так как усталостная трещина, зародившаяся иа крупном дефекте, дви-1 гается в глубь металла широким фронтом. ]

Концентрация напряжений при упругой деформации зависит от] упругих свойств самих неметаллических включений. Чем больше их мо-; дуль упругости, тем выше напряжения около них. Поэтому наибольшее \ напряжения создаются около прочных недеформируемых включений ти- < па АЬОз и SiOi- Острые ребра жестких включений также будут усиливать концентрацию около них остаточных напряжений.

Пластичные силикаты и сульфиды в горячекатаной стали усиливают ферритную полосчатость (рис. 8). Такое действие силикатов обусловлено тем, что нити этих неметаллических включений, образовавшихся при кристаллизации жидкой стали, обогащают прилегающий металл шириной до 10 мкм кремнием благодаря диффузии его в металл при высоких температурах, вследствие чего повышается термодинамическая активность углерода и он вытесняется из этого слоя, облегчая образование в нем феррита. В случае возникновения в деформированной стали строчек сульфида марганца в результате выделения его на твердого раствЬра прилегающие к ним участки металла соединяются марганцем, устойчивость переохлажденного аустенита в нем понижается и прн охлаждении в них образуется избыточный феррит. Нормализация стали, практически не изменяет ферритную полосчатость, обусловленную силикатами, и уменьшает полосчатость, причиной которой являются сульфиды.

Некоторые неметаллические включения могут существенно влиять на рост зерна аустеннта, устойчивость переохлажденного аустенита при у->а-превращеннн.

Следует отметить, что повышение конструктивной прочности сталь, ных изделий не всегда коррелирует с уменьшением числа и размера неметаллических включений в стали. Имеются исследования, в которых показана положительная роль неметаллических включений определенного состава н морфологнн в достижении заданного комплекса механических, технологических и эксплуатационных свойств ряда сталей н изделий из них.

В настоящее время в металлургии широко используют различные технологические процессы н способы производства стали, в результате которых достигается существенное уменьшение загрязненности металла неметаллическими включениями, и становится возможным регулирование нх состава, размера и характера распределения. К таким процессам и способам относятся: рафинирующие переплавы (электрошлаковый, вакуумно-дуговой), вакуумная индукционная плавка, внепечная обра-, ботка стали синтетическими шлаками, вакуумнрование в ковше и др.

/Q 15 0,40 %). Введение марганца как технологической добавки в таких количествах необходимо для перевода серы из сульфида железа в сульфид марганца. Кремний в хорошо раскисленных (спокойных) сталях обычно содержится в пределах 0,17-0,371%. В неполной мере раскисленных низкоуглеродистых (0,2 % С) сталях его содержится меньше: в полуспокойных 0,05-0,017 %, в кипящих <:0,07 %. В нержавеющих и жаропрочных, нелегированных кремнием сталях его может содержаться до 0,8 %.

Случайными примесями в стали могут быть практически любые элементы, случайно попавшие в сталь из скрапа, природно-легированной руды или раскислителей. Чаще всего это Сг, Ni, Си, Мо, W, А1, Ti и др. в количествах, ограниченных для примесей.

Скрытыми примесями в стали являются сера, фосфор, мышьяк и газы водород, азот и кислород. Однако в последнее время азот, серу, фосфор иногда используют в качестве легирующих добавок для обеспечения ряда особых свойств сталей. N

По марочному химическому составу стали можно определить, какие элементы являются легирующими добавками, а какие - примесями. Если в марочном химическом составе стали устанавливают нижний (не менее) и верхний (не более) пределы содержания в стали данного элемента, то он будет легирующим. Как правило, для примесей устанавливается только верхний предел содержания. Исключение составляют лишь Марганец и кремний, количество которых регламентируется нижним и верхним пределом как для примесей, так и для легирующих добавок.

Вредные примеси: сера, фосфор и газы присутствуют практически во всех сталях и в зависимости от типа стали они могут оказывать на свойства различное влияние. Рассмотрим их роль в стали.

