих сталей і намічені шляхи вирішення завдання з використанням сучасних методів дослідження.

Досліджений вплив миш'яку на властивості, дислокаційну структуру і субструктуру нелегованого і легованого фериту, а також в'язкість і характеристики крихкого руйнування . Для оцінки сил міжатомної взаємодії проведено вимірювання модулів Юнга і зсуву та одержана залежність температури Дебая від вмісту у фериті миш'яку.

За допомогою статистичної обробки результатів здавальних механічних випробувань і хімічного складу сталей показано, що за рівнем механічних властивостей сталі 15ХСНД, 14Г2 та інші, виплавлені на базі керченських руд (сталі з миш'яком) і аналогічні марки сталі виплавлені на інших рудах (сталі без миш'яку) практично однакові, що дозволило вийти з обгрунтуванням граничного вмісту миш'яку в сталях.

Пояснено механізм впливу миш'яку на відпускну крихкість фериту і низьколегованих маловуглецевих сталей.

В опублікованих наукових роботах дисертанта проаналізовані і узагальнені результати виконаних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідалося на II-XI регіональних конференціях (1993 - 2004гг., м. Маріуполь), VI Міжнародній науково-технічній конференції „Нові конструкційні сталі і сплави та методи їх обробки для підвищення надійності і довговічності виробів” (вересень 1995 р., м. Запоріжжя), III Черкаському семінарі країн співдружності Сокирне 95 „Актуальні питання дифузії, фазових і структурних перетворень у сплавах”, Всеукраїнському семінарі „Проблеми металознавства та обробки легованих сталей” (вересень 1994 р., М. Київ).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано: у спеціалізованих наукових журналах - 16 статей, у збірниках спеціалізованих наукових праць -3, тез. - 2. Всього - 21 робота.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, переліків використаних джерел з 153 найменувань і містить - 193 сторінки машинописного тексту, 36 рисунків, 32 таблиць, 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У загальній характеристиці роботи обґрунтована актуальність теми, її наукова новизна, дана характеристика сучасного стану проблеми, сформульована мета досліджень і основні положення, які виносяться на захист, наведені дані про практичну значимість роботи, кількість публікацій і структуру дисертаційної роботи.

У першому розділі зроблений аналіз існуючих робіт із впливу миш'яку на властивості сталей, бо ця проблема важлива як для металургів, так і для споживачів металу. Узагальнюючи наведені в аналітичному огляді дані, можна зробити наступні висновки.

При дослідженні впливу миш'яку, а також сумісного впливу миш'яку і фосфору на середньовуглецеві нелеговані і леговані сталі у багатьох випадках не враховувався розмір зерна аустеніту і феритно-перлітної структури. Можливі відхилення розмірів зерна порівнюваних сталей могли дати відмінності в ударній в'язкості, за якою оцінювалася дія миш'яку на відпускну крихкість, не меншої величини, ніж одержаний результат.

Опубліковані відомості про характер концентраційної залежності впливу миш'яку на властивості сталей і залежності впливу миш'яку від концентрації фосфору є неоднозначними і деколи суперечливими. Експериментального матеріалу в цьому плані недостатньо для обґрунтованих висновків. миш'як корозійний сталь ферит

У низці робіт необґрунтовано прийнята монотонність залежності механічних властивостей вуглецевих сталей від концентрації миш'яку і тим більше за межами дослідженого концентраційного інтервалу. Отже, висновок, зроблений авторами про неприпустимість масової частки миш'яку більше 0,07 - 0,10 % у сталях відповідального призначення, є не аргументованим. Тим паче, що порівнювані миш'яковисті і безмиш'яковисті сталі відрізнялися за величиною вуглецевого еквіваленту і не порівнювалася їхня структура.

Не дивлячись на ряд наявних патентів на низьколеговані сталі, що містять миш'як, з підвищеною стійкістю проти корозії, вплив миш'яку на корозійну стійкість сталей досліджений далеко недостатньо.

Як випливає із зробленого огляду літературних даних, слабо вивчена природа і ступінь впливу миш'яку на механічні та інші властивості маловуглецевих низьколегованих сталей, а вивчення і пояснення впливу миш'яку на властивості сталей неможливе без подальшого вивчення властивостей фериту, який є основною структурною складовою цих сталей.

Недостатньо досліджена залежність впливу миш'яку на властивості сталей від вмісту в них різних кількостей і комбінацій інших елементів. У цьому плані заслуговує уваги вивчення дії миш'яку на в'язкість сталей при зміні в них концентрації фосфору.

До теперішнього часу не дано переконливого обгрунтування граничного вмісту миш'яку в сталях, які узаконені ГОСТ 19281-89, ДСТУ 2651-94.

Відповідно до вищевикладеного в роботі ставилися завдання: проаналізувати залежність властивостей перехідних металів, до яких відноситься і залізо, від характеристик тих, що відображають їхню електронну будову.

Для з'ясування природи впливу миш'яку на властивості фериту були необхідні дослідження дислокаційної структури, субструктури і електронної будови чистих і легованих сплавів залізо-миш'як, а для оцінки міжатомних сил взаємодії у фериті провести вимірювання модулів Юнга і зсуву з подальшим розрахунком температури Дебая.

Вивчити і пояснити вплив миш'яку на в'язкість з урахуванням міжатомних сил взаємодії, закріплення і рухливості дислокацій, формування тонкої структури в процесі холодної пластичної деформації.

