Влияние на свойства металла неметаллических включений

Ромашкин А.Н.

За последнее время, особенно в XXI веке, за счет накопления знаний существенно изменились подходы к высоконадежным конструкционным материалам.

Среди факторов, в наибольшей мере снижающих срок эксплуатации металлоизделий, все большее значение приобретают оксидные неметаллические включения.

Загрязненность ими готовой металлопродукции традиционно регламентируют посредством ограничения содержания серы и кислорода в металле, и характеризуют уровнем балльности и максимально допустимого размера включений.

Неметаллические включения практически не влияют на «объемные» процессы пластической деформации и упрочнения, но разнообразно проявляют себя в локальных процессах — в разрушении, а также в формировании зерна и фазового состава стали.

От неметаллических включений во многом зависят как технологические (технологическая пластичность, разливаемость), так и механические (ударная вязкость) и эксплуатационные свойства (стойкость к коррозии) стали.

Основным видом включений в стали являются оксиды. Современные требования к стали различных типов по содержанию кислорода и максимальному размеру оксидов приведены ниже в табл. 1.

Табл. 1. Максимально допустимое содержание кислорода и размер неметаллических включений в сталях различных типов.

Назначение стали [O]max, % DНВmax, мкм
Для автолиста 0,004 [1] 100 [1, 2, 3]
Для глубокой вытяжки 0,002 [2] 20 [2]
Для магистральных газо- и нефтепроводов 0,003 [1, 4] 100 [1, 2]
Шарикоподшипниковая 0,001 [1, 5, 6] 15 [4, 7]
Кордовая 0,0015 [1, 4]; 0,005* 10 [1, 4]; 20 [3]
Для судостроения, платформ буровых станций, мостов 0,002 [1, 4] 200 [2]
Для изготовления проволоки 0,003 [1, 4] 20 [1, 4]
Рельсовая 0,002** 500**
Для корпусов атомных реакторов 0,0025 Н.д.
Роторная 0,002*** Н.д.
* Катанка сорбитизированная из высокочистой стали для металлокорда диам. 5,5-6,5 мм. ТУ 14-1-4752-89. ГУП «БМЗ»** ГОСТ Р 51685-2000. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия***Cпецификация на St. 152 (10 % Cr и 10 % Ni)

Указанные значения рассматриваемых характеристик установлены, исходя, с одной стороны, из наработанного массива данных о влиянии балла неметаллических включений на конкретные механические, технологические и служебные свойства материалов, а, с другой, из технологической связи между баллом включений и содержанием кислорода в металле.

Примеры подобных зависимостей, полученные авторами при исследовании низколегированной марганцовистой стали марок 10Г2ФБ и 06ГФБАА приведены на рис. 1 и рис. 2. Из представленных графиков видно, что, например, загрязненность металла по оксидам на уровне первого-второго балла (ГОСТ 1778) отвечает общей концентрации кислорода около 0,002 %.

Влияние на свойства металла неметаллических включений
Влияние на свойства металла неметаллических включений
Рис. 1. Влияние балла включе­ний (а) и их размера (б) на ударную вязкость трубной стали (исследование балльности проводили методом «Ш» по ГОСТ 1778; основная доля включений, имеющих максимальный размер, по ГОСТ 1778 относится к силикатам недеформируемым)
Влияние на свойства металла неметаллических включений
Рис. 2. Влияние загрязненности трубной стали (типа 06ГФБАА) метал­личес­кими вклю­че­ниями на содержание в ней кислорода (максимальный балл преимущественно имели включения, по ГОСТ 1778 относящиеся к силикатам недеформируемым)

Для получения металла, содержание кислорода  и максимальный размер неметаллических включений в котором удовлетворяют требованиям, приведенным в табл.

 1 необходимо не только правильно организовать технологию глубокого раскисления, но и обеспечить удержание достигнутого уровня окисленности металла вплоть до окончания его затвердевания.

Последнее достигается за счет предотвращения взаимодействия металлического расплава с окисляющими фазами, к которым, прежде всего, относятся шлак и атмосфера. Кроме того, заметное  влияние на уровень содержания кислорода в стали может оказывать его взаимодействие с футеровкой.

При содержании серы в металле более 0,01 % может возникнуть эффект красносломкости стали, обусловленный наличием сульфида железа FeS. Эвтектика Fe-FeS плавится при 975 °С. Оттесняемый фронтом кристаллизации легкоплавкий сульфид FeS, образует жидкие пленки вокруг дендритов.

В затвердевающем слитке на выходе из кристаллизатора перепад температуры доходит до 400…500 °С, и от термических напряжений по пленкам идут кристаллизационные трещины.

Эти пленки оплавляются и при нагреве под прокатку, так что слиток при обжатии разваливается — сталь горячеломкая.

Для предотвращения кристаллизационных трещин и горячеломкости почти во все стали вводят марганец: 0,25…0,80 % в рядовой углеродистой стали по ГОСТ 380. Цель избавиться от эвтектики, заместив сульфид железа на сульфид марганца. В слябе непрерывной разливки гарантией против кристаллизационных трещин считают пропорцию [Mn]:[S] > 40…50 и даже [Mn]:[S] > 60.