2. Примеси в стали

Согласно классификации Н. Т. Гудцова, примеси в стали подразделяют на постоянные (обыкновенные), случайные некрытые (вредные).

Постоянными примесями в стали являются марганец и кремний, которые как примеси имеются практически во всех промышленных сталях. Содержание марганца в конструкционных сталях обычно находится в пределах 0,3-0,8 % (если марганец не является легирующим элементом), в инструментальных сталях его содержание несколько меньше

Сера

При комнатной температуре растворимость серы в -железе практически отсутствует. Поэтому вся сера в стали связана в сульфиды железа и марганца и частично в сульфиды легирующих элементов. С повышением температуры сера растворяется в а- и 7-железе, хотя и незначительно, но ДО вполне определенных концентраций (0,02 % в а-железе при 913°С и 0,05 % S в 7-;железе при 1365°С). 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] (988°С), наблюдается красноломкость стали. При j более высоких температурах горячей пластической деформации возможна горячеломкость стали, обусловленная расплавлением находящегося по границам первичных зерен аустенита, собственно сульфида железа (1188°С). Введение в сталь марганца в отношении Mn:S>8-10 приводит практически к полному связыванию серы в туго-

О.вО -

0,10 -

О 0,05 0,Ю 0,75

Рис. 9. Зависимость ударной Рис. 10. Зависимость ударной вязкости KCV

вязкости нормализованной ста- (а) и температуры перехода Г (б) стали

ли типа 45 от содержания в 08Г2МБ от содержания серы (Е. Н. Жукова)

ней серы (В. Кнорр) о.МПа:

/ - 570-600; 2 - 640-680

плавкий сульфид марганца MnS (пл 1620°С) 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 j прочностные свойства, но существенно изменяет вязкость стали и ее анизотропию в направлениях поперек и вдоль прокатки. Особенно сильно анизотропия выражена при высоких содержаниях серы (рис. 9). Ударная вязкость на образцах, вырезанных поперек направления прокатки (рис. 9,6), а именно такие образцы испытывают при контроле свойств по ГОСТам, уменьшается с увеличением содержания серы, тогда как в продольном направлении (рис. 9, а) с увеличением серы наблюдается тенденция к повышению ударной вязкости. Указанное явление связано с усилением полосчатости феррито-перлитной структуры вследствие вы-тянутости сульфидов в строчки вдоль прокатки.

На низкоуглеродистых феррито-перлитных сталях обнаружено явление, получившее название сульфидного 26

эффекта или сульфидного парадокса (рис. 10). Оно объясняется тем, что повышение содержания серы снижает ударную вязкость на поперечных образцах с острым надрезом (KCV), т.е. сопротивление стали вязкому разрушению (рис. 10,а). Увеличение прочности стали приводит к более существенному влиянию серы на снижение вязкости. Наиболее интенсивно понижается сопротивление вязкому разрушению при содержаниях серы до 0,010%. В то же время влияние серы на температуру перехода из вязкого в хрупкое состояние, определяемое по наличию 50 % вязкой составляющей в изломе ударных образцов-Tso, т.е. на сопротивление стали хрупкому разрушению, имеет экстремальный характер. Как показывают данные, представленные на рис. 10,6, наиболее склонна к хрупкому разрушению сталь при концентрации серы /~0,010%. При меньших и больших концентрациях серы температура перехода Тъо понижается. Экстремальное содержание серы в различных сталях может быть разным. Таким образом, сульфидный эффект заключается в повышении сопротивления стали хрупкому разрушению при одновременном уменьшении сопротивления вязкому разрушению с увеличением содержания серы выше определенного предела. Можно полагать, что сульфидный эффект обусловлен различным взаимодействием движущейся трещины с сульфидами в зависимости от вязкости матрицы.

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

Фосфор

Растворимость фосфора в а- и 7-железе значительно выше, чем содержание фосфора в стали, как примеси. Поэтому фосфор в стали целиком находится в твердом растворе, и его влияние на свойства сказывается посредством изменения свойств феррцта и аустенита. Вредное действие фосфора на свойства может усугубляться из-за сильной склонности его к ликвации (степень ликвации достигает 2--3).

