25. Какие нормальные примеси и почему влияют на свойства сталей? Объясните явления красноломкости и хладноломкости стали.

Кроме основных компонентов технические железоуглеродистые сплавы содержат ряд примесей, которые оказывают значительное влияние на их свойства. Следует отметить, что небольшое количество примесей заметно не смещает линии диаграммы железо — углерод и не изменяет ее вида. Однако при введении специальных легирующих элементов для анализа структуры необходимо пользоваться тройными и более сложными диаграммами состояния.
Примеси, содержащиеся и технических железоуглеродистых сплавах, и специально вводимые добавки можно разбить на три группы: 1) случайные (или природные) примеси (Р, S и др.); 2) технологические (обычные) примеси (Si, Мn, Н, N, О); 3) легирующие элементы и модифицирующие добавки, специально вводимые в сплавы для регулирования их структуры и свойств (Сr, Ni, Аl, Сu, Ti, Mo, W, V, Co и др.
Присутствие примесей объясняется трудностью удаления при выплавке (Р, S), переходом их в сталь в процессе раскисления (Мn, Si) или из шихты — легированного металлического лома (Сr, Ni и др.).
Влияние углерода
Наиболее характерная структура стали после нагрева и медленного охлаждения (отжига) состоит из двух фаз — феррита и цементита. Количество цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Твердость цементита на порядок больше твердости феррита (НV= 8000-8500 МПа и HV=800-900 МПа, соответственно).
Частицы цементита повышают прочность, так как увеличивают сопротивление движению дислокаций, уменьшают пластичность и вязкость, что снижает способность стали деформироваться в горячем и особенно холодном состоянии. С увеличением в стали содержания углерода возрастает твердость, временное сопротивление растяжению, предел текучести, уменьшаются характеристики пластичности и ударная вязкость. Кроме того, при увеличении содержания углерода повышается верхний порог хладноломкости, расширяется температурный интервал перехода стали от вязкого к хрупкому состоянию — и в итоге изделия из такой стали становятся менее надежными в условиях службы. Хладноломкость — резкое снижение вязкости при пониженных температурах. Предполагается, что каждый 0,1%-ный С повышает температурный порог хладноломкости примерно на 20°С.
При удержании в стали углерода выше 0,8% ее твердость и временное сопротивление в отожженном состоянии возрастают, но пластичность и вязкость снижаются. Если при охлаждении от температуры выше линии SE по границам аустенитного зерна произошло выделение кристаллов вторичного цементита, образующего сплошную хрупкую сетку, то в такой стали при испытании на растяжение будут возникать большие напряжения вследствие неоднородности развития деформации и хрупкости цементитных выделений. В условиях испытания на растяжение происходит хрупкое разрушение образца, что приводит к снижению временного сопротивления и свойств пластичности. Кроме того, сталь с подобной структурой характеризуется низкой ударной вязкостью, а также повышенным порогом хладноломкости.
Влияние углерода еще сильнее проявляется в стали с неравновесной структурой, например, при закалке и отпуске.
Влияние примесей
Кремний обычно вводят в сталь в количестве 0,1—0,4% как активный раскислитель и часть его остается в -твердом растворе — в феррите. Кремний дегазифицирует металл, повышая его плотность, оказывает сильное упрочняющее действие, особенно при пластической деформации. Это снижает способность стали к вытяжке и высадке при холодной штамповке. В зависимости от содержания кремния углеродистые стали разделяются на кипящие (Si 0,05%), спокойные (0,15—0,35%Si) и полуспокойные, занимающие промежуточное положение между ними.
Марганец обязательно вводят в сталь для раскисления и устранения вредного влияния серы. В углеродистых сталях содержание марганца в зависимости от содержания углерода находится в пределах 0,3—0,8%. Марганец в значительном количестве может быть в твердом растворе на основе — или — Fе.
Сера — вредная примесь, вызывающая хрупкость при горячей обработке давлением — красноломкость стали, которая связана с присутствием сульфидов (FeS), образующих с железом легкоплавкую эвтектику (температура плавления 988°С), располагающуюся преимущественно по границам зерен (рис.). При горячей деформации эта эвтектика по границам зерен оплавляется и сталь хрупко разрушается. Это явление и носит название красноломкости. Марганец связывает серу в сульфиды MnS, которые исключают возможность образования указанной эвтектики. Однако сульфиды MnS, как и другие неметаллические включения (оксиды, нитриды и т.п.), служат концентраторами напряжений и, локализуя развитие пластической деформации, снижают пластичность и сопротивление разрушению стали. Сернистые включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость, поэтому содержание серы в стали строго ограничивается: в обычных сталях оно не должно превышать 0,04%. Чем меньше содержание серы, тем выше свойства стали. Имеются стали, в которых содержание серы не превышает 0,001 — 0,003%. Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием в так называемых автоматных сталях, но их механические свойства весьма низкие.
Фосфор является вредной примесью, его содержание в обычных сталях допускается не более 0,04 % (рис.). Растворяясь в феррите, фосфор искажает кристаллическую решетку, упрочняя его, но при этом снижается пластичность и вязкость, причем тем сильнее, чем больше в стали углерода. Сильное охрупчивающее действие фосфора выражается в значительном повышении температуры порога хладноломкости. Вредное влияние фосфора усугубляется тем, что он обладает большой склонностью к ликвации, которая выражается в обогащении им срединных слоев слитков, и особенно границ зерен; тем самым резко снижается их вязкость и сопротивление разрушению.