В тонком слябе, вытягиваемом с большой скоростью, продольные поверхностные трещины предотвращались лишь при < 0,008 % S. При дальнейшей переработке, при охлаждении слитка и при нагреве под прокатку, сульфид железа обогащается марганцем в твердом состоянии. Он полностью превращается в сульфид марганца за 1 час при 1100...

1200 °С, и тогда горячеломкость предотвращается, если в стали [Mn]:[S] > 25.

Сульфиды марганца мягкие, пластичны при 950…1100 °С, а при размере частиц менее 1 мкм они не деформируются. Наиболее опасны сульфиды — дендриты, при прокатке они вытягиваются в плоские пучки нитей и даже при холодной деформации удлиняются почти так же, как сам металл.

Воздействие неметаллических включений на свойства стали

Лекция № 2. Металлургическое качество стали

Качество специальных сталей определяется технологией производства, содержанием примесей и неметаллических включений, макроструктурой и т.д.

Металловедческие факторы металлургического качества стали

Неметаллические включения

Неметаллические включения – химические соединения, образовавшиеся в стали в процессе ее производства – выплавки разливки.

Неметаллические включения являются важнейшим фактором, характеризующим «металлургическое качество» стали.

Они существенно влияют на качество и свойства стальных изделий, их эксплуатационные характеристики в зависимости от природы, количества, формы, размера и характера распределения.

Неметаллические включения по природе происхождения делятся на:

1.Эндогенные неметаллические включения –соединения, образовавшиеся в стали в результате химических реакций, протекающих в процессе ее выплавки, раскисления и разливки, и вследствие изменения растворимости примесей 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.д.

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 10 -3 до 10 мм и более. Однако основная масса неметаллических включений в стали имеет размер более          10-3 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.

Фазовый состав неметаллических включений определяют металлографическим и рентгеноструктурным методами. Химический состав — химическим анализом выделенного осадка и локальным рентгеноспектральным методом.

  • Классификация неметаллических включений по химическому составу условна, так как во многих случаях включения являются комплексными и состоят из нескольких типов химических соединений. В соответствии с ГОСТ1778-75 неметаллические включения подразделяют на:
  • — кислородные: оксиды, силикаты;
  • — сульфиды;
  • — нитриды.

1. Кислородные включения. Наиболее многочисленная группа неметаллических включений. Большинство этих включений являются продуктами раскисления стали – эндогенные неметаллические включения. Но могут быть и экзогенными – частицы огнеупоров.

  1. Существует четыре вида кислородных неметаллических включений:
  2. — простые оксиды: Al2O3 – оксид алюминия (корунд, глинозем); SiO2 – диоксид кремния (кварц, кремнезем); FeO – оксид железа; TiO2  — диоксид титана.
  3. — сложные оксиды (шпинели):FeO*MnO – оксид железа и марганца;

FeO*Cr2O3 – хромиты; FeO*V2O5 – ванадиты; FeO*Ti2O5 – ильменит и т.д.

— силикаты и алюмосиликаты (кристаллические):2FeO*SiO2 — силикат железа (файялит); 2MnO*SiO2–силикат марганца; 3Al2O3*2SiO2 – алюмосиликат муллит.

— 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.

2. 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 марганцаFeS и MnS. Сульфид железа FeS имеет температуру плавления 1188оС, однако в стали он образует легкоплавкую эвтектику (988 оС). Сульфид марганца MnS имеет температуру плавления 1620 оС, т.е. выше температуры плавления стали.

Легирующие элементы также могут образовывать сульфиды в стали. Никель и кобальт образуют легкоплавкие, нестойкие сульфиды, а сульфиды хрома, циркония, титана, ниобия, ванадия более тугоплавки.

Кристаллизация сульфидов в стали часто происходит на подложках окислов, при этом комплексные включения называются оксисульфидами(например, FeO*MnS;Feo*SiO2*MnS).

3. Нитриды. Можно отнести к неметаллическим включениям лишь условно.

Они относятся к ним только в том случае, когда они являются продуктом соединения остаточного азота в стали (менее 0,008%) с нитридообразующими элементами (Ti, Al), попавшими в сталь случайно в небольших количествах (до 0,02 – 0,03%), либо введенных с раскислителями.

Нитриды нельзя считать неметаллическими включениями в тех случаях, когда нитридообразующие 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 в стали, взаимодействующими с твердым раствором (a — и g — железа) при термической обработке.

