» » Конструкционные стали
04.02.2015

Особый интерес представляет выявление возможного влияния использования металлизованного сырья на свойства и качество разнообразных легированных конструкционных сталей, входящих в основной сортамент электросталеплавильных цехов. Эти стали используются для изготовления основных деталей, работающих, как правило, в тяжелых условиях, в ряде случаев при экстремальных нагрузках, во всевозможных машинах и механизмах. В процессе эксплуатации они испытывают различные напряжения и усилия, от способности сопротивляться которым в большинстве случаев зависит работоспособность и надежность всей конструкции или механизма.
He удивительно поэтому, что исследованию влияния первородной шихты и содержания цветных примесей в стали на ее свойства был посвящен ряд серьезных исследований, результаты которых позволяют на сегодня сделать в этом отношении довольно однозначные выводы. А.П. Гуляевым было проведено специальное изучение влияния общей чистоты на различные свойства и качественные характеристики хромоникельмолибденовой улучшаемой стали, содержащей 0,4±0,03 % С, 1,5±0,1 % Cr и переменное количество никеля и молибдена.
Одну группу сталей выплавляли в открытой индукционной печи на обычной шихте. По содержанию примесей эти стали соответствуют обычной электростали. Другую группу сталей выплавляли на тех же шихтовых материалах, но в вакуумной индукционной печи (чистые стали). Эти стали чище по содержанию газов. Наконец, третью группу сталей (высокочистые стали) выплавляли в вакуумной индукционной печи из чистых шихтовых материалов. Эти стали значительно чище не только по содержанию газов, но также серы, фосфора и цветных примесей. Химический состав исследованных сталей приведен ниже, %:
Конструкционные стали

Изменение содержания примесей сразу нескольких категорий является недостатком рассматриваемой работы, не позволяющим проследить влияния каждой из них в отдельности. Ho, учитывая, что и при выплавке стали на металлизованном сырье одновременно будет происходить повышение чистоты стали и по цветным примесям, и по сере, и по фосфору, хотя и не в такой степени, как в рассматриваемой работе, допустимо принять приведенные ниже данные о качестве ориентировочных при оценке влияния чистоты, обусловленной применением металлизованного сырья, на свойства конструкционных сталей. Все представляющие интерес свойства сведены в табл. 22.
Конструкционные стали