Действие фосфора на свойства феррита проявляется в его упрочняющем влиянии и особенно в усилении хладноломкости стали, т.е. повышении температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние (рис. 11). \

Фосфор относится к сильным упрочнителям (см. гл. IV, п. 4). Несмотря на то что содержание его в стали обычно

не превышает 0,030-0,040 %, он увеличивает предел теку-1 чести феррита на 20-30 МПа. В то же время увеличение! содержания фосфора в пределах сотых долей процента мо- жет вызывать повышение порога хладноломкости на не-

0.02 0J0 0,78 -700 О 100 tnc ,°C (по массе)

Рис. и. Влияние фосфора на и а (М. С. Михалев, М. И. Гольдштейи)

??али(02\с \\ mS низкоуглеродистой феррнто-перлнтной

сколько десятков градусов (~20-25°С на 0,01 % Р) благодаря сильному уменьшению работы распространения трещины.

В конструкционных улучшаемых сталях фосфор ответственен за проявление обратимой отпускной хрупкости (см.

гл. IX, п. 6). В этом случае влияние его на порог хладноломкости особенно сильно (0,010 % Р повышает температуру перехода на ~-40°С).

Аналогично фосфор влияет на порог хладноломкости аус-тенитных марганцовистых сталей, при этом его вредное влияние проявляется менее, резко (рис. 12). Влияние фосфора в допустимых пределах на механические и жаропрочные свойства хромоникелевых аустенит-ных нержавеющих и жаропрочных сталей заметно не проявляется.

В сталях, выплавленных на базе керченских руд, содержится мышьяк. Его влияние на свойства стали аналогично фосфору, но вредное действие мышьяка значительно слабее, чем фосфора. Поэтому в качественной стали такого производства допускается до 0,08 % As.

0,02 0,04 0,05

Р, % (ПО пассе)

Рис. 12. Влияние фосфора на порог хладноломкости Гя аусте-нитной марганцовистой стали . 110Г13 (А. П. Гуляев):

1 - литая; 2 - кованая

Гс0Ы в стали

R -талях в определенных количествах обычно присутствуют водород, гпооод азот. Содержание нх в сталях зависит прежде всего от спо-гоба выплавки. Примерное содержание, %, газов в стали прн разных способах выплавки по данным А. П. Гуляева:

Электропечной

Водород . Кислород Азот .

0,0004-0,0006 0,002-0,004 0.007-0,010

Мартеновский основной

0,0003-0,0007 0,005-0,008 0,004-0,006

Кислородно-конверторный

0,0001-0.0008 0,005-0,003 0,002-0.005

Водород может входить в состав твердого раствора стали и выделяться в газообразном состоянии, скапливаясь в порах металла, при этом в стали образуются флокены. Кислород обычно связан в неметаллические включения. Азот 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 прн связывании его в прочные нитриды A1N, VN, NbN или карбонитриды V(C, N), Nb(C, N) н др., что используется в сталях с карбоннтридным упрочнением. Кроме того, азот широко используется в качестве аустеннтообразующего элемента в коррозионностойких и жаропрочных сталях.

В заключение необходимо отметить, что борьбу с вредными примесями в стали в основном проводят прн выплавке стали. Уменьшение содержания вредных примесей в стали требует зачастую немалых затрат для осуществления определенных технологических приемов и применения специальных методов выплавки.

Глава III

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА

И ПРИМЕНЕНИЯ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

В 1975 г. наша страна вышла на первое место в мире по объему производства стали. В настоящее время в СССР производится и применяется более 1000 марок легированных сталей, при этом около 80 % всей производимой в СССР стали расходуется на производственно-эксплуатационные нужды и 20% на капитальное строительство. Главным потребителем металла является машиностроение и металлообработка (40%). Среди машиностроительных министерств крупнбйшими потребителями готового проката являются тракторное и сельскохозяйственное машиностроение (~26% от всего потребления в машиностроении), автомобильная промышленность (~22%), тяжелое и транспортное машиностроение (18%). Значительно меньшую