  • Воздействие неметаллических включений на свойства стали
  • Различные виды разрушения обусловлены наличием включений различного размера. При хрупком разрушении неметаллические включения опасны лишь как первичный очаг, когда их размер:
  • d>dкр= p/2(КIс/sт)2
  • где:
  • КIс – трещиностойкость – критерий хрупкого разрушения;
  • sт – условный предел текучести стали.
  • Хрупкое разрушение могут вызвать лишь крупные экзогенные включения.
Читайте также:  Контрольная работа по теме металлы 9 класс 1 вариант электронное строение

В отличие от хрупкого, вязкое разрушение практически всегда контролируется неметаллическими включениями. На дне ямок, характеризующих вязкий излом стали, практически всегда имеются неметаллические включения (ими могут быть также карбиды, нитриды), размер которых не превышает 0,05 – 0,5 мкм.

Эти 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.

Неметаллические включения увеличивают анизотропию механических свойств деформированной стали, особенно показатели пластичности — относительное удлинение и сужение. Эти свойства в направлении поперек прокатки могут быть в 1,5 – 3 раза ниже, чем в направлении вдоль прокатки.

Неметаллические включения могут обусловливать появление шиферного (древовидного) излома.

Особенно опасны неметаллические включения при испытании механических свойств по толщине листа – снижается не только пластичность стали, но и ее прочность.

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, головки рельсов, цементованные зубья шестерен и др.).

в то же время равноосные неметаллические включения, находящиеся в глубине изделия, не оказывают влияния на усталость стали, так как усталостная трещина, зародившаяся на 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 недеформируемых включений. Острые ребра жестких включений также будут усиливать концентрацию около них остаточных напряжений.

Пластичные силикаты и сульфиды в горячекатаной стали усиливают ферритнуюполосчатость.

  1. В целях уменьшения загрязненности стали неметаллическими включениями, регулирования их состава, размера и характера распределения в настоящее время применяются: рафинирующие переплавы электрошлаковый, вакуумно — дуговой), вакуумная индукционная выплавка, внепечная обработка стали синтетическими шлаками, вакуумирование в ковше и др.
  2. Примеси в стали
  3. Классификация примесей:
  4. — постоянные (обыкновенные);
  5. — случайные;
  6. — скрытые (вредные).

Постоянные примеси: Mn, Si. Имеются практически во всех промышленных марках стали.

Содержание марганца в конструкционных сталях обычно находится в пределах 0,3 – 0,8 % (если марганец не является легирующим элементом), в инструментальных сталях его содержание – 0,15 – 0,40%.

Введение марганца как технологической добавки в таких количествах необходимо для перевода серы из сульфида железа в сульфид марганца.

Случайными примесями в стали могут быть практически любые элементы, случайно попавшие в сталь из скрапа, природно – легированной руды или раскислителей. Пример примесей: Сr, Ni, Cu, Mo, W, Al, Ti и др в количествах, ограниченных для примесей.

Скрытыми примесями в стали являются сера, фосфор, мышьяк и газы водород, азот и кислород.Такие вредные примеси, как сера, фосфор и газы присутствуют практически во всех сталях и в зависимости от типа стали оказывают различное влияние на их свойства.

По марочному химическому составу стали можно определить, какие элементы являются легирующими добавками, а какие – примесями.

Сера

При комнатной температуре растворимость серы в a — железе практически отсутствует. Вся сера в стали связана в сульфиды железа, марганца и частично в сульфиды легирующих элементов.

С повышением температуры сера растворяется в a — и g — железе, хотя и незначительно, но до вполне определенных концентраций (0,02% в a — железе при 913оС и 0,05% в g — железе при 1365 оС).

Поэтому сернистые включения могут видоизменяться при термической обработке стали.

Если сера связана в сульфид железа (FeS) при относительно низких температурах горячей деформации стали вследствие расплавления эвтектики сульфида железа (988оС), наблюдается красноломкость стали.

При более высоких температурах горячей пластической деформации (1188 оС) возможна горячеломкость стали, обусловленная расплавлением находящегося по границам первичных зерен аустенита, сульфида железа.

Введение в сталь определенного количества марганца приводит к практически полному связыванию серы в тугоплавкий сульфид марганца (MnS, tпл~ 1620 оС) и исключает образование легкоплавкой сульфидной эвтектики. Это позволяет избежать красноломкости и горячеломкости сталей при их горячей обработке давлением.

Увеличение содержания серы в стали мало влияет на прочностные свойства, но существенно изменяет вязкость стали и ее анизотропию в направлениях поперек и вдоль прокатки. Особенно сильно анизотропия выражена при высоких содержаниях серы.

Ударная вязкость на образцах, вырезанных в поперечном направлении прокатки, а именно такие образцы испытываются при контроле механических свойств по ГОСТам, уменьшается с увеличением содержания серы, тогда как в продольном направлении с увеличением серы наблюдается тенденция к повышению ударной вязкости.указанное явление

В жаропрочных аустенитных сталях повышение содержания серы заметно уменьшает пределы ползучести и длительной прочности, т.е. сера снижает жаропрочные свойства.

Фосфор

Растворимость Р в a- и g- железе значительно выше, чем содержание Р в стали, как примеси. Поэтому Р в стали целиком находится в твердом растворе, и его влияние на свойства сказывается посредством изменения свойств феррита и аустенита. Вредное действие фосфора на свойства может усугубляться из-за сильной склонности его к ликвации.

