|
Из всех элементов, вводимых в
сталь для достижения после упрочняющей термической обработки определенного
комплекса физических, механических, технологических, эксплуатационных и
других характеристик, углерод является главным компонентом,
определяющим закаливаемость, т. е. способность стали
приобретать максимальную твердость при закалке.
Однако, повышение прочности мартенсита с ростом в стали
содержания углерода достигается ценой снижения пластичности и особенно
ударной вязкости.
Если при образовании твердых растворов внедрения атомы
углерода в феррите (а-фазе) и аустените (у-фазе) характеризуются
неупорядоченным, статистически равновероятным расположением в октаэдрических
междоузлиях по всем возможным осям и плоскостям кристалла, то, как было
показано прямым нейгроннографическим методом в решетке мартенсита они
располагаются уже упорядочеппо, в основном (на 80%) только в октаэдрических
междоузлиях с координами железа, параллельных оси тетрагональных и по
плоскостям, перпендикулярным оси тетрагональности.
Такое расположение атомов углерода в мартенсите
(пересыщенном твердом растворе углерода в а-железе) приводит к деформации
решетки а-железа: увеличению периода «с» и уменьшению периода «а»
В результате этого тетрагоналыюсть решетки мартенсита
(отношение осей с/а) практически линейно возрастает с ростом содержания
углерода в стали (Г. В. Курдюмов).
Исследования интенсивности рентгеновских отражений при +20
и — 196°С на закаленных сталях с 0,35 до 0,45% С (В. А.
Ильина, В. К. Криц- кая) показали, что углерод в кристалле мартенсита
вызывает не только большие статические и динамические искажения, но и ведет к
ослаблению межатомных связей. Это обнаруживается по возрастанию
среднеквадратичных отклонений тепловых колебаний атомов железа в узлах
решетки (увеличивается параметр Уй^У, снижению характеристической температуры
В и уменьшению модуля Юнга.
Единого мнения об оптимальном содержании углерода
применительно к термически упрочненному сортовому, листовому и фасонному
прокату не имеется. Это в существенной степени связана с различием в
требованиях к конечной продукции, а также обусловлено -особенностями
технологии производства, переработки и областями практического использования
термически упрочненного проката.
Н. Ф. Легсйда, Н. Ф. Тюрин, В. С. Носов, а также П. И.
Соколовский пришли к выводу, что наилучшее сочетание прочности» пластичности
и ударной вязкости при термическом упрочнении толстолистовой кипящей стали и
фасонного проката достигается при содержании углерода 0,12—0,18%. При
термическом упрочнении углового профиля 45X45X4 мм с полным охлаждением
рекомендуется иметь содержание углерода в стали не выше 0,11 % в то
время как при термоупрочнении такого же профиля с отдельного и прокатного
нагрева с последующим отпуском по мнению В. Т. Худика содержание углерода
должно находиться в пределах 0,25—0,30%.
Однако, при содержании 0,3% С, например, в арматурной
стали, термически упрочненной в потоке прокатки, как уже упоминалось,
вследствие крутого спада ее прочностных характеристик ^"интервале
температур отпуска (самоотпуска) 300—550°С наблюдается большой разброс
свойств по длине прутков.
Термически упрочненная арматура с 0,3% С и выше отличается
также большим разбросом пластических свойств низкими значениями равномерного
удлинения и высокой склонностью к коррозии под напряжением
Кроме того, вследствие положительной осевой ликвации
углерода в заготовках квадрат 80 мм, прокатанных из головной части слитков
массой 8—12,5 т, фактическое содержание этого элемента в центральных зонах
арматурных стержней может значительно- (до 60%) превышать среднеплавочнос.
Поэтому при содержании углерода, например, 0,3% С это может уже вызывать
опасность- возникновения закалочных трещин при термическом упрочнении, в
потоке стана, а в случае несквозной мартенситной прокаливае- мости арматуры
крупных диаметров приводить к образованию в. центральных зонах прутков
структуры высокоуглеродистого верхнего бейнита, обладающего повышенной
хрупкостью
Нами при разработке оптимального состава стали для
массового изготовления термически упрочненной арматуры с прокатного» нагрева
за основу была принята низкоуглеродистая сталь с содержанием углерода в
диапазоне 0,16—0,22%.
