X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Вопрос повсеместного использования легированной стали играет огромную роль в народном хозяйстве. После проведения множества экспериментов было установлено, что с помощью легирования возможно получить сталь высокого качества и соответствующей прочности. Но поскольку проблема снижения хрупкости легированной стали остаётся открытой, особый интерес представляет изучение влияния легирующих добавок на склонности стали к охрупчиванию.

Легированная сталь представляет собой железоуглеродистый сплав, содержащий ряд примесей, которые вводятся для повышения прочности, износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности и т.д. Делится в зависимости от количества легирующих добавок на низколегированную (до 5% добавок), легированную (от 5 до 10%) и высоколегированную (более 10%). Мы рассмотрим высоколегированную сталь, поскольку она является практически незаменимым материалом и широко используется в нефтяной индустрии, химической промышленности, машиностроении, а также в условиях агрессивных сред.

Важным аспектом в области легирования стали является выяснение её склонности к хрупкому разрушению: из-за низких температур, после отпуска, надреза, вызывающего напряжения, или перегрева. Чтобы обеспечить рациональность легирования стали, вполне логично использовать её термообработку для повышения прочностных характеристик.

Практически у всех легированных сталей, медленно охлажденных после высокого отпуска, происходит резкое снижение ударной вязкости. Это явление названо отпускной хрупкостью.

Различают два вида отпускной хрупкости:

1) Отпускная хрупкость I рода появляется при температуре 250-350°С у любых сталей. Поэтому такую хрупкость считают необратимой, из-за невозможности устранения этого явления.

2) Отпускная хрупкость II рода, или обратимая, появляется после отпуска при температуре 500°С и выше. Такая хрупкость проявляется из – за медленного охлаждения после отпуска. Такой вид хрупкости встречается лишь в некоторых сталях, легированных никелем, марганцем или хромом. Для подавления развития охрупчивания второго рода следует проводить охлаждение как можно с большей скоростью.

Эффект отпускной хрупкости стали связан с неоднородностью зерен по его составу и с обогащением пограничных областей зерна различными элементами. У сталей, склонных к отпускной хрупкости, ударная вязкость при медленном охлаждении после отпуска снижается в 5 – 10 раз по сравнению с величиной ударной вязкости, которая получается при быстром охлаждении стали после отпуска. Отпускная хрупкость появляется также в результате длительной выдержки стали при температурах отпуска стали 400-500°.[3, с.10]

Склонность стали к отпускной хрупкости можно значительно снизить, добавив в неё при выплавке 0,3% молибдена или 0,7% вольфрама. Но необходимо отметить, что эти химические элементы достаточно дороги и их применяют только в самых ответственных конструкциях.

Наличие охрупчивания у безуглеродистых сплавов показывает, что углерод оказывает большое влияние на хрупкость только при легировании стали.

По отношению к углероду легирующие вещества делятся на две группы:

Карбидообразующие. К ней относят марганец, молибден, ванадий, хром, титан и др.

Не образующие карбидов. К ней относят алюминий, никель, кобальт, медь, кремний.

Некоторые химические соединения, такие как фосфор и азот, способны вызвать отпускную хрупкость, если содержатся в стали в большом количестве. Особенно склонны к хрупкости стали, содержащие более 0, 8% хрома или более 1% марганца. Чем больше в стали марганца, тем меньше должно быть хрома, и наоборот. Желательно, чтобы при содержании магранца 1,5% хрома было не более 1%. Такие элементы, как никель, кремний, не вызывают появление отпускной хрупкости в стали, если находятся в ней совместно с хромом или марганцем. Но благодаря проведенным опытам было выяснено, что высокое содержание никеля в стали никак не влияет на снижение склонности стали к разрушению.

Также определённое влияние на возможность появления коррозии в стали имеет ниобий. Его концентрация, которая превышает количество присутствующего углерода в сплаве примерно в 7-10 раз, позволяет устранить межкристаллическую коррозию нержавеющей стали и защищает сварные соединения от разрушения. Анализ карбидного осадка показал, что 0,10% ниобия после закалки до температуры 880° находится не только в карбидах, но и в твердом растворе. Таким образом, ниобий, растворившись в аустените марганцевой стали, увеличивает его устойчивость, тогда как в других сталях он практически не растворяется даже при более высокой температуре.

Добавки молибдена и вольфрама к стали увеличивают притяжение между атомами и тем самым препятствуют возникновению хрупкости. Молибден понижает чувствительность стали к хрупкому разрушению. Даже при -60° вязкость стали, легированной молибденом, составляет 55 – 60% её вязкости при нормальной температуре.[1, с.96,97] То же влияние оказывают на сталь титан и ванадий, хотя данные о воздействии ванадия на отпускную хрупкость стали весьма противоречивы. Если его содержание в стали менее 0,3%, он мало влияет на склонность стали к охрупчиванию; при содержании более 0,3% ванадий повышает её.

У хромоникелевой стали, дополнительно легированной молибденом или вольфрамом, в резкой форме выявляются две зоны хрупкости, иногда значительно отстающие друг от друга по температурной шкале. Некоторые исследования доказывают, что при определенных условиях выплавки стали склонность её к появлению таких зон хрупкости можно уменьшить и без этих добавок, поскольку сталь, имеющую низкую ударную вязкость из – за медленного охлаждения вследствие высокого отпуска, можно корректировать повторным отпуском. Для этого необходимо нагреть сталь до нужной температуры и быстро охладить.

Таким образом, эффект хрупкости, возникающий вследствие отпуска, сопровождаемого охлаждением, следует объединить с такими факторами, как:

а) степень легирования аустенита б)степень различных пограничных адсорбций.[2, с.37]

Проведенные в интересующей нас области исследования показали, что у некоторых легированных сталей при медленном их охлаждении после высокого отпуска выделяются в измельченном состоянии химические соединения металла с азотом, кислородом, углеродом. Считают, что эти соединения являются причиной отпускной хрупкости стали. Если стали, склонные к отпускной хрупкости, после высокого отпуска охлаждать быстро, то указанные соединения не успеют выделиться, и сталь сохранит свою ударную вязкость. Следовательно, отпускная хрупкость не является неизменным пороком стали и её можно избежать вышеописанным методом или же с помощью комбинирования легирующих элементов в нужных пропорциях между собой и сталью.

Правильно выполненное легирование сталей наделяет их специфическими особенностями. И современные предприятия активно используют этот процесс для широкого выпуска сплавов с первоклассными технологическими характеристиками.

Список литературы

Браун М. П. Влияние легирующих элементов на свойства стали.- Киев: Гостехиздат УССР, 1962. — 192 с.: ил.

Меськин В. С. Основы легирования стали.- М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1959. - 689 с.

Утевский Л. М., Гликман Е. Э., Карк Г. С. Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа.- М.: Металлургия, 1987. — 222 с.: ил.

Код для цитирования: Скопировать