Действие Р на свойства феррита проявляется в его упрочняющем влиянии и особенно в усилении хладноломкости стали.

Фосфор относится к сильнымупрочнителям. Несмотря на то, что содержание его в стали обычно не превышает 0,030 – 0,040% он увеличивает предел текучести sт феррита на 20 – 30%, также увеличение содержания фосфора в пределах сотых долей процента может вызвать повышение порога хладноломкости на несколько десятков градусов (~ 20 – 25 оС на 0,01% Р).

В конструкционных улучшаемых сталях Р вызывает проявление обратимой отпускной хрупкости. В этом случае его влияние на порог хладноломкости особенно сильно.

Аналогично Р влияет на порог хладноломкости аустенитных марганцовистых сталей. Влияние Р в допустимых пределах на механические и жаропрочные свойства хромоникелевых аустенитных нержавеющих и жаропрочных сталей заметно не проявляется.

Мышьяк

Его влияние на свойства стали аналогично Р, но само вредное воздействие значительно слабее. В некоторых качественных сталях допускается содержание до 0,08% As.

Газы

В сталях в определенных количествах обычно присутствуют: H, O, N. Процентное содержание их в сталях зависит прежде всего от способа выплавки.

Н может входить в состав твердого раствора и выделяться в газообразном состоянии, скапливаясь в порах металла, при этом в стали образуются флокены.

О обычно связан в неметаллические включения.

N 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 Al, VN, NbNили карбонитридыV(C,N), Nb (C, N) и др., что используется в сталях с карбонитридным упрочнением.

Также азот используется в качестве аустенитообразующего элемента в коррозионностойких и жаропрочных сталях.

Влияние неметаллических включений на механические свойства стали

Современные способы производства стали и сплавов не дают возможности получить металл, не содержащий неметаллических включений.

Большее или меньшее количество включений существует в любой стали в соответствии с её составом и условиями производства. Обычно количество неметаллических включений в стали не превышает 0,1%.

Однако в связи с их малыми размерами число включений в металле очень велико.

Неметаллические включения ухудшают механические и другие свойства стали (магнитную проницаемость, электропроводность и т.п.), так как нарушают сплошность металла и образуют полости, в которых концентрируются напряжения.

В некоторых случаях (например, при производстве шарикоподшипниковой стали) качество металла определяется только количеством и составом неметаллических включений.

Хотя в принципе отрицательное влияние большого содержания включений известно, но очень многое зависит от размеров включений, состава и расположения их в готовом изделии.

По форме и характеру расположения в объеме металла различают четыре основных типа включений:

  • 1) включения, расположенные по границам зерен в виде тонкой пленки;
  • 2) относительно крупные включения, имеющие острые грани и расположенные беспорядочно;
  • 3) относительно крупные включения округлой (сферической) формы, расположенные беспорядочно;
  • 4) мелкие (субмикроскопические) включения, равномерно расположенные в объеме металла.

Особенно опасными для качества стали являются включения, расположенные по границам зерен в виде тонких пленок. Обычно это легкоплавкие включения оксисульфидов, выделяющиеся в жидком виде при кристаллизации стали.

Такие включения вызывают ослабление межзёренных связей, особенно при повышении температуры (красноломкость). Большую опасность также представляют включения, имеющие острые грани. Обычно это тугоплавкие включения, имеющие температуру плавления выше температуры жидкого металла.

Такие включения часто являются местом концентрации напряжений в металле и источником начала процесса разрушения изделия. В случае, когда такое включение оказывается на поверхности изделия (шарика в подшипнике, железнодорожного рельса и т.д.

), происходит выкрашивание включения с последующим преждевременным выходом изделия из строя.

Оксидные включения в стали (продукты реакций раскисления) существенно влияют на ее свойства. Наиболее вредны крупные включения или их скопления. При обработке резанием они становятся причиной преждевременного износа инструмента.

На свежеобработанной поверхности изделия отчетливо видны грубые шлаковые включения, что может быть причиной брака. В стальном листе оксидные включения проявляются в виде засоров и пузырей. Они уменьшают также предел выносливости стали.

Неметаллические включения заметно снижают пластичность (относительное удлинение и сужение) и ударную вязкость стали.

Читайте также:  Барий это щелочной металл или нет

Менее вредными считаются включения округлой формы. Включения округлой формы получаются в случае, когда температура плавления их невелика, и они плохо смачиваются металлом. Менее вредны также включения в виде расположенных равномерно по сечению металла субмикроскопических частиц.

В некоторых случаях даже принимаются специальные меры для образования таких включений (например, включений нитридов и карбонитридов в термоупрочняемых сталях).

Такие включения (тугоплавкие соединения) образуются при введении в металл элементов с высоким сродством к таким примесям, как кислород, сера, азот, углерод (введение в отдельных случаях алюминия, редкоземельных элементов, вольфрама, титана и др.).

Включения расположенные равномерно по всему объему металла и представляющие субмикроскопические частицы приносят наименьший вред, в ряде случаев являются полезными.

