Модифицирование структуры и свойств стали

Свойство железоуглеродистых сплавов испытывать фазовые пре­вращения при кристаллизации и повторном нагревании - охлаждении, изменять структуру и свойства под влиянием термомеханических и химических воздействий и примесей-модификаторов широко исполь­зуется в металлургии для получения металлов с заданными свойства­ми.

При разработке и проектировании стальных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, технологического оборудования и машин (автоклавов, обжигательных печей, мельниц, напорных и без­напорных трубопроводов различного назначения, металлоформ для изготовления строительных изделий, строительных машин и др.) не­обходимо учитывать климатические, технологические и аварийные условия их работы. Низкие отрицательные температуры понижают порог хладноломкости, ударную вязкость и вязкость разрушения.

Повышенная температура снижает модуль упругости, временное со­противление разрыву, предел текучести, что отчетливо проявляется, например, при пожарах. При 600°С сталь, а при 200°С - алюминиевые сплавы, полностью переходят в пластическое состояние и конструк­ции, находящиеся под нагрузкой, теряют устойчивость. Вот почему незащищенные металлические конструкции обладают сравнительно небольшой огнестойкостью. Технологическое оборудование - котлы, трубопроводы, автоклавы, металлоформы, а также арматура железо­бетонных конструкций, постоянно подвергающиеся в процессе про­изводства циклическому нагреву - охлаждению в интервале темпера­тур 20-200°С и более, испытывают термическое старение и низкотем­пературный отпуск, усугубляемые часто коррозией, которые необхо­димо учитывать при выборе марок стали для конкретных целей.

Основными способами модифицирования структуры и свойств стали, применяемыми в металлургии, являются:

- введение в расплавленный металл веществ, образующих туго­плавкие соединения (карбиды - ZrC, VC, NbC, TiC; нитриды - AIN; оксиды - (Cr, Fe)₂0.4, (Al, Fe)₂0:?), являющиеся центрами кристалли­зации;

- введение легирующих элементов, повышающих прочность кри­сталлических решеток феррита и аустенита, замедляющих диффузи­онные процессы выделения углерода, карбидов и движение дислока­ций;

- термическая и термомеханическая обработка стали.

Они направлены главным образом на измельчение зерен охлаж­денной стали, снятие остаточных напряжений и повышение ее хими­ческой и физической однородности. В результате повышаются а_н, < J()2, К, ₀ KCU, а.!, прокапиваемость стали; снижаются твердость, по­рог хладноломкости, отпускная хрупкость, склонность к термическо­му и деформационному старению, улучшаются пластические свойст­ва стали. Ниже рассмотрены специфические особенности указанных способов.

Легирующие элементы вводят в конструкционные ста­ли в количестве: Сг - 0, 8-1, 1%; Ni - 0, 5-4, 5%; Si - 0, 5-1, 2%; Mn - 0, 8- 1, 8%. Элементы W - 0, 5-1, 2%; Mo - 0, 15-0, 4%; V - 0, 1-0, 3%; Ti - 0, 06-0, 12%; В - 0, 002-0, 005% и другие вводят в сталь в сочетании с Cr, Ni и Мп для дополнительного улучшения ее свойств. Являясь карбидообразующими элементами, они одновременно служат добав­ками-модификаторами, обеспечивающими зарождение и измельчение зерна стали при кристаллизации расплава.

В марках легированных сталей вид и содержание легирующих элементов указывают буквами и цифрами, стоящими справа от букв. Они указывают примерное содержание (%) легирующего элемента; отсутствие цифр означает, что оно не превышает 1, 5%. Принятые обозначения легирующих элементов: А - азот, Б - ниобий, В - вольф­рам, Г -марганец, Д - медь; Е - селен, К - кобальт, Н - никель, М - мо­либден, П - фосфор, Р - бор, С - кремний, Т - титан, Ф - ванадий, X - хром, Ц - цирконий, Ч - редкоземельный, Ю - алюминий. Содержание углерода указывают двузначными цифрами, приводимыми в начале марки стали в сотых долях процента. Например, марка стали 12ХНЗА означает, что в ней содержится в среднем 0, 12% С, до 1-1, 5% Сг, 3% Ni и до 1% N. При суммарном содержании легирующих элементов до 2, 5% стали относят к низколегированным, от 2, 5% до 10% - к средне- легированным, свыше 10% - к высоколегированным. Легирующие элементы образуют с железом твердые растворы замещения, раство­ряются в цементите, замещая в нем атомы железа; образуют специ­альные карбиды, например, легированный цементит (Fe, Сг)₃С, а при высоком содержании - интерметаллические соединения - FeCr, FeV, Fe₃Ti и др.

Легирующие элементы, растворяясь в феррите и аустените, уменьшают размер зерна и частиц карбидной фазы. Наиболее сильно тормозят рост зерен аустенита и продуктов его распада модификато­ры; Ti, Nb, Zr, V и N, образующие труднорастворимые карбиды. Рас­полагаясь по границам зерен, они затрудняют их рост, диффузию углерода и других легирующих элементов и повышают устойчивость аустенита к переохлаждению. Поэтому низколегированные стали имеют мелкозернистую структуру и более высокие качественные показатели. Особенно заметно упрочняют сталь легирующие элемен­ты Ni, Мп и Si.

Термическая и термомеханическая обработка являются распространенными способами модифицирования структу­ры и улучшения свойств стали. Различают следующие их виды: от­жиг, нормализацию, закалку и отпуск. Отжиг включает процессы гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений.