Как видно, на многие свойства чистота стали не влияет совершенно, на другие, напротив, влияние довольно заметно.
Существенно изменение прокаливаемости стали при переходе от обычной к чистой, но это объясняется уменьшением содержания кремния и марганца. Дальнейшее уменьшение прокаливаемости при переходе к высокочистой стали, по мнению А.П. Гуляева, объясняется только уменьшением содержания фосфора (с 0,025 до 0,001 %), но не цветных примесей.
Все стали были обработаны термически на одинаковую прочность. При этом другие стандартные характеристики (σ0,2, δ и ψ) также остались без изменения. Следовательно, какого-либо влияния на них повышения чистоты стали и в реальных промышленных условиях ожидать не следует.
Существенно улучшились характеристики металла, характеризующие его надежность: ударная вязкость аН, сопротивление распространению трещины ар, порог хладноломкости T50 и склонность к охрупчиванию при отпуске ΔT50.
Надежность — это способность материала работать вне расчетных ситуаций (повышенные и пониженные температуры, динамические нагрузки и т.д.), причем при наличии в нем каких-то дефектов, являющихся концентраторами напряжений, которые практически неизбежны. Для конструкционного материала надежность в значительной степени можно отождествлять с сопротивлением материала развитию трещины при полностью вязком изломе (ар) или сопротивлением вязкому разрушению. Сопротивление хрупкому разрушению можно характеризовать положением порога хладноломкости, оцениваемому температурой, при которой в изломе имеется 50 % вязкой составляющей (T50).
Как видно, в рассматриваемых сталях и ударная вязкость, и сопротивление развитию трещины за счет повышения степени их чистоты возросли в два и более раза. Соответственно возрастает и надежность стали.
Весьма заметным оказалось влияние чистоты стали и на такую важную характеристику, как порог хладноломкости. В сталях, легированных только никелем, он понизился на 40°, а в сталях, легированных и никелем и молибденом, на 20-30°, причем повышение чистоты стали в большей степени влияет на эту характеристику, чем легирование молибденом.
Склонность к охрупчиванию при отпуске, сопровождающаяся смещением порога хладноломкости в область более высоких температур, также важная характеристика конструкционных сталей. Из данных, приведенных в табл. 23, следует, что повышение чистоты стали резко влияет на эту характеристику. Например, если для обычной стали 40Х2Н0,5 смещение порога хладноломкости достигает 125 °C, то у той же стали, но в высокочистом состоянии оно составляет всего лишь 25 °C.
Таким образом в рассматриваемой работе показано, что общее повышение чистоты стали, не влияя на ее прочность, т.е. на способность сопротивляться деформации при приложении нагрузки, очень существенно повышает надежность стали, которая в свою очередь во многом определяет так называемую конструктивную прочность материала или способность его работать в изделии.
Данные, полученные А.П. Гуляевым на лабораторных плавках, были подтверждены в работе при исследовании стали 30ХГСНА промышленной выплавки. Сталь выплавлялась на двух заводах (А и Б) в электропечах и на одном заводе (В) в мартеновских печах с использованием шихтовой заготовки, полученной из губчатого железа (индекс 1) и на обычном ломе (индекс 2). По содержанию основных элементов вся выплавленная сталь практически не различалась, тогда как по содержанию серы и фосфора и в особенности по содержанию цветных примесей отличие было существенным: 1,5 раза для металла завода A; 2,5-3,0 раза для металла завода Б и 4,7 раза для металла завода В (табл. 23).
Конструкционные стали

Испытания металла в низкоотпущенном состоянии (закалка в масло с 900 °C и отпуск при 230 °C) выявили лишь небольшое улучшение пластических свойств по мере повышения чистоты стали от вредных примесей при неизменности прочностных свойств. Однако в высокоотпущенном состоянии и в особенности после дополнительного охрупчивающего отпуска, опять-таки при равенстве прочности, разница в значениях относительного сужения и удлинения и в еще большей степени ударной вязкости (рис. 93) стала гораздо более заметной. Порог хладноломкости сдвигается в сторону более низких температур у более чистой стали, разницы к величине порогов хладноломкости Т40 (по наличию 40 % вязкой составляющей в изломе) для охрупченного (отпуск 520 °C в течение 24 ч) и неохрупченного состояния составили для различных заводов:
Конструкционные стали

Как видно, по мере увеличения разницы в чистоте стали сильнее проявляется эффект охрупчивания. Если для стали завода А (разница в чистоте 1,5 раза) ΔT40 были одинаковыми у опытной и обычной стали, то для стали завода В (разница в чистоте стали 4,7 раза) соответствующая разница в ΔТ40 составила 50 °C.
Таким образом, более чистая по вредным примесям, прежде всего цветным, сталь 30ХГСНА оказалась более пластичной и значительно менее склонной к обратимой отпускной хрупкости.
Конструкционные стали

С целью исследования влияния содержания примесей цветных металлов на сталь 40ХНМА в работе ее выплавляли в 100-т дуговых электропечах по одной и той же технологии с обеспечением колебаний основных элементов, а также серы и фосфора в узких пределах, но с использованием шихтовых материалов, в различной степени загрязненных цветными примесями. Три плавки провели на шихтовой заготовке, полученной из губчатого железа (вариант I), три плавки — на шихте из оборотного лома (вариант II) и три плавки - на шихте с использованием 50 % и более привозного лома (вариант III). Содержание вредных примесей и механические свойства готового проката приведены ниже:
Конструкционные стали

Из приведенных данных следует, что металл, выплавленный с использованием губчатого железа, по содержанию всех цветных примесей был чище металла, выплавленного как на оборотном, так и на привозном ломе в 2-3 раза. Напротив, между металлом вариантов II и III по этому показателю разницы особой не было. Соответственно при равенстве прочностных показателей пластические свойства более чистого металла были заметно выше, в особенности относительное сужение поперек волокна.
Разница в поведении металла была обнаружена и при испытании на ударную вязкость при пониженных температурах, а также на скручивание при повышенных температурах. Весьма интересными оказались результаты испытаний на растяжение при высоких температурах (рис. 94). Если в интервале наибольшей пластичности (1100-1200 °C) металл всех трех методов выплавки имел одинаковые свойства, то в интервале 800-1100 °C обнаружился провал пластичности у металла последних двух вариантов. Это явление авторы предположительно объясняют выпадением в указанном интервале температур фаз, содержащих цветные примеси.
Конструкционные стали

Аналогичные результаты были получены при изучении свойств стали 18Х2Н4ВА, выплавленной на шихтовой заготовке, полученной из металлизованных окатышей (вариант I), в сравнении со сталью того же химического состава и выплавленной в той же 10-т электропечи, но с использованием в качестве шихты углеродистого лома (вариант II) и легированных прокатных отходов (вариант III).
Как и в других случаях, содержание цветных примесей (%) в стали варианта I оказалось значительно меньшим (табл. 36):
Конструкционные стали

Горячая пластичность стали, оцененная по числу скручиваний до разрушения и по величине относительного сужения и удлинения при растяжении, при температурах горячей деформации (800-1250 °C) у стали, выплавленной на чистой шихте, была выше в 1,2-1,5 раза по сравнению со сталью, выплавленной на обычной шихте обоих видов.
Весьма существенной оказалась разница в величине ударной вязкости стали при всех испытанных температурах и длительностях охрупчивающе-го отпуска (см. рис. 93), показавшая гораздо меньшую склонность этой стали при выплавке ее на чистой шихте к охрупчиванию. Было установлено также, что сталь варианта I имела более низкие значения порога хладноломкости T50.
В ряде работ изучено и индивидуальное влияние примесей на свойства стали. Весьма значительно влияние сурьмы (табл. 24).
Конструкционные стали

Как видно, у хромоникелевой стали под влиянием сурьмы порог хладноломкости после охрупчивающего отпуска смещается на 695 °C, полностью вязкий излом наблюдается лишь выше 600 °C, в то время как у той же стали без сурьмы смещение порога хладноломкости (ΔТ, °С) ,составляет только 27 °C.
По данным работы, концентрация сурьмы на границах зерен в состоянии отпускной хрупкости на два порядка выше, чем в объеме зерна.
Олово и мышьяк также способствуют появлению у сталей отпускной хрупкости, однако в значительно меньшей степени, чем сурьма (см. табл. 24).
Данные, полученные при исследовании влияния олова и сурьмы на свойства стали 30ХГСА (0,35 % С, 0,9 % Mn; 1,2 % Si; 1,2 % Cr; 0,018 % P и 0,015 % S), приведены в табл. 25.
Конструкционные стали

Как видно из табл. 25, ухудшились показатели только относительного сужения под влиянием сурьмы и олова, остальные показатели механических свойств не изменились. Порог хладноломкости (T50, °С) по мере увеличения содержания сурьмы и олова повышался как в улучшенном состоянии, так и после охрупчивающего отпуска (525 °C) с одинаковой интенсивностью, что свидетельствует об отсутствии различия во влиянии этих элементов в указанной стали на склонность ее к отпускной хрупкости.
Таким образом, можно констатировать, что цветные примеси довольно существенно влияют на свойства конструкционных легированных сталей. He изменяя значения прочностных свойств, они существенно повышают склонность этих сталей к отпускной хрупкости, понижают их сопротивляемость хрупкому разрушению, уменьшают пластичность стали в вязком состоянии и технологическую пластичность при высоких температурах. Результатом применения металлизованного сырья при выплавке этих сталей явится не только уменьшение их брака по таким дефектам, как волосовины, рванины и т.д., но, что самое существенное, повышение надежности и конструктивной прочности изготовленных из них ответственных деталей и, следовательно, конструкций в целом.