Выбор такового уровня содержания углерода позволяет:
— осуществлять
технологический процесс термического упрочнения с прокатного нагрева по
способу прерванной закалки с получением структуры высокопрочного, но
достаточно пластичного частично самоотпущенного уже во время охлаждения
мартенсита: без необходимости проведения специального отпуска
термоупрочненной стали;
— получить в
сочетании с соответствующим низким легированием достаточно широкий интервал
температур отпуска (самоотпуска), в пределах которого наблюдалось бы
замедленное разупрочнение закаленной стали — важное условие для обеспечения
стабильности технологического процесса термоупрочнения арматуры с прокатного
нагрева па заданный класс прочности в условиях колебания температур самоотпуска
по длине 80 м прутка;
— полностью
исключить опасность трещинообразования даже при полной закалке и ограничить
максимальное значение предела прочности стали при этом величинами порядка
1400—1500 МПа;
— достигнуть
после термического упрочнения с прокатного нагрева достаточно высокой
конструктивной прочности арматурной «стали, в частности, ее сопротивляемости
хрупкому разрушению.
Не менее важную роль в определении химического состава
материала для массового производства термоупрочненной арматуры с прокатного
нагрева играет выбор эффективного легирования и -микролегирования.
Наиболее широкое распространение в связи с относительной
доступностью и дешевизной в отечественной и зарубежной металлургии получили
марганец и кремний, вводимые в сталь в качестве раскислителей и легирующих
элементов.
Особенно ценным преимуществом марганца является его
способность весьма активно повышать прокаливаемость стали, поскольку он
интенсивно уменьшает скорость превращения аустенита при охлаждении как в
перлитном, так и в промежуточном интервалах (Э. Бейн, Э. Гудремон). Если
расположить легирующие элементы по снижению их влияния на прокаливаемость в
ряд: В, Be, Мп, Mo, W, Сг, Ti, Zr, Nb, V, Ni, Si, Cu можно увидеть, что по
эффективности влияния марганец занимает третье место после бериллия и первое
— среди переходных металлов IV— VI групп периодической системы элементов
Менделеева, характеризующихся наличием недостроенной d-электронной внешней
оболочки атомов, и наиболее широко применяемых при легировании •сталей и сплавов.
Тем не менее, по влиянию марганца на свойства железа и стали различного
химического состава и структурного •состояния единого мнения нет. Имеются
данные как о положительном, так и нейтральном или даже отрицательном влиянии
марганца, как легирующего элемента, на свойства железа и стали. В работах,
положительно оценивающих присутствие марганца в, сплавах на основе железа,
имеются сведения, что при повышении содержания марганца до 2% наблюдается
улучшение ударной вязкости и снижение критической температуры хрупкости
высокочистого (0,001—0,005% С) железа вакуумной выплавки и низкоуглеродистой
стали в горячекатаном или нормализованном состояниях, уменьшение склонности к
образованию микротрещин в колониях перлита в условиях растяжения при низких
(—123°С) температурах . Марганец упрочняет феррит, повышает коррозионную
стойкость стали в атмосферных условиях.
В отличие от вышеприведенных данных, W. Е. Rees, В. Е.
Hopkins, Н. R. Tipler установили, что повышение содержания марганца до 2% не
влияет ни на ударную вязкость, ни на Гкр высокочистого (0,002% С)
нормализованного (950°С) железа. Однако, если .концентрация углерода в сплаве
возрастает до уровня его содержания в техническом железе (0,05%), то введение
2% марганца резко снижает Г1ф сплава: с +80 до — 60 °С, т. е. на 140 °С.
Вместе с тем, на стали с 0,35% С в закаленном и высокоотпущеи- ном (560 С)
состоянии наблюдали значительное снижение пластичности с ростом содержания
марганца до 3%.
Отмечается снижение под влиянием марганца хрупкой
прочности закаленных стальных образцов при наводороживании, которые хрупко
разрушались даже при отсутствии внешней нагрузки (Я. М. Потак).
Просматривается тенденция, что с повышением содержания углерода' в стали,
находящейся как в упрочненном, так и в неунрочненном состояниях,
охрупчивающее влияние марганца усиливается. Итак, характер влияния марганца
на сочетание прочности, пластичности и сопротивляемости хрупкому разрушению
железа и стали сложный, меняется в зависимости от содержания в сплаве
углерода, других элементов и структурного состояния стали.