Например, при производстве термоупрочняемой стали необходимо обеспечить получение мелкого первичного (аустенитного) зерна.

Это возможно тогда, когда в жидкой стали перед кристаллизацией содержится большое число мелких и расположенных равномерно по объему неметаллических включений, которые могут служить центром возникновения отдельных кристаллов металла.

Как показали исследования последних лет, наилучшие результаты измельчения первичного зерна термоупрочнения достигается в том случае, если центрами кристаллизации являются нитриды и карбонитриды. Поэтому существует значительная группа термоупрочняемых сталей, содержание азота в которых специально повышают до 0,015 — 0,030 % и более.

Неметаллические включения не всегда оказывают отрицательное влияние на свойства стали. Иногда они играют и полезную роль при выделении в виде мелкодисперсной фазы, расположенной равномерно по всему объему металла. Для этого не требуется большого содержания по массе включений в стали.

Низкое содержание включений в стали само по себе еще не является гарантией высокого качества. При общем малом количестве включений в отдельных местах слитка могут быть скопления включений.

Большое значение имеет изменение состава и количества включений при кристаллизации и охлаждении слитка. Во время прокатки или ковки форма включений, их размеры и распределение также могут существенно меняться.

Одни включения при кристаллизации могут располагаться по границам зерен, другие — внутри зерен, некоторые при обработке давлением дробятся и образуют цепочку, расположенную вдоль оси прокатки, другие вытягиваются, третьи не меняют своих размеров и т.д.

В результате, например, оказывается, что видимая (под микроскопом) чистота стали по включения зависит не только от их содержания в металле, но и от степени обжатия при прокатке и т.п.

Различное влияние на механические свойства стали оказывают различные включения при испытании образцов, вырезанных вдоль оси прокатки (продольные образцы) и поперек (поперечные образцы). Наличие неметаллических включений особенно заметно сказывается на показателях испытаний поперечных образцов. [5]

С вредным влиянием неметаллических включений связаны такие дефекты, как точечная и точечно — пятнистая неоднородность, загрязнения и волосовины, шиферный излом, камневидный излом и др.

Многие дефекты связаны одновременно с присутствием и газов, и неметаллических включений, причем число и размеры дефектов возрастают при содержании в стали вредных примесей (серы, фосфора и др.

), снижающих температуру плавления сплава.

При высоких концентрациях кислорода в стали образуются значительные количества легкоплавких оксидных и оксисульфидных включений, застывающих по границам зерен, в результате чего понижается прочность металла при высоких температурах.

Азот понижает пластические свойства стали, повышает хрупкость при низких температурах, склонность стали к старению. Водород является причиной образования ряда дефектов стали (флокенов и т.д.).

Эти дефекты связаны с выделением при застывании растворенного в металле атомарного водорода, в результате чего давление выделившихся молекул H2 оказывается настолько высоким, что сплошность металла нарушается, и в нем образуются видимые невооруженным глазом трещины.

К настоящему времени для анализа неметаллических включений разработаны и широко используются различные методы, позволяющие с большой точностью определить состав, структуру и содержание неметаллических включений встали и сплавах как с выделением их из металла, так и в твердом металле.

Неметаллические включения и качество стали

ВЛИЯНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ

В последнее время появилось много работ по изучению влияния включении на технологи­ческую пластичность, усталость, водородное охруп­чивание, коррозионную стойкость, абразивный из­нос и другие свойства стали.

Несмотря на большое количество исследований, до сих пор не установлена четкая зависимость между степенью чистоты стали и ее свойствами.

Нет согласованности в вопросе — какая из харак­теристик включений наиболее опасна с точки зре­ния воздействия на свойства стали — химический состав, размер, количество или распределение.

Про­тиворечивость данных о влиянии включений на свойства стали можно объяснить различием видов стали, технологии ее производства и условий ис­следования.

В работе 149] показано, что включения корунда ухудшают технологические свойства стал и, особенно

если они образуют скопления. Однако авторы ра­боты [9] утверждают, что корунд не оказывает от­рицательного влияния на технологическую пластич­ность, а напротив, даже повышает ее ]23], тогда как трещины зарождаются обычно у силикатов.

По влиянию сульфидных включений на технологи­ческие свойства стали в литературе нет единого мнения. В работе [11] указывается на вредное влия­ние пленочных сульфидов на пластичность стали из-за низкой температуры плавления сульфидов.

В то же время существует мнение [81 ], что сульфи­ды полезны в том случае, когда они образуют обо­лочку вокруг окислов и шпинели, тем самым сни­жая вредное влияние этих включений на пластич­ность стали.

Пластичность стали при горячей деформации ухудшается при наличии в ней скоп­лений окислов хрома и марганцево-хромистой шпинели [40].