Дослідити і розмежувати температурні інтервали впливу фосфору і миш'яку на оборотну відпускну крихкість сталей.

Встановити ступінь впливу миш'яку і сумісного впливу миш'яку і фосфору на механічні властивості сталей, порівнюючи властивості сталей одержаних на керченських рудах, з властивостями сталей, які виплавляються з інших руд, що відрізняються за вмістом миш'яку і фосфору, а також за допомогою статистичної обробки результатів здавальних механічних випробувань і хімічного складу сталей.

Продовжити і розширити дослідження впливу миш'яку на механічні, службові властивості, зварюваність і корозійну стійкість маловуглецевих низьколегованих сталей з метою обгрунтування граничного вмісту миш'яку в них для різних умов експлуатації і розширення області застосування.

У другому розділі наведені об'єкти і основні методики досліджень. Об'єктом досліджень стали фізико-механічні, службові властивості сплавів Fe-As, фериту, легованого Mn, Si, V і сплавів та сталей лабораторної і промислової виплавки 70ХСНД, Fe+0,7 % С, 15ХСНД, 14Г2, Ст3пс, Ст3сп, 16Д, 15ГФ та 20Г2АФпс. Для вивчення відпускної крихкості використовувалися сталі і сплави: Fe-As, Fe-P, Fe-Р-As, ХСНД, 15ХСНД, 14Г2, 09Г2С та Ст3пс.

Наведені їхнiй хімічний склад, матеріали, умови виплавки і прокатки, а також режими термічної обробки.

Для отримання достовірних даних наведені і обгрунтовані методики визначення механічних властивостей, роботи розвитку тріщини, в'язкості руйнування К_1С і критичного розкриття тріщини д_С, службові характеристики і зварюваність, металографічний, електрономікроскопічний і рентгеноструктурний аналіз для вивчення тонкої структури, внутрішнього тертя і високочастотний резонансний для вимірювання модулів Юнга і зcуву, швидкості корозії в різних середовищах, а також математико-статистична обробка результатів досліджень.

У третьому розділі досліджено вплив низки чинників на властивості фериту і зроблена спроба знайти пояснення одержаним результатам із залученням відомостей про електронну будову заліза і сили міжатомних зв'язків. Таким чином, можна представити, що всі властивості перехідних металів, що відображають рівень сил міжатомних зв'язків, повинні корелювати з щільністю електронних станів на поверхні Фермі. До таких властивостей металу можна віднести модуль пружності (Е), температурний коефіцієнт лінійного розширення (б), температуру Дебая (и), теплоту випаровування (Н_исп), теплоту плавлення (Н_пл) металів.

Нами досліджений взаємозв'язок таких властивостей перехідних металів IV, V і VI груп як модуль пружності, коефіцієнт лінійного розширення, температура Дебая, теплота випаровування і теплота плавлення з температурним коефіцієнтом електронної теплоємності і магнітною сприйнятливістю, враховуючи, що температурний коефіцієнт електронної теплоємності (г) і магнітна сприйнятливість металів (ч) лінійно пов'язані з щільністю електронів на поверхні Фермі.

Одержана залежність кожної з вказаних вище властивостей від г і ч у вигляді лінійних рівнянь. Встановлено, що для перехідних металів IV, V, VI груп із збільшенням г і ч зменшуються значення Е, и, Н_исп, Н_пл і росте б.

Характеристики Е, и, б, Н_исп, Н_пл закономірно пов'язані з г і ч у середині кожної з груп перехідних металів. Це обумовлено закономірністю в зміні щільності електронів на поверхні Фермі усередині кожної з розглянутих груп перехідних металів, що повинно поза сумнівом позначитися на електронній будові твердого розчину вуглецю у фериті при легуванні його перехідними металами і на енергії активації дифузії вуглецю у фериті.

Показано, що із збільшенням температурного коефіцієнта електронної теплоємності доданого перехідного елементу у фериті зменшується значення зміни енергії активації дифузії вуглецю (?Q) за винятком марганцю. Зміни ?Q в результаті додавання 1% (ат.) перехідного металу у ферит більші, ніж в аустеніт. Із збільшенням температурного коефіцієнта електронної теплоємності цього металу енергія активації дифузії вуглецю у фериті і аустеніті зменшується. Встановлені ефекти зобов'язані зміні електронної будови у фериті і аустеніті при введенні в них третього компоненту - перехідного металу.

Концентрація розчиненого в б-залізі вуглецю, його дифузійна рухливість впливають на швидкість перетворень в процесі термообробки, на механічні властивості сталей, що мають у фазовому складі ферит. Сірка, будучи неминучою домішкою в сталях входить до складу сульфідів і твердого розчину на основі заліза. В результаті міжкришталевої внутрішньої адсорбції сірка збагатила межі зерен. Тому вивчено її вплив на поведінку вуглецю в б-залізі.

Експериментально встановлено, що із зростанням вмісту сірки у фериті значення Q і Dо дифузії вуглецю в ньому знижуються, причому енергія активації мала. Істотніша зміна Dо, що може бути пов'язано із зміною ентропії стану і, отже, мікророзподіли вуглецю в кристалічній решітці б-заліза. Зменшення Q повинно підвищити, а Dо знизити коефіцієнти дифузії вуглецю в б-залізі. В результаті такого складного впливу сірки значення коефіцієнтів дифузії вуглецю в б-залізі при температурах вищих за кімнатну знижуються. Введення сірки в б-залізо від 0,001 до 0,02% підвищує розчинність і знижує параметри дифузії вуглецю в бездефектній частині кришталевої решітки.