У второго важного компонента железных сплавов — кремния —»
помимо способности активно раскислять сталь за счет легкости передачи им
валентных электронов с внешней оболочки 3s23p2 атомам кислорода, имеющим
внешнюю элекронную оболочку 2s22p4 с достижением ими в результате этого
устойчивых электронных конфигураций 2s22p6, имеется весьма полезное для
решения поставленных задач свойство: способность повышать стойкость
мартенсита против отпуска (Г. В. Курдюмов, В. С. Мескии, Р. И. Энтин).
Кремний, как и марганец, оказывает сложное и неоднозначное
влияние на прочность, пластичность и ударную вязкость железа и стали. Это
влияние изменяется в зависимости от содержания самого кремния, других
легирующих элементов в стали и характера ее термической обработки.
Большинство исследователей высказывают единодушное мнение,
что кремний при его содержании до 1,5—2%, как и марганец, оказывает
упрочняющее действие на железо и сталь, практически не ухудшая пластичности
при этом Однако, оценки влияния кремния на ударную вязкость и
сопротивляемость хрупкому разрушению железа и стали значительно более
противоречивы. А. П. Гуляев показал, что в чистом (0,002% С) железе вакуумной
выплавки введение до 1% Si существенно снижает Гкр и лишь при дальнейшем
возрастании его концентрации в сплаве наблюдается повышение этой температуры,
хотя и при 2% Si железо оказывается еще менее склонным к хрупкости, чем в его
отсутствии. Этот положительный эффект автор связывает с вышеупомянутым
раскисляющим действием кремния в стали.
М. П. Браун считает, что кремний, особенно в компексе с
марганцем и хромом, обеспечивает значительное упрочнение при сохранении
высокой пластичности и вязкости, если содержание углерода не выше 0,25% . В
работе на стали с 0,35% С в закаленном и высокоотпущенном состоянии
обнаружили, что в отличие от марганца, при повышении содержания кремния до
2,5% пластичность непрерывно улучшается, а по мнению М. Л. Берн- штейна
присутствие кремния в высокопрочных термоупроч- ненных сталях, в связи с
благоприятным влиянием его на субструктуру мартенсита, следует считать
обязательным.
Имеются сведения, что кремний (до 2%) снижает тетрагональ-
ность решетки исходного мартенсита и уменьшает склонность к образованию
закалочных трещин, поскольку уменьшает деформацию образца при закалке.
Вместе с тем, имеются и другие оценки влияния кремния на
свойства железа и стали. Так, по данным повышение содержания кремния до 0,6%
не влияет на ударную вязкость технического (0,05% С) литого железа, но при
дальнейшем росте его концентрации она резко снижается. Л. И. Гладштейн и Д.
А. Лит- виненко отмечают повышение Т1<р в нормализованной строительной
стали с 1,46% Si. Указывается (К. Taffner, К. Meyer), что при содержании
свыше 0,5% кремний оказывает отрицательное влияние на Гкр горячекатаной
строительной стали, а в пришли к заключению, что уже при содержании
свыше 0,37% кремний оказывает вредное влияние на работу распространения
трещин в нормализованных и улучшенных сталях с 0,15—0,20% С. На повышение
энергии активации микродеформации а-железа под влиянием кремния и возрастание
в связи с этим 7кр указывает В. И. Саррак.
Приведенный анализ результатов исследований различных
авторов свидетельствует о том, что влияние марганца и кремния на соотношение прочности,
пластичности < и склонности железа и стали к хрупкому разрушению
неоднозначно. Оно находится в сложной зависимости от содержания углерода,
других элементов в стали, технологии ее производства и термической обработки.
Поэтому по справочным данным выбрать оптимальное содержание этих элементов
применительно к термически упрочняемой с прокатного нагрева арматурной стали
массового назначения не представляется возможным.
Потребовалось проведение систематических исследований в
этом направлении, особенно имея в виду специфичность конечного
продукта—высокопрочную арматурную сталь периодического профиля, имеющую
активно действующие концентраторы напряжений
(систему поперечных и продольных ребер жесткости) и
испытывающую сложное воздействие внешних и внутренних сил при работе в
преднапряженном бетоне.
При разработке коррозионностойких и свариваемых термо-
упрочненных арматурных сталей особое внимание в данной книге уделено оценке
влияния хрома и алюминия.
|