Отрицательное влияние включений на техноло­гическую пластичность стали при высоких темпе­ратурах особенно проявляется в случаях, когда включения окислов, сульфидов, нитридов и их эв­тектики имеют температуру плавления ниже тем­пературы горячей деформации стали или образуют стекловидные фазы с низкой температурой размяг­чения [9], а также когда включения образуют скоп­ления как следствие ликвации кислорода, серы или формируются на границах кристаллов в виде пленочных включений, ослабляющих связь между кристаллами.

Большинство дефектов деформированной стали,образующихся при прокатке, ковке, штамповке, так или иначе связано с неметаллическими включе­ниями. Такие дефекты можно разделить на две большие группы: внутренние и поверхностные.

Одним из наиболее распространенных внутрен­них дефектов стали являются волосовины, пред­ставляющие собой нитевидные несплошности, обра­зующиеся при деформации неметаллических вклю­чений. Включения окислов железа, корунда, си­ликатов, пластически не деформирующиеся при температурах горячей прокатки, разрушаются и об­разуют строчки, которые проявляются как волосо­вины.

Пластичные сульфидные и силикатные вклю­чения, раскатавшиеся при прокатке, также вызыва­ют волосовины. Возникновение волосовин в стали зависит от величины и характера расположения неметаллических включений. Опасность представ­ляют отдельные крупные включения, а также боль­шие скопления мелких включений.

Наличие воло­совин в деформированной стали значительно сни­жает ее прочность.

Типичным дефектом деформированной стали яв­ляется расслоение, представляющее собой наруше­ние сплошности стальной заготовки или готового изделия. Часто расслоение выходит наружу, на­пример на кромку листа. Расслоение появляется в местах скопления силикатов и окислов.

Вследствие различия пластичности включений и стальной матрицы, а также из-за хрупкого разрушения включе­ний при деформации происходит нарушение сплош­ности по поверхности раздела включений с матрицей и в случае строчечного расположения включе­ний в стали образуется вытянутое в направлении прокатки расслоение (рис. 3).

Небольшие расслое­ния могут исчезать в процессе горячей деформации в результате сваривания, однако присутствие неме­таллических включений мешает свариванию внут­ренних стенок расслоений. Наличие внутренних расслоений в стальных изделиях недопустимо, так как они служат готовыми центрами зарождения разрушения при воздействии на сталь внешней нагрузки.

Например, при холодной штамповке лис­товой стали, имеющей расслоения, часто происходят разрывы. Изучение поверхности разрушения штам­пованной детали выявило в изломе неметалличе­ские включения (рис. 4).

К внутренним нарушениям сплошности стали относят рванины, представляющие собой полости неправильной формы, трещины напряжения раз­личного происхождения (рис. 5), имеющие окислен­ную поверхность. В структуре стали вблизи этих дефектов образуется обезуглероженная зона, за­грязненная окисными и сульфидными включениями.

Наиболее часто встречаются окислы FeO и MnO, которые получаются в результате взаимодействия окалины, покрывающей поверхность дефекта, со стальной матрицей при горячей деформации. В этих случаях неметаллические включения являются не причиной, а следствием образования внутреннего дефекта.

Наличие включений вблизи внутренних дефектов усложняет структуру последних и спо­собствует их росту при деформации стали.

Во время нагрева под прокатку до высокой тем­пературы может происходить окисление и частич­ное оплавление границ зерен, когда на границах зерен образуются хрупкие пленочные включения окислов, разобщающие зерна (рис. 6). Вследствие

этого в процессе последующей прокатки по границам окисленных кристаллов образуются рванины пережога и трещины. В этом случае неметалличе­ские включения служат причиной образования в стали внутренних дефектов — рванин и трещин.

Рванины пережога могут выйти на поверхность стального изделия. В этом случае они представляют собой раскрытые разрывы, расположенные под уг­лом к направлению прокатки.

Многие дефекты слитка, такие, как газовые пу­зыри, трещины напряжения, корочки, при после­дующей горячей деформации изменяют свою форму и проявляются как дефекты деформированной стали.

Раскатанные пузыри представляют собой наруше­ния сплошности вдоль направления прокатки, образующиеся в результате раската подкорковых пузырей слитка, на поверхности которых находились окалина и неметаллические включения, препятст­вующие их свариванию при прокатке.

Раскатанные трещины образуются при прокатке слитка, имею­щего трещины напряжения, и представляют собой внутренние и внешние разрывы металла, покрытые слоем окислов.

Прокатка слитка, загрязненного крупными экзогенными включениями, приводит к появлению дефектов, названных раскатанными загрязнениями, представляющих собой вытянутые в направлении прокатки крупные шлаковые вклю­чения или частицы огнеупоров.

Темные и светлые корочки, а также заворот корочки преобразуются при прокатке стали в местные расслоения металла, образовавшиеся в результате раскатки завернув­шихся корочек в виде скоплений неметаллических включений, окисленных заливин и плен, вблизи которых в структуре обнаруживается обезуглероженный слой с частицами окислов и сложных вклю­чений. Неоднородность макроструктуры слитка наследуется деформированной сталью и при трав­лении темплета представляет локальный растрав металла в виде пятен и полос в местах скопления неметаллических включении.