Достовірність цих даних перевірена із залученням компенсаційного ефекту взаємозв'язку температурних параметрів цих процесів. Була проаналізована гранична розчинність інших елементів у фериті і встановлено, що вона корелює з температурним коефіцієнтом електронної теплоємності (г) і магнітної сприйнятливості (ч), атомів, що відображають електронну будову.

У четвертому розділі наводяться результати з дослідження модулів зрушення і пружності (G і E) сплавів залізо-миш'як, що дає додатковий матеріал для з'ясування характеру зміни сил міжатомної взаємодії в кришталевій решітці, а також параметри тонкої структури фериту і фериту, легованого Mn і Si, при введенні миш'яку. Використовуючи одержані температурні залежності модулів пружності і зсуву сплавів з різним вмістом As, побудовані концентраційні залежності Е і G для різних температур і характеристичної температури и.

Легування атомами заміщення фериту за допомогою дії на його електронну будову повинне привести до істотної зміни блокування дислокацій атомами вуглецю, величини енергії взаємодії атомів вуглецю з дислокаціями і міжатомних сил взаємодії між атомами заліза у фериті.

Дослідження концентраційної залежності модулів Юнга і зcуву від вмісту миш'яку у фериті показали немонотонність їх зміни. При концентрації As близько 0,08 та 0,13 % на температурних кривих є екстремуми: мінімум при вмісті 0,08 %, що свідчить про мінімум міжатомних сил взаємодії при цій концентрації миш'яку. При подальшому збільшенні вмісту As від 0,1 % до 0,4 % модулі Юнга і зcуву зростають, що свідчить про збільшення міжатомних сил взаємодії у фериті. Ці дані добре корелюють з даними за впливом миш'яку на енергію взаємодії атомів вуглецю з дислокаціями (U) і рухливості дислокацій у фериті, оціненої по tg б а. з. у. т. Хід кривої tg б - % As добре корелює з кривими залежності модулів зсуву і Юнга від вмісту миш'яку у фериті.

Збільшення вмісту As від 0,1 до 0,4 % приводить до збільшення U і с₂ -концентрації атомів вуглецю, що закріплюють одиницю довжини дислокації, причому U та tg б в районі концентрацій As 0,3 - 0,4 % мають екстремуми: U - максимум, а tg б - мінімум. Отже, є кореляція в залежностях сил взаємодії між атомами заліза і енергії взаємодії атомів вуглецю з дислокаціями у фериті. Тобто висота бар'єру Пайерлса - Набарро пропорційна модулю зcуву, то вона також змінюється екстремально залежно від вмісту миш'яку у фериті. При концентрації As 0,3 - 0,4 % спостерігається максимум на кривій U, модуля зсуву і найбільш висока концентрація атомів вуглецю с₂. Це відповідає мінімуму рухливості дислокацій, що підтверджується наявністю мінімуму tg б при концентрації 0,3 - 0,4 % As на кривій tg б - % As і повинне сприяти підвищенню міцності фериту, особливо при концентраціях As в ньому понад 0,2 %, що і одержало підтвердження при вивченні властивостей міцності фериту і сталей.

Оскільки значення меж текучості, міцності і в'язкості сплавів залежать від міжатомних сил взаємодії, закріплення і рухливості дислокацій, формування тонкої структури в процесі холодної пластичної деформації, то було проведене дослідження впливу на тонку структуру фериту, легованого фериту і сталей, вміст миш'яку і ступінь холодної пластичної деформації.

Встановлено, що із збільшенням у сплавах Fe-As концентрації миш'яку зростає щільність дислокацій і зменшується розмір блоків, при всіх вивчених ступенях деформації, аналогічні результати одержані на сплавах Fe-Mn та Fe-Mn-Si.

Встановлене нами збільшення щільності дислокацій при холодній пластичній деформації фериту, легованого фериту і низьколегованих сталей, разом із зменшенням розміру блоків повинно позначитися на поліпшенні пластичності і в'язкості властивостей, що було підтверджено при вивченні впливу As на пластичність фериту за критерієм в'язко-крихкого переходу з урахуванням набутих значень модулів Юнга і зcуву.

При збільшенні вмісту миш'яку до 0,4 % у всіх досліджених сплавах права частина відомого рівняння була більшою за ліву. Це свідчить про те, що збільшення вмісту As у сплавах на основі заліза не приводить до істотного підвищення схильності до крихкого руйнування.

Такий підхід до аналізу впливу миш'яку на схильність до крихкого руйнування одержав підтвердження при вивченні впливу As на роботу розвитку тріщин, оцінену за методикою Дроздовського в інтервалі температур + 20 ч- 60°С низьколегованих сталей 16Д, 20Г2АФпс і 15ХСНД. У цьому інтервалі величина роботи розвитку тріщини практично однакова для сталей з As і без миш'яку. Порівняння критичних температур крихкості, визначених за часткою волокна у зламі показує, що наявність до 0,14 % As практично не підвищує схильність досліджених сталей до крихкого руйнування.

Головне підтвердження про малий вплив миш'яку на схильність сталей до крихкого руйнування одержано при вивченні в'язкості руйнування К_1С і критичного розкриття тріщини д_с. Порівняння практично однакових значень параметрів К_1С і д_с для сталі 20Г2АФпс з As і без нього (табл.1) підтверджує висловлену думку про неістотний вплив миш'яку на схильність дослідженої сталі до крихкого руйнування.