Следует отметить, что современные методы выплавки не обеспечивают полного очищения металла от фосфора, хотя и уменьшают его содержание до 10%.
Кислород, азот и водород— вредные примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. Азот и кислород растворяются в феррите в очень малом количестве и образуют хрупкие неметаллические включения (оксиды, нитриды). Кислородные включения вызывают красно- и хладноломкость, снижают прочность. Наличие повышенного количества азота вызывает хрупкость и эффект деформационного старения. Атомы азота в холоднодеформированной стали скапливаются на дислокациях и образуют атмосферы Коттрелла, которые блокируют дислокации. При этом сталь, содержащая азот, упрочняется, но становится малопластичной. Особенно нежелательно старение для листовой стали (<0,1%С), подвергаемой холодной штамповке, поскольку оно приводит к разрыву или образованию на поверхности полос скольжения. Особенно вредным для стали является водород, когда он находится в твердом растворе, скапливаясь на дислокациях и у других дефектов, что приводит к сильному охрупчиванию стали. Хрупкость от присутствия водорода проявляется тем сильнее, чем выше прочность материала. Наиболее сильное охрупчивание наблюдается в закаленных сталях с мартенситной структурой в условиях испытания при медленном нагружении. Поглощенный при выплавке стали водород охрупчивает ее, приводя к образованию дефектов, называемых флокенами, особенно в крупных поковках или прокате больших сечений из хромоникелевых и других высоколегированных сталей. Выплавка или разливка в вакууме значительно уменьшает содержание водорода и других газов в стали. Флокены представляют собой тонкие трещины, образующиеся в результате высоких давлений, которые развивает водород, выделяющийся при охлаждении из твердого раствора из-за снижения его растворимости и уменьшения поверхностной энергии в районе зародышевых трещин, что облегчает их рост. Флокены имеют в изломе стальных поковок или проката вид пятен серебристого цвета, а на поперечных макрошлифах — мелкие трещины. Флокены резко ухудшают свойства стали; для предупреждения их образования сталь после горячей деформации медленно и ступенчато охлаждают. Сначала поковки выдерживают при 650°С для того, чтобы атомы водорода из твердого раствора сконцентрировались у границ пор, а далее при выдержке в районе 350—250°С эти атомы водорода «уходят» от границ пор в сами поры, образуя молекулы водорода.
Наводороживание стали возможно не только в процессе выплавки, но и при травлении в кислотах, нанесении гальванических покрытий, при работе в водородсодержащих газовых средах и это повышает хрупкость. При сварке водород выделяется из обмазок, способствует образованию холодных трещин в наплавленном и основном металле.
Случайные примеси попадают в сталь из вторичного сырья, из руд различных месторождений. Сталь, выплавленная из уральских руд, содержит медь; из керченских — мышьяк. Из скрапа в сталь попадают также сурьма, олово и ряд других цветных металлов. В большинстве случаев эти случайные примеси охрупчивают сталь. Примеси третьей группы, такие, как алюминий, широко используют для более полного раскисления стали с целью удаления кислорода. Кроме того, алюминий, как и модификаторы, а также примеси, образующие нерастворимые включения (нитриды, оксиды), способствуют образованию зародышей кристаллизации и получению мелкозернистого строения, которое сохраняется в процессе последующей деформации и термической обработки.

