ВЛИЯНИЕ ГАЗОВ И ВКЛЮЧЕНИЙ НА СВОЙСТВА СТАЛИ
Газы и неметаллические включения, как правило, отрицательно влияют на качество металла. С вредным влиянием газов связаны такие дефекты, как подкорковые и внутренние пузыри (рис. 13.2), осевая пористость, пятнистая (или газовая) ликвация (рис. 13.3), волосовины, флокены (рис. 13.4) и др. С вредным влиянием неметаллических включений связаны такие дефекты, как точечная и точечно-пятнистая неоднородность, загрязнения и волосовины (рис. 13.5, 13.6), 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. Это связано с развитием ликвационных
Рис. 13.2.Подкорковые и внутренние пузыри в подголовном темплете слитка
явлений при кристаллизации слитка. Как известно, затвердевание сталей и сплавов происходит в некотором интервале температур (интервале затвердевания). Вначале затвердевают оси дендритов состава, имеющего более высокую температуру затвердевания; на заключительной стадии затвердевания в незакристаллизовавшихся участках остается жидкость, обогащенная легкоплавкими примесями, которая затвердевает в последнюю очередь. В этот момент в слитке формируется определенное дополнительное количество неметаллических включений.
В период окончательного затвердевания из стали выделяется вследствие снижения растворимости некоторое количество газов. В связи с уменьшением растворимости газов при понижении температуры, особенно при переходе из жидкого состояния в твердое при кристаллизации слитка или отливки, сталь, содержащая большое количество газов, получается пузыристой, с низкими механическими свойствами и непригодной к использованию. Повышенные концентрации кислорода в спокойной стали могут вызвать образование пузырей вследствие реакций с углеродом [О] + [С] = СОГ.
Кроме того, 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 (красноломкость). Азот понижает пластические свойства стали, повышает хрупкость при низких температурах (хладноломкость),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 основном при температуре превращения y—> ) и его молизацией, в результате чего давление выделившихся молекул Н2 оказывается настолько высоким, что сплошность металла нарушается и в нем образуются видимые невооруженным глазом трещины.
Выделение молекулярного водорода
Рис. 13.6.Неметаллические включения в зоне волосовины (микрошлиф стали 12Х18Н9Т) х 100.
(и последующее разрушение сплошности металла) происходит в местах скопления неметаллических включений, микропор, ликватов и т. д. На практике используют способность водорода интенсивно диффундировать, особенно при повышенных температурах. Флокеночувствительные стали подвергают замедленному охлаждению (обычно после прокатки на обжимных станах и порезки на мерные длины); стальные заготовки часами (иногда сутками) находятся в специальных пролетах в емкостях (ямах), где штабеля металла, засыпанные слоем изолирующего щебня, медленно охлаждаются, а растворенный водород диффундирует к поверхности заготовки и удаляется. Однако снизить до безопасного уровня содержание водорода таким способом удается далеко не всегда (особенно при отливке крупных слитков), поэтому для качественной стали такие операции, как обработка вакуумом или продувка инертным газом, являются обязательными. Обработка металла вакуумом во многих случаях позволяет вообще отказаться от дорогостоящей противо-флокенной обработки замедленным охлаждением. Повышенное содержание газов в стали вызывает не только понижение ее механических свойств, но и непостоянство механических свойств образцов металла, взятых из разных участков слитка; «пятнистую» ликвацию, трещины, расположенные внутри заготовки и обнаруживаемые при ступенчатой обточке (так называемые волосовины), дефектные виды излома и т. д.
Некоторое количество растворенных в металле газов при кристаллизации выделяется в виде пузырей, часть которых остается в слитке. На межфазной границе металл—газовый пузырь могут концентрироваться неметаллические включения. Этому способствует лучшая смачиваемость включением газовой фазы, чем металла. В результате вокруг газового пузыря обнаруживается повышенная концентрация включений, что особенно заметно ухудшает качество металла. Неметаллические включения ухудшают механические и другие свойства стали (магнитную проницаемость, электрическую проводимость и т. п.), так как нарушают сплошность металла и образуют полости, которые являются концентраторами напряжения. Хотя отрицательное влияние большого содержания включений известно, очень многое зависит от размеров включений, состава и расположения их в готовом изделии. При этом небольшое содержание включений в стали еще не является гарантией высокого качества. При общем малом количестве включений в отдельных местах слитка или отливки возможны их скопления. Особенно опасными для качества стали являются включения, расположенные по границам зерен в виде тонких пленок. Большую опасность представляют также включения, имеющие острые грани; обычно это тугоплавкие включения, температура плавления которых выше температуры жидкого металла. Эти включения часто являются местом концентрации напряжений в металле и источником начала процесса разрушения изделия. В случае, когда такое включение оказывается на поверхности изделия (например, шарика в подшипнике, железнодорожного рельса и т. д.), возможно выкрошивание включения с последующим преждевременным выходом изделия из строя.
Включения округлой формы, считающиеся менее вредными, образуются в том случае, если 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 принимают специальные меры к тому, чтобы такие очень мелкие включения (например, включения нитридов и карбо-нитридов в термоупрочняемых сталях) образовались. Подобные включения образуются при введении в металл элементов с высоким химическим сродством к таким примесям, как кислород, сера, азот, углерод, в случае получения при этом тугоплавких соединений (при введении в отдельных случаях алюминия, РЗМ, вольфрама, титана и др.).
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 изменяться. Одни включения при кристаллизации могут выделиться по границам зерен, другие — внутри зерен; некоторые при обработке давлением дробятся и образуют цепочку вдоль оси прокатки, другие вытягиваются, третьи не изменяют своих размеров и т. д.
В результате оказывается, что видимая (под микроскопом) чистота стали по включениям зависит не только от их содержания, но и от степени обжатия при прокатке и т. п. Механические свойства металла при испытании образцов, вырезанных вдоль (продольные образцы) и поперек (поперечные образцы) оси прокатки, различаются и зависят от включений. Содержание неметаллических включений особенно заметно влияет на показатели испытаний поперечных образцов. Допустимые пределы содержания газов и неметаллических включений в каждой группе марок сталей определяются соответствующими стандартами. Стандарт определяет также методику отбора проб и методику проведения анализа и контроля.
Дата добавления: 2015-06-22; просмотров: 932;