Таблиця 1 Значення в'язкості руйнування і критичного розкриття тріщини сталі 20Г2АФпс

Марка сталі	As, %	Тiсп.,?С Т/О	Параметри руйнування
			К1С , кгс/мм3/2	дс, мм	уN, МПа
			-196	-100	-50	-50
20Г2АФпс	0,130	норм.	48,5	137	235	024	1800
		гарячекат.	33,5	120	190	0,12	1290
	Ї	гарячекат.	42	125	200	0,14	1390

Показник в'язкості руйнування використовується як кількісний критерій опору матеріалу розповсюдженню у ньому тріщин і як критерій конструктивної міцності.

Дослідження структури, дислокації сплавів, Fe-As електрономікроскопічним методом після деформації підтвердило зростання щільності дислокацій із збільшенням концентрації миш'яку.

Також встановлено, що у фериті із збільшенням вмісту As комірчаста структура виражена сильніше, ніж у чистому фериті при однаковому ступені пластичної деформації, осередки мають менший розмір, а формування комірчастої структури починається при меншому ступені пластичної деформації.

Причину цього ми пояснюємо таким чином: введення домішок може приводити до зниження або зростання енергії дефектів упаковки (ЕДУ), що підтверджується у низці робіт - прояв комірчастого характеру структури послаблений при зниженні ЕДУ і посилений при її зростанні у порівнянні з чистим металом. Енергія дефектів упаковки визначається особливостями електронної структури металів, і, зокрема, вона пропорційна щільності електронних станів на поверхні Фермі.

Легування, змінюючи концентрацію s + d електронів у сплаві впливає на ширину дислокацій і, отже, на їхній зв'язок із домішками. Це добре узгоджується із зменшенням енергії зв'язку з домішками при легуванні заліза кремнієм і нікелем і утрудненням утворення комірчастої структури.

Раніше показано, що As збільшує енергію взаємодії атомів вуглецю з дислокаціями при вмісті у фериті 0,08 - 0,4 %, що сприятиме збільшенню ЕДУ, а це сприяє формуванню чіткішої комірчастої структури при деформації, і в сильно деформованій сталі розподіл дислокацій представляє комірчасту структуру, причому межі осередків співпадають з межами розділу феритних і цементитних пластин. У цих умовах щільність дислокацій визначається в першому наближенні величиною міжфазної поверхні ферит-цементит, де переважно концентруються дислокації при деформації.

Зменшення міжпластинчатої відстані сприяє збільшенню міжфазної поверхні і підвищенню щільності дислокацій. Ці припущення одержали наше експериментальне підтвердження. Для сплавів, що містять As, у порівнянні з подібними сплавами без миш'яку tg б а. з. у. т. вищий, що також указує на зростання щільності дислокацій при введенні миш'яку у ферит.

Відомо, що при більшій щільності дислокацій метал володіє підвищеною здатністю розсіювати енергію механічних коливань, а збільшення щільності дислокацій і подрібнення блоків визначає швидше зміцнення фериту за площею текучості і забезпечує підвищення межі міцності. Таке пояснення природи впливу миш'яку на властивості міцності легованого фериту одержало підтвердження при вивченні механічних властивостей маловуглецевих низьколегованих сталей.

У п'ятому розділі наводяться результати вивчення впливу миш'яку і фосфору на відпускну крихкість низьколегованих сталей. Вивчення впливу миш'яку і фосфору на відпускну крихкість низьколегованих сталей пов'язане не тільки з вірогідним потрапленням миш'яку в поліпшені сталі через миш'яковмісний брухт, а може бути і можливим проявом відпускної крихкості у фериті, який є основною структурною складовою низьколегованих маловуглецевих і поліпшених сталей, охолоджуваних з різними швидкостями в процесі термічної обробки.

Присутність у сталях одночасно фосфору і миш'яку в результаті прояву міжкришталевої внутрішньої адсорбції (МВА) приводить до збагачення ними меж зерен фериту і до окрихкування сталей, причому температурні інтервали впливу As і P на оборотну відпускну крихкість (ОВК) були не розмежовані. За наявності миш'яку на межах зерен б-заліза Шуміловим М.А. і Матвієнко Л.В. виявлений миш'яковистий зернограничний пік внутрішнього тертя при температурі 640 - 650?С. Його температура виявилася значно вищою, ніж у подібного відомого фосфорного піку.

Нами вперше на чистих сплавах і виробничих сталях 09Г2С та Ст3пс встановлені і розмежовані температурні інтервали впливу на ОВК фосфору і миш'яку, де інтервал крихкості 525 - 565?С, пов'язаний з МВА фосфору, а 625 - 665?С - миш'яку.

Показано, що введення молібдену у ферит, сильно збільшуює енергію взаємодії атомів вуглецю з дислокаціями і приводить, враховуючи вищу дифузійну рухливість атомів вуглецю у порівнянні з атомами фосфору, до зростання концентрації вуглецю на межах зерен, а отже, в результаті конкуренції фосфору і вуглецю, до зменшення на них концентрації фосфору і зниження ОВК.

Встановлено, що сірка збільшує розчинність вуглецю в б-залізі, що приводить до підвищення концентрації атомів вуглецю в твердому розчині на межах зерен фериту, а це призведе в результаті конкуренції атомів вуглецю і фосфору на межах зерен до зменшення на них концентрації фосфору і, природно, зниження оборотної відпускної крихкості.