55. Опишите превращения, происходящие при отпуске углеродистой стали, закаленной на мартенсит. В чем практическое значение отпуска? Приведите примеры.

Процесс нагрева закаленной стали, при котором распадаются мартенсит и остаточный аустенит и укрупняются карбиды, называется отпуском. Температуры отпуска лежат ниже точки Ас1 (723°С).
Существует условное деление превращений отпуска на первое, второе и третье превращения. такое деление основано на объемных эффектах, имеющих место при разных условиях. Среди всех структурных составляющих стали, получающихся при закалке и отпуске, мартенсит обладает наибольшим удельным объемом, а аустенит — наименьшим. Поэтому распад мартенсита на феррит и цементит вызывает сжатие стали, а распад аустенита — ее расширение. Это позволяет судить о том, распад какого из этих растворов преобладает при той или иной температуре отпуска.
Температура этих трех превращений зависит от скорости нагрева. При ускорении нагрева температура повышается. Если скорость невелика (порядка 0,1 град/сек), то первое превращение идет при 100—150°С, второе — при 250—300°С и третье — при 300—400°С. При первом и третьем превращениях наблюдается уменьшение, а при втором — увеличение удельного объема стали.
Первое превращение при отпуске состоит в том, что из мартенсита углеродистой стали выделяется углерод в виде карбида железа, и уже через 2 ч в растворе остается не более 0,3% С. Тетрагональность решетки мартенсита при этом уменьшается. Такая структура называется мартенситом отпуска. Мартенсит отпуска, получившийся при 100—150°С, неоднороден по составу. Отпуск при 150—300°С приводит к дальнейшему распаду мартенсита и в результате к уменьшению тетрагональности решетки и увеличению ее однородности. После отпуска при 300°С в течение 1 ч в мартенсите эвтектоидной стали остается еще около 0,1% С. Характерным для распада мартенсита является быстрое обеднение его углеродом в первые часы отпуска и затем очень медленное изменение содержания углерода с течением времени ( REF _Ref402934523 * MERGEFORMAT Рис. 2).
100965-33337500Первое превращение при отпуске, в основном заканчивающееся при 100—150°С распространяется также на интервал более высоких температур (150—300°С), при которых идет уже распад мартенсита отпуска, а не мартенсита закалки. Мартенсит отпуска меньше пересыщен углеродом и значительно стабильнее мартенсита закалки. Если в стали мало углерода и, следовательно, тетрагональность мартенсита закалки сравнительно невелика, то первое превращение начинается не при 100°С, а при более высокой температуре Так, при 0,3%С распад мартенсита закалки становится заметным выше 150оС, при 0,2% — выше 200оС. Это показано на REF _Ref402934717 * MERGEFORMAT Рис. 3, из которого видно, что переход от пологого спуска кривой к крутому лежит при тем более высокой температуре отпуска, чем меньше углерода растворено в мартенсите закалки.
-6096010096500О характере карбидов, выделяющихся при отпуске ниже 200°С нет надежных данных из-за больших экспериментальных трудностей, возникающих при исследовании очень мелких частиц. При отпуске выше 300°С выделяется цементит обычного состава Fе3С. В интервале от 200 до 300°С — метастабильный карбид железа Fex — С, имеющий гексагональную решетку. Предполагают, что его состав выражается формулой Fe2C. В образцах, отпущенных при 200—300°С, наблюдается также Fe3C. Возможно, Fe3C выделяется при этих температурах непосредственно из мартенсита, а, может быть, идет превращение FexC Fe3C. Выделяющиеся при отпуске до 350°С карбиды имеют форму пластинок, толщина которых в 2,5—3 раза меньше, чем ширина и длина. По-видимому, пластинки карбидов когерентно связаны с мартенситом, из которого они выделяются. После отпуска при 300—350°С рентгенографически наблюдается только цементит (Fe3C). Кристаллогеометрически он ориентирован определенным образом по мартенситу, из которого выделился, а следовательно, и по остаточному аустениту. Ориентировка такова:

{103}Ц ll {110}М ll {111}А и
<010>Ц ll <111>М ll <110>А.

Из приведенных в литературе данных следует, что имеется определенная ориентировка гексагонального карбида Fe2C по мартенситу.
Второе превращение при отпуске— это распад остаточного аустенита. При его малых количествах второе превращение дилатометрически (по увеличению длины образца) можно не заметить. Это превращение (при отпуске 250—300°С) идет одновременно с распадом мартенсита, причем остаточный аустенит распадается, выделяя карбиды, и превращается в мартенсит с той же тетрагональностью, т.е. с тем же содержанием углерода в растворе, что и мартенсит отпуска, получившийся при тех же условиях отпуска из мартенсита закалки. Все изложенное выше о мартенсите отпуска вполне относится к этой структуре, получившейся при втором превращении.
При большом количестве остаточного аустенита его превращение в мартенсит отпуска приводит к повышению твердости, в то время как превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска уменьшает твердость незначительно при отпуске на 100—150°С и очень сильно при более высоких температурах.
При третьем превращении (отпуск при 300—400°С) дилатометрически обнаруживается большое сокращение длины в результате уменьшения удельного объема стали; наблюдаются также заметные изменения других свойств. Их трудно приписать каким-либо фазовым превращениям, так как при достаточно продолжительном отпуске на 300°С в углеродистой стали уже образуются феррит и цементит. Предполагают, что при 300—400°С еще продолжается превращение карбида FexC в цементит, приводящее к изменению плотности и других свойств. Более обоснованы предположения о релаксации напряжений (нечто вроде отдыха после наклепа, возникшего при превращении А—> М) и залечивании микропор, возникающих в результате закалки и первого превращения при отпуске.
Во время отпуска при 400°С карбидные кристаллики укрупняются (коалесценция), одновременно меняется их форма — осуществляется переход от пластинчатой формы к шаровидной (сфероидизация). Скорость коалесценции при отпуске зависит от скорости диффузии углерода и растет с температурой. В углеродистой стали она достаточно велика при 400°С. При более низкой температуре отпуска коалесценция идет очень медленно. При температуре выше 400°С коалесценция и сфероидизация быстро усиливаются, и энергия поверхностей раздела значительно уменьшается. В изотермических условиях коалесценция замедляется с ростом кристаллов цементита.
Механические свойства при отпуске стали значительно изменяются. Общей тенденцией является понижение прочности и увеличение пластичности по сравнению со значениями этих свойств в закаленной стали. Однако после закалки и отпуска сочетание прочности и пластичности более благоприятно, чем после одной термической обработки типа нормализации. Поэтому двойная обработка (закалка + отпуск) широко распространена в практике термической обработки стали. Она называется улучшением.

85. По диаграмме состояний «железо–цементит» опишите, какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода (0,7%С). Охарактеризуйте этот сплав и определите для него при

25 Какие нормальные примеси и почему влияют на свойства сталей