На рис. 7.7 представлены температурные области различных видов отжига.

Гомогенизации под­вергают слитки легированной стали при 1100-1200°С в тече­ние 15-20 ч для выравнивания химического состава, умень­шения дендритной и внутри- кристаллической ликвации, вызывающей хрупкий излом при обработке стали давлени­ем, анизотропию свойств, об­разование флокенов и крупно­зернистой структуры.

Рекристаллизаци- онный отжиг применяют для снятия наклепа деформи­рованного металла путем на­грева его выше температуры порога рекристаллизации (0, 4- 0, 5 Г,,,,) выдержки при этой температуре и охлаждения. Различают холодную и горя­чую (теплую) деформации. Холодную проводят при тем­пературе ниже порога рекри-

Нормализация предусматривает нагрев сортового проката из до- и заэвтектоидной конструкционной стали до температуры на 40...50°С выше точек А а и А_ст, непродолжительную выдержку и ох­лаждение на воздухе. Она вызывает полную фазовую перекристалли­зацию стали, снимает внутренние напряжения, повышает пластич­ность и ударную вязкость. Ускоренное охлаждение на воздухе приво­дит к распаду аустенита при более низких температурах. Нормализа­ция широко применяется для улучшения свойств низкоуглеродистых строительных сталей, заменяя отжиг. Для среднеуглеродистых и ле­гированных сталей она сочетается с высоким отпуском при темпера­турах ниже порога рекристаллизации.

Закалка и отпуск предусматривают улучшение прочност­ных и пластично-вязких свойств стали, снижение порога хладнолом­кости и чувствительности к концентраторам напряжений.

Закалка заключается в нагреве стали на 30...50°С выше точки Асз для доэвтектоидных или А_а для эаэвтектоидных сталей, выдерж­ке до полной аустенизации стали и охлаждении ее со скоростью, обеспечивающей переход аустенита в мартенсит. Последний пред­ставляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe. Пе­рестройка кристаллической решетки y-Fe в a-Fe происходит без вы­деления избыточных атомов углерода из аустенита. Поэтому кри­сталлическая решетка мартенсита сильно искажена и испытывает напряжения, обусловленные особенностями строения и увеличением удельного объема мартенсита по сравнению с аустенитом на 4...4, 25%. Мартенсит хрупок, тверд и прочен (НРС 65, HV 960, сгд = ] ООО МПа при С < 0, 015% и сг_д = 2600-2700 МПа при С = 0, 6- 0, 8%). Однако достаточно полное мартенситное превращение воз­можно только для высокоуглеродистых и легированных сталей, об­ладающих повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита. В низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных строи­тельных сталях она мала и поэтому при закалке, даже при быстром охлаждении водой мартенсит либо не образуется, либо образуется в меньшем количестве в сочетании с бейнитом. При быстром охлажде­нии низкоуглеродистых строительных сталей (С < 0, 25%) (закалка с прокатного нагрева) происходит распад аустенита и образование вы­сокодисперсной ферритно-цементитной структуры перлита-сорбита и троостита или низкоуглеродистого мартенсита и цементита. Такая структура получила название - бейнит. Он имеет повышенную проч­ность, твердость и выносливость по сравнению с продуктами распада аустенита в перлитовой области - сорбитом и прооститом, при сохра­нении высокой пластичности, вязкости и пониженном пороге хладо- емкости. Упрочнение стали закалкой с прокатного нагрева обуслов­лено тем, что динамическая рекристаллизация при прокатном нагреве проходит неполно и бейнит унаследует высокую плотность дислока­ций, образовавшихся в деформированном аустените. Сочетание пла­стической деформации стали в аустенитном состоянии с закалкой и отпуском позволяет значительно увеличить ее прочность (сг_в = 2200...3000 МПа), пластичность и вязкость (£ = 6...8%, < //= 50...60%); устранить склонность к отпускной хрупкости, которая наблюдается при среднетемпературном отпуске легированной стали при 300...400°С.

Отпуск является заключительной операцией термической об­работки стали, после которой она приобретает требуемые свойства. Он заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже точки Аа, выдержке при заданной температуре и охлаждении с опре­деленной скоростью. Цель отпуска - снижение уровня внутренних напряжений и повышение сопротивления разрушению. Различают три его вида: низкотемпературный (низкий) с нагревом до 250°С; среднетемпературный (средний) с нагревом в интервале 350-500°С и высокотемпературный (высокий) с нагревом при 500-600°С.

Старение углеродистой стали проявляется в изменении ее свойств во времени без заметного изменения микроструктуры. По­вышаются прочность, порог хладноломкости, снижается пластич­ность и ударная вязкость. Известны два вида старения - термическое и деформационное (механическое). Первое протекает в результате изменения растворимости углерода и азота в a-Fe и выделения избы­точных фаз (карбидов и нитридов) из феррита в зависимости от тем­пературы. Скопление атомов С и N на дислокациях и выделение тре­тичного цементита из пересыщенного твердого раствора феррита, ускоряемое повышенной температурой (50-150°С), и является причи­ной термического старения.

Деформационное (механическое) старение протекает после пла­стической деформации при температуре ниже порога рекристаллиза­ции. Основной причиной этого вида старения является также скопле­ние атомов С и N на дислокациях, затрудняющее их движение. С фактами возникновения отпускной хрупкости и старения стали строители сталкиваются при электротермическом способе натяжения арматуры в процессе изготовления преднапряженных железобетон­ных конструкций.