У розділі шість наводяться дані про вплив миш'яку на механічні і службові властивості маловуглецевих низьколегованих сталей. Одержані дані про малий вплив миш'яку до 0,15 % на фізичні, механічні властивості, структуру та тонку структуру фериту одержали підтвердження при вивченні властивостей сталей лабораторної і промислової виплавки.

Застосування методу статистичної обробки здавальних заводських випробувань механічних властивостей і хімічного складу гарячекатаного прокату двох груп плавок з миш'яком і без нього сталей 15ХСНД, 14Г2, Ст3сп та Ст3пс підтвердило, що всі значення характеристик механічних властивостей практично розрізняються мало, задовольняють вимогам ГОСТ 19281-89та ДСТУ 2651-94 і концентрація миш'яку до 0,15 % робить незначний вплив на механічні властивості.

Встановлено, що механічні властивості в значній мірі визначаються неврахованими чинниками, головним з яких є структура. Коефіцієнт детермінації взаємозв'язку механічних властивостей з хімічним складом вищий у властивостей міцності, ніж у пластичних. На підставі розрахованих коефіцієнтів парної кореляції одержані адекватні рівняння залежності механічних властивостей від хімічного складу сталі 15ХСНД, які можна використовувати для оцінки механічних властивостей сталі за хімічним складом без проведення випробувань.

Оскільки вище відзначено, що значна частка зміни механічних властивостей обумовлена структурою сталі, то провели дослідження структури сталі 15ХСНД з миш'яком і без нього виробничої і лабораторної виплавки.

Встановили деяке збільшення феритного зерна і подрібнення перлітових колоній і міжпластинчатої відстані в сталях з миш'яком. Зменшення міжпластинчатої відстані сприяє збільшенню міжфазної поверхні і, отже, підвищенню щільності дислокацій, що і одержало експериментальне підтвердження.

Встановлене нами підвищення щільності і рухливості дислокацій при концентрації As 0,10 - 0,14 % разом із зменшенням розмірів блоків і субзерен, підвищенням дисперсності перліту в сплавах і сталях, а також зміна форми цементитних пластин, які стають округлішими повинно позитивно позначитися на пластичності і в'язкості і компенсувати вплив деякого збільшення розміру феритного зерна у досліджених сталей при вивчених концентраціях миш'яку, що одержало підтвердження при вивченні в'язкості.

Зростання дисперсності тонкої структури фериту і перліту стали 15ХСНД під дією миш'яку ослабляє його можливий негативний вплив на відносне подовження і ударну в'язкість.

Порівняння службових характеристик сталей з As і без нього підтвердило неістотний вплив на них миш'яку. Виходячи з того, що вивчені сталі є будівельними, то вивчили вплив миш'яку на їх зварюваність і зміну опірності крихкому руйнуванню під впливом термічних циклів зварювання.

Показали, що зварювання не викликає погіршення холодностійкості прокату сталей з миш'яком у порівнянні з сталями без миш'яку.

Вивчення корозійної стійкості низьколегованих сталей в різних середовищах підтвердило, що введення в них до 0,2 % As знижує швидкість корозії в грунті, атмосфері, морській воді.

Для сталі 20Г2АФпс з миш'яком, рекомендованої для кріплення гірничих виробок, швидкість корозії практично однакова для цієї сталі і сталі, що містить крім 0,130 %As, 0,24 % Cu, що дозволяє використовувати миш'як який поступає в сталь з руди як замінник міді, вживаної для підвищення корозійної стійкості будівельних сталей.

Механічні властивості фасонного прокату сталей 15ХСНД, 16Д, 14Г2, 20Г2АФпс, виплавлених ВАТ „МК „Азовсталь” з використанням керченських руд задовольняють вимогам ГОСТ 19281-89 і ДСТУ 2691-94.

Випробування при низьких температурах великорозмірних зразків натурної товщини з цих сталей підтвердили високий опір крихкому руйнуванню, навіть при умовах підвищеного до верхньої межі сумісного вмісту фосфору і миш'яку.

Підвищений вміст миш'яку в указаних межах не викликає негативного впливу на характеристики зварюваності, що в поєднанні з підвищеною корозійною стійкістю дозволило рекомендувати для сортових і фасонних профілів вуглецевих і низьколегованих сталей допустити його зміст до 0,15 % мас.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і вирішення наукового завдання з установлення граничного вмісту миш'яку в сталях і розширення області застосування низьколегованих маловуглецевих сталей, які містять домішки миш'яку на підставі комплексного дослідження їхньої структури, фізичних, механічних та технологічних властивостей, службових характеристик та корозійній стійкісті

2. Встановлено немонотонну зміну модулів Юнга та зcуву і характеристичної температури сплавів залізо-миш'як із зміною вмісту миш'яку і збільшення сил зв'язку в кришталевій решітці б-заліза із збільшенням концентрації миш'яку від 0,05 - 0,08 % до 0,4 %, що дозволяє зрозуміти немонотонний характер залежності міцності фериту від вмісту в ньому миш'яку до 0,4 % мас.

3. Вперше встановлено, що введення миш'яку в б- залізо і низьколеговані сталі в кількості до 0,15% збільшує щільність дислокацій, подрібнює субзерна, підвищує дисперсність перліту, що приводить до зростання властивостей міцності.

4. Експериментально за критерієм в'язко-крихкого переходу сплавів залізо-миш'як і роботою розвитку тріщин сталей 16Д і 15ХСНД показано, що введення миш'яку в б-залізо в кількості до 0,4 % і в сталь до 0,19 % не приводить до істотного погіршення їхньої пластичності і в'язкості.