Поверхностные дефекты прокатанной стали мо­гут быть вызваны неметаллическими включениями, присутствующими в стали, и неметаллическими фазами, попадающими на поверхность слитка или заготовки извне или образующимися на поверхно­сти в результате реакции компонентов стали с ок­ружающей средой во время нагрева под прокатку.

Читайте также:  Отношения работ выхода электронов для металлов

Источником посторонних неметаллических фаз, попадающих на поверхность слитков и стальных заготовок, являются частицы огнеупоров из раз­рушенной футеровки нагревательных устройств (колодцев, печей).

В процессе деформации частицы неметаллических включений вкатываются в поверх­ностные слои стали, вызывая надрывы. Нa поверх­ности видны отдельные вкрапления или строчки вкраплений, ухудшающие качество стали.

В тон­ких местах при вкатывании инородных частиц могут образоваться сквозные разрывы.

Выдержка слитков или заготовок при высоких температурах во время нагрева под прокатку мо­жет привести к окислению кремния, марганца, алю­миния и других элементов, присутствующих в стали, и к образованию на поверхности заготовок шлака сложного состава.

При последующей горя­чей деформации шлак деформируется вместе со сталью и раскатывается вдоль поверхности сталь­ного изделия или вкатывается в поверхностные слои стали. Пластичность шлака зависит от его состава и температуры деформации. Поверхность прокатанной стали оказывается пораженной темными пятнами и полосами, являющимися шлаковыми вклю­чениями.

Листы из такой стали плохо протравли­ваются и непригодны для эмалирования и нанесе­ния покрытий из других металлов (цинка, свин­ца).

Поверхность проката всегда в большей или мень­шей степени покрыта окалиной, т. е. слоем окислов железа, получившихся в результате окисления

стали при нагреве в печи или в процессе самой прокатки. Окалинообразование вредно по своим последствиям. С экономической точки зрения оно приводит к большой потере металла.

Частицы окалины, вкатанные в поверхность стали при деформации, существенно снижают качество по­верхности, что недопустимо, например, для го­рячекатаной и холоднокатаной листовой стали. Окалина вызывает шероховатость поверхности и ухудшает внешний вид прокатанной стали.

Раз­личают несколько видов поверхностных дефектов, вызванных окислением деформированной стали. Рябизна представляет собой углубления на по­верхности листа, образовавшиеся при вдавлива­нии частиц окалины во время прокатки. Ра­ковины от окалины также образуются при вда­вливании частиц окалины и их выпадении во время прокатки.

Отстающая окалина представ­ляет собой отдельные участки на поверхности деформированной стали с отслоившейся или рых­лой окалиной, образовавшиеся при деформации стали. На поверхности тонких листов после вкатывания окалины обнаруживают поперечные надрывы.

При значительном окалинообразовании могут обнажаться подкорковые пузыри, что является при­чиной возникновения при прокатке стали поверх­ностных дефектов — раскатанных пузырей и про­катных плен. Другая причина образования плен — высокое содержание в стали окисных и сульфид­ных включений, присутствующих на внутренней

поверхности сотовых пузырей и препятствующих их свариванию при горячей прокатке. Плены пред­ставляют собой отслоения в виде тонких пластин языкообразной формы, соединенных с основной частью стального изделия.

В местах соединения плен с основной массой металла существует обез- углероженный слой с неметаллическими включе­ниями, преимущественно окислами, а также шла­ковыми включениями.

Плены совершенно недопу­стимы в тех случаях, когда требуется получение чистой поверхности прокатанной стали.

К поверхностным дефектам стали, возникаю­щим под влиянием неметаллических включений, от­носится также рваная кромка, представляющая собой разрывы по кромке стальной полосы.

Причи­ной появления этого дефекта является наличие в стали включений окислов, препятствующих сва­риванию газовых пузырей при горячей прокатке и способствующих появлению новых расслоений в этих участках.

Кроме того, если в стали присут­ствуют сульфиды железа, то возможно образование легкоплавких эвтектик, вызывающих краснолом­кость стали при прокатке.

Снижение пластично­сти стали при высоких температурах в результате перегрева, вызванное образованием на границах зерен легкоплавких неметаллических включений и их эвтектик, вызывает такой поверхностный дефект, как чешуйчатость, представляющую собой отслое­ния и разрывы в виде сетки на поверхности листа. Устранить такие дефекты можно путем увеличения содержания в стали марганца, что приведет к образованию сульфидов марганца, более тугоплавких, чем сульфиды железа.

В случае близкого расположения неметалличе­ских включений к поверхности стальной заготов­ки при деформации они выходят на поверхность вследствие неодинаковой пластичности стальной матрицы и включений.

В местах нахождения вклю­чений вблизи поверхности скапливается водород или другие газы и в результате внутреннего дав­ления при прокатке на этих участках образуются вспучивания металла — пузыри-вздутия, что зна­чительно ухудшает качество поверхности стали.