5. Вперше експериментально встановлені і розмежовані температурні інтервали впливу фосфору і миш'яку на оборотну відпускну крихкість низьколегованих маловуглецевих сталей. Інтервал температур 525-565?С пов'язаний з міжкришталевою внутрішньою адсорбцією фосфору, а 625-665?С - миш'яку.

6. Механічні і службові властивості фасонного прокату сталей 15ХСНД, 16Д, 14Г2, 20Г2АФпс, виплавлених ВАТ „МК “Азовсталь” на базі керченських руд задовольняють вимогам ГОСТ 19281-89 і ДСТУ 2691-94, що разом з хорошою зварюваністю, опором крихкому руйнуванню і підвищеною корозійною стійкістю дозволило рекомендувати спільно з ЦНІІПСК м. Москва і ВАТ „МК „Азовсталь” для сортових і фасонних профілів вуглецевих і маловуглецевих низьколегованих сталей виключити верхній граничний вміст миш'яку (0,08 %) з усіх пунктів цих ГОСТів і допустити його вміст до 0,15 % мас.

7. Експериментально встановлено, що присутність до 0,15 % миш'яку в низьколегованих сталях 20Г2АФпс, 16Д, 15ХСНД, 14Г2 підвищує їхню корозійну стійкість в атмосфері, грунті, морській воді (Азовське море), в шахтних водах і отже, миш'як, що поступає в сталі з руди може виступати як замінник міді, що використовується з метою підвищення їхньої корозійної стійкості.

8. Результати досліджень дозволили розширити виробництво низьколегованих маловуглецевих сталей на ВАТ „МК „Азовсталь”, здійснювати коректування хімічного складу і технології їх виробництва, сприяти впровадженню нових сталей, зокрема 20Г2Афпс, для кріплень гірничих виробок і гідротехнічних споруд. Економічний ефект від виробництва на ВАТ „МК „Азовсталь” цих сталей склав 1 162 950 крб. у цінах 1990 р. Дослідно-промислові випробування сортового прокату сталей 10ХСНД і 15ХСНД з миш'яком для рухомого складу залізничного транспорту (рами піввагонів), балок транспортних галерей рудо-перевантажувального комплексу, опор і жорсткої поперечини залізничної контактної мережі в період 2000-2005 р.р. показали високу експлуатаційну надійність цих сталей з очікуваним економічним ефектом 53 250 грн. Експлуатаційні випробуваня кріплень гірничих виробок з сталі 20Г2АФпс в період 2000-2005 р.р. в реальних умовах шахти „Південнодонбаська №1” показали високу надійність і довговічність, поряд з підвищеною корозійною стійкістю в шахтних водах., що полегшує монтаж і демонтаж кріплень. Економічний ефект від її застосування склав 20936 грн.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В. О механизме влияния молибдена на обратимую отпускную хрупкость улучшаемых сталей // Известия Вузов. Черная металлургия. - 2004. -№ 2. - С. 45 - 47.

2.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В., Иващенко В.Ю. Корреляция параметров диффузии атомов внедрения в феррите // Известие Вузов. Черная металлургия.-2002. -№10. -С. 31-34.

3. Шумилов М.А., Самохвалов Г.В. Влияние электронного строения легирующих элементов на их способность упрочнения феррита //Вiсник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. - Марiуполь, 2001. - вип. 11. - С. 101-104.

4.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В. Выполнение компенсационного эффекта при самодиффузии углерода в тугоплавких карбидах // Металлы.-- 1999.-- № 3.-- С. 127-131.

5.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В. Влияние электронного строения атомов на их предельную растворимость в железе // Известия Вузов. Черная металлургия. -1998. - № 10. -С. 66-69.

6.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В. Влияние легирующих элементов на поведение серы в твердом растворе в железе // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. научн. тр., 1995. - Вып. 1. - С. 99-102.

7.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В. Влияние элементов замещения на растворимость углерода в феррите // Известия Вузов. Черная металлургия. - 1995. - № 10. - С. 54 - 57.

8.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В. Зависимость энергии активации диффузии углерода в переходных металлах от их природы // Известия Вузов. Черная металлургия. -1995. - № 2. -С. 47-48.

9.Самохвалов Г.В., Шумилов М.А. Отпускная хрупкость сталей 09Г2С и 3пс содержащих фосфор и мышьяк // Известия Вузов. Черная металлургия. -1992. - № 6. -С. 42-44.

10.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В. Взаимосвязь параметров температурной зависимости предельной растворимости углерода в ферите // Известия Вузов. Черная металлургия. -1989. - № 4. -С. 63-65.

11.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В., Кудрявцева Л.Н. Влияние мышьяка на коррозионную стойкость малоуглеродистых низколегированных сталей // Известия Вузов. Черная металлургия. -1986. - № 2. - С. 63-65.

12.Влияние мышьяка на свойства стали 20Г2АФпс / Самохвалов Г.В., Шумилов М.А., Кудрявцева Л.Н., Заннес А.Н. // Термическая обработка металлов: Сб. - М.: Металлургия, 1984. - С. 66-68.

13.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В., Матвиенко Л.В., Кудрявцева Л.Н., Соколов К.Н., Заннес А.Н., Калошин И.Н., Шепотинник Л.Н. Влияние мышьяка на вязкость углеродистых и низколегированных сталей // Известия Вузов. Черная металлургия. -1984. - № 5. - С. 106-109.

14.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В., Матвиенко Л.В., Заннес А.Н. Калошин И.Н., Гладштейн Л.И. Влияние мышьяка на свойства сортового и фасонного проката //Сталь. - 1983. - № 10. - С. 67-70.

15.Бондарь В.И., Самохвалов Г.В., Шумилов М.А., Кудрявцева Л.Н. Пластичность сплавов железо -- мышьяк // Изв. АН СССР. Металлы.-- 1983.-- № 3.-- С. 144--145.

16.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В., Кудрявцева Л.Н., Заннес А.Н., Слепканев В.П. Влияние мышьяка на механические свойства стали 15ХСНД // Сталь.-- 1980.-- № 5.-- С. 422--425.

17.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В., Бондарь В.И., Соколов К.Н., Луговой В.П. Влияние мышьяка на механические свойства малолегированного феррита // Известия Вузов. Черная металлургия. -1977. - № 4. -С. 82-84.

18.Шумилов М.А., Самохвалов Г.В., Кудрявцева Л.Н., Заннес А.Н., Слепканев В.П., Кирсанова Г.Б. Влияние мышьяка на механические свойства малоуглеродистых низколегированных сталей // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 1978. -№ 4. - С. 38-40.

19. Шумилов М.А., Козак А.П., Соколов К.Н., Вачев З.К., Самохвалов Г.В. Влияние серы на растворимость и диффузию углерода в б -железе // Известия Вузов. Черная металлургия. -1973. - № 10. -С. 123-126.

20. Шумилов М.А., Самохвалов Г.В. Влияние электронного строения легирующих металлов на энергию взаимодействия атомов углерода с дислокациями в феррите // Тез. докл. IX регион. науч. -техн. конф. - Том 2. - Мариуполь: ПГТУ, 2002. - С. 54.

21. Шумилов М.А., Самохвалов Г.В. О влиянии углерода в компенсационном легировании феррита // Тез. докл. X регион. науч. -техн. конф. - Том 1. - Мариуполь: ПГТУ, 2003. - С. 97

У роботах [1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9] автором запропонована ідея проведення робіт, виконання і аналіз результатів експериментів і формулювання висновків.

З опублікованих роботах [7, 10, 11, 15, 17, 19, 20, 21]автору належить постановка і проведення всіх експериментів, обробка і аналіз одержаних експериментальних даних.

У роботах [13, 14, 16, 18] автором зроблена статистична обробка результатів механічних випробувань і хімічного аналізу, а також запропоновані рекомендації по застосуванню сталей, які містять домішки миш'яку. У роботі [12] автором запропонована сталь 20Г2АФпс замість сталі 5пс для шахтної стійки.

АНОТАЦІЯ

Самохвалов Г.В. Структура і властивості маловуглецевих низьколегованих сталей, які містять домішки миш'яку.- Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.01 - Металознавство і термічна обробка металів. - Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Маріуполь, 2005 р.

Дисертація присвячена дослідженню впливу домішкових елементів (миш'яку, сірки, фосфору) на фізико-механічні, технологічні і службові властивості маловуглецевих низьколегованих сталей, наведено вирішення наукової задачі, що дозволило змінити граничний вміст миш'яку в сталях і дати практичні рекомендації з розширення області застосування сталей, які містять домішки миш'яку.

Встановлений кореляційний взаємозв'язок між властивостями перехідних металів, що відображають рівень міжатомних сил і декількома фізичними характеристиками цих металів.

Встановлено немонотонну зміну залежності модулів Юнга і зсуву та характеристичної температури сплавів залізо-миш'як із зміною вмісту миш'яку і збільшення сил зв'язку в кришталевій решітці б-заліза із збільшенням концентрації миш'яку від 0,05 - 0,08 % до 0,4 %, що дозволяє зрозуміти немонотонний характер залежності міцності фериту від вмісту в ньому миш'яку до 0,4 % мас.

Експериментально за критерієм в'язко-крихкого переходу сплавів залізо-миш'як і роботі розвитку тріщини сталей 16Д, 15ХСНД та 20Г2АФпс показано, що введення As в б-залізо в кількості до 0,4 % і в сталь до 0,19 % не приводить до істотного погіршення їхньої пластичності і в'язкості за рахунок збільшення щільності дислокацій, подрібнення субзерна, підвищення дисперсності перліту.

Вперше експериментально встановлені і розмежовані температурні інтервали впливу фосфору і миш'яку на оборотну відпускну крихкість низьколегованих маловуглецевих сталей. Інтервал температур 525-565?С пов'язаний з міжкришталевою внутрішньою адсорбцією фосфору, а 625-665?С - миш'яку.

Експериментально встановлено, що присутність до 0,15 % As в низьколегованих сталях підвищує їхню корозійну стійкість в атмосфері, грунті, морській воді, в шахтних водах і, отже, миш'як, що поступає в сталі з руди, може виступати як замінник міді, яка використовується з метою підвищення їхньої корозійної стійкості.

За допомогою статистичної обробки результатів здавальних механічних випробувань і хімічного складу сталей показано, що за рівнем механічних властивостей сталі 15ХСНД, 14Г2 та інших, виплавлені на базі керченських руд (сталі з As) і аналогічні марки сталей, виплавлених на інших рудах (сталі без As), практично однакові, що дозволило вийти з обгрунтуванням граничного вмісту миш'яку в сталях. Одержані в роботі результати про вплив миш'яку на фізико-механічні, службові властивості і корозійну стійкість низьколегованих маловуглецевих сталей на підставі узагальнення великого об'єму експериментальних даних, а також теоретичних висновків, дозволили рекомендувати для сортових і фасонних профілів вуглецевих і низьколегованих сталей встановити верхній граничний вміст миш'яку до (0,15 %) в ДСТУ 2651 - 94 (ГОСТ380-94) та ГОСТ 19281 - 89. Результати досліджень дозволили розширити виробництво миш'яковмісних маловуглецевих низьколегованих сталей на комбінаті ВАТ „МК „Азовсталь”, здійснювати коректування хімічного складу і технології виробництва, сприяти впровадженню нових сталей, зокрема 20Г2Фпс, для кріплень гірничих виробок і гідротехнічних споруд. Економічний ефект від виробництва на комбінаті ВАТ „МК „Азовсталь” низьколегованих сталей склав 1 162 950 крб. у цінах 1990 року.

Дослідно-промислові випробування сортового прокату сталей 10ХСНД і 15ХСНД з миш'яком для рухомого складу залізничного транспорту (рами піввагонів), балок транспортних галерей рудоперевантажувального комплексу, опор і жорсткої поперечини залізничної контактної мережі в період 2000 - 2005 р.р. показали високу експлуатаційну надійність цих сталей з очікуваним економічним ефектом 53 250 грн. Експлуатаційні випробуваня кріплень гірничих виробок з сталі 20Г2АФпс в період 2000-2005 р.р. в реальних умовах шахти „Південнодонбаська №1” показали високу надійність і довговічність, поряд з підвищеною корозійною стійкістю в шахтних водах., що полегшує монтаж і демонтаж кріплень. Економічний ефект від її застосування склав 20936 грн.

Ключові слова: ферит, дислокація, структура, відпускна крихкість, в'язкість, корозія, миш'як.

АННОТАЦИЯ

Самохвалов Г.В. Структура и свойства малоуглеродистых низколегированных сталей, содержащих примеси мышьяка. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов. - Приазовский государственный технический университет Министерства образования и науки Украины, Мариуполь, 2005 г.

Диссертация посвящена исследованию влиянию примеси мышьяка на физические, механические технологические свойства, служебные характеристики, коррозионную стойкость низколегированных малоуглеродистых сталей, приведено решение данной задачи, что позволило изменить предельное содержание мышьяка в сталях и дать практические рекомендации по расширению области применения сталей, содержащих примеси мышьяка.

Установлена корреляция между свойствами переходных металлов, отражающих уровень межатомных сил и несколькими физическими характеристиками этих металлов.

Немонотонное изменение зависимости модулей Юнга, сдвига и характеристической температуры сплавов железо-мышьяк от концентрации мышьяка и увеличение сил связи в кристаллической решетки б-железа с увеличением концентрации мышьяка от 0,05 - 0,08 % до 0,4 % позволяет понять немонотонный характер зависимости прочности феррита от содержания в нем мышьяка до 0,4% мас.

Экспериментально по критерию вязко-хрупкого перехода сплавов железо-мышьяк и работе развития трещины сталей 16Д, 15ХСНД и 20Г2АФпс показано, что введение As в б-железо в количестве до 0,4 % и в сталь до 0,19 % не приводит к существенному ухудшению их пластичности и вязкости за счет увеличения плотности дислокаций, измельчения субзерна, повышения дисперсности перлита.

Впервые экспериментально установлены и разграничены температурные интервалы влияния фосфора и мышьяка на обратимую отпускную хрупкость низколегированных малоуглеродистых сталей. Интервал температур 525-565 °С связан с межкристаллитной внутренней адсорбцией фосфора, а 625-665 °С - мышьяка.

Экспериментально установлено, что присутствие до 0,15 % As в сортовых и фасонных профилях из низколегированных сталей повышает их коррозионную стойкость в атмосфере, почве, морской воде (Азовское море), в шахтных водах и, следовательно, мышьяк поступающий в сталь из руды, может выступать в качестве заменителя меди, используемой с целью повышения их коррозионной стойкости.

С помощью статистической обработки результатов сдаточных механических испытаний и химического состава сталей показано, что по уровню механических свойств стали 15ХСНД, 14Г2 и другие, выплавленные на базе керченских руд (стали с As) и аналогичные марки стали, выплавленные на других рудах (стали без As) практически одинаковы, что позволило выйти с обоснованием предельных содержаний мышьяка в сталях. Полученные в работе результаты о влиянии мышьяка на физико-механические, служебные свойства и коррозионную стойкость низколегированных малоуглеродистых сталей на основании обобщения большого объема промышленных экспериментов, а также теоретических выводов позволило рекомендовать для сортовых и фасонных профилей углеродистых и низколегированных сталей повысить верхний ограничивающий предел содержания мышьяка в ДСТУ 2651 - 94 (ГОСТ 380 - 94) и ГОСТ 19281 - 89 до 0,15 %. Результаты исследований позволили расширить производство мышьяксодержащих малоуглеродистых низколегированных сталей на комбинате “Азовсталь”, осуществлять корректировку химического состава и технологии производства, способствовать внедрению новых сталей в том числе 20Г2АФпс для крепи горных выработок и гидротехнических сооружений. Экономический эффект при производстве на комбинате “Азовсталь” низколегированных сталей составил 1 162 950 руб. в ценах 1990 года.