Скопление чередующихся вздутий, идущих поперек прокатки, образует так называемую гармошку. Под таким дефектом в приповерхностных слоях стали наблюдаются скопления включений и зоны ликвации.

Неметаллические включения, наряду с ликва­цией кремния, углерода и фосфора, служат причи­ной появления структурной неоднородности горя- чедсформнрованной стали — полосчатости, которая возникает вследствие зарождения избыточного фер­рита при охлаждении стали после прокатки на строчках включений, образовавшихся в про­цессе деформации (рис. 7). Сталь с полосчатой структурой обладает анизотропией механических свойств.

  • Рассмотренные дефекты существенно снижают качество проката. В большинстве случаев причи­ной их образования является неудовлетворительное качество стального слитка, поэтому бороться с ними
  • нужно путем правильного выбора состава стали, а также соблюдения технологического режима вы­плавки стали и охлаждения стального слитка.
  • Механические свойства стали зависят от содер­жания в ней неметаллических включений. В лите­ратуре приведены данные по влиянию включений

на циклическую прочность, ударную вязкость, проч­ность при растяжении, показывающие отрицатель­ное влияние включений на механические свойства, однако существуют и противоречивые мнения, что вызвано разнообразием типов неметаллических включений.

Например, некоторые авторы считают, что свойства стали не зависят от содержания вклю­чений J63], другие полагают, что главную роль играет тип включений [69], а их количество не влияет на механические свойства. В то же время существует мнение, что тип включений не влияет на механические свойства [78].

Многие исследователи определяющим фактором считают критический размер включений, который установлен для мно­гих материалов. По-видимому, для каждой стали существует критический размер включений, зави­сящий от типа включений и стали. Более крупные включения опасны для стали, независимо от их состава.

Микровключения, размер которых меньше критического, не ведут себя как дефекты: они часто используются для улучшения некоторых свойств, например для дисперсионного упрочнения стали.

Частицы упрочняющей фазы должны быть коге­рентными с матрицей, их морфология, размер и рас­пределение должны затруднять движение дисло­каций и протекание процессов возврата (881-

Форма включений существенно влияет на проч­ностные и пластические свойства стали (рис. 8). Сталь, содержащая пластинчатые включения, раз­рушается значительно раньше стали с глобуляр­ными включениями.

Авторы работы [50] считают, что неблагоприятное влияние пластинчатых вклю­чений зависит от их ориентировки. Например, пове­дение сульфидов наиболее благоприятно, когда кри­сталлографическое направление включения I 001 I совпадает с осью деформации [611.

В литературе существуют противоречивые мнения о влиянии включений на предел текучести стали. По мнению авторов работы [80), предел текучести определяет­ся свободным расстоянием между частицами.

В то же время авторы работы [75] считают, что предел текучести определяется только объемной долей час­тиц второй фазы и не зависит от распределения

включений. Р. Ф. Хегманн и другие (711 считают, что предел текучести сплава определяется приро­дой включений. Б. И. Эдельсон и В. М. Болдуин (63) полагают, что предел текучести стали зависит и от количества частиц, и от их размера, а также

от расстояния между ними.

Недостатком многих работ по определению влияния включений на пре­дел текучести сталей и сплавов является то, что они выполнены в лабораторных модельных спла­вах и не учитывают многих факторов, действую­щих в реальных промышленных сплавах и сущест­венно влияющих на механические свойства. Харак­тер распределения неметаллических включений в горячекатаной и отожженной после холодной

прокатки стали 0810 оказывает существенное вли­яние на ее механические свойства. С увеличением содержания включений от головной к донной части раската (см. табл. I) снижаются относительное

удлинение, предел текучести и предел прочности стали (рис. 9). Это происходит потому, что вклю­чения служат концентраторами напряжений и де­формаций в матрице, что вызывает локальное раз-

рушение при более низкой средней деформации. По данным работы (681, разрушение вблизи вклю­чений начинается при достижении напряжений, равных половине предела текучести матрицы. По­следний уменьшается с увеличением содержании включений.

Это связано с тем, что уже на стадии упругой деформации около включений в локаль­ных областях матрицы начинается пластическая деформация, являющаяся результатом концентра­ции напряжений [691].

Кроме того, необходимо учи­тывать имеющуюся до проведения испытаний не­однородность остаточных напряжений в матрице, вызванную неоднородным распределением включе­ний различного типа и размера.

Распределение микротвердости в матрице слу­жит косвенным показателем распределения в ней напряжений. В табл. 3 приведены результаты рас­пределения микротвердости в матрице вблизи раз­личных включений в горячекатаной, холоднока­таной и отожженной стали 08Ю.

Во всех случаях мнкротвердость матрицы вблизи включений выше, чем вдали от них, и зависит от природы и формы включения.

В горячекатаной стали наиболее вы­сокая микротвердость матрицы в строчечных скоп­лениях включений корунда и шпинели, где из-за большого количества близко расположенных вклю­чений происходит наложение полей напряжений от соседних включений и в результате их взаимного влияния труднее происходит релаксация напряже­ний при горячей деформации и охлаждении

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector