Виды и марки стали

Сталь. Виды и марки стали. Их применение.

Сталь – это сплав железа и углерода с другими элементами, содержание углерода в нём не более 2,14%.

Наиболее общая характеристика – по химическому составу сталь различают:

углеродистую сталь (Fe – железо, C – углерод, Mn – марганец, Si — кремний, S – сера, P – фосфор). По содержанию углерода делится на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую. Углеродистая сталь предназначена для статически нагруженного инструмента.

легированную сталь – добавляются легирующие элементы: азот, бор, алюминий, углерод, фосфор, кобальт, кремний, ванадий, медь, молибден, марганец, титан, цирконий, хром, вольфрам, никель, ниобий.

По способу производства и содержанию примесей сталь различается:

сталь обыкновенного качества ( углерода менее 0,6%) – соответствует ГОСТ 14637, ГОСТ 380-94. Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6. Буквы «Ст» обозначают сталь обыкновенного качества, цифры указывают на номер маркировки в зависимости от механических свойств. Является наиболее дешёвой сталью, но уступает по другим качествам.

качественная сталь ( углеродистая или легированная ) – ГОСТ 1577, содержание углерода обозначается в сотых долях % – 08, 10, 25, 40, дополнительно может указываться степень раскисления и характер затвердевания. Качественная углеродистая сталь обладает высокой пластичностью и повышенной свариваемостью.

Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали характеризуются невысокой прочностью и высокой пластичностью. Из листового проката стали 08, 10, 08кп изготавливают детали для холодной штамповки. Из сталей 15, 20 делают болты, винты, гайки, оси, крюки,шпильки и другие детали неответственного назначения.

Среднеуглеродистые качественные стали (ст 30, 35, 40, 45, 50, 55) используют после нормализации и поверхностной закалки для изготовления таких деталей, которые обладают высокой прочностью и вязкостью сердцевины (оси, винты, втулки и т. д.)

Стали 60 — стали 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью, упругими свойствами. Из них изготавливают крановые колёса, прокатные валки, клапаны компрессоров, пружины, рессоры и т.д.

высококачественная — сложный химический состав с пониженным содержанием фосфора и серы — по ГОСТу 19281.

Также сталь делится по применению :

а) строительная сталь — углеродистая обыкновенного качества. Обладает отличной свариваемостью. Цифра обозначает условный номер состава стали по ГОСТу. Чем больше условный номер, тем больше содержание углерода, тем выше прочность стали и ниже пластичность.

Ст0-3 — для вторичных элементов конструкций и неответственных деталей (настилы, перила, подкладка,шайбы)

Ст3 используют для несущих и ненесущих элементов сварных и несварных конструкций и деталей, которые работают при положительных температурах. ГОСТ 380-88.

Стандартом качества предусмотрена сталь с повышенным количеством марганца (Ст3Гсп/пс, ст5Гсп/пс).

б) конструкционная сталь — ГОСТ 1050

Углеродистые качественные конструкционные стали используются в машиностроении, для сварных, болтовых конструкций, для кровельных работ, для изготовления рельсов, железнодорожных колёс, валов, шестерен и других деталей грузоподъёмников.Ц ифры в маркировке означают содержание углерода в десятых долях процента.

Ст20 — малонагруженные детали, такие как валики, копиры, упоры,

Ст35 — испытывающие небольшие напряжения (оси, тяги, рычаги, диски, траверсы, валы),

Ст45 (ст40Х) — требующие повышенной прочности (валы, муфты, оси, зубчатые рейки)

Конструкционные легированные стали используют для гусениц тракторов, изготовления пружин, рессор, осей, валов, автомобильных деталей, деталей турбин и др.

в) инструментальная сталь — применяется для режущего инструмента, быстрорежущая сталь для холодного и горячего деформирования материла, для измерительных инструментов, на производство молотков, долот, стамесок, резцов, свёрлов, напильников, бритв, рашпилей.

У7, У8А (цифра- десятые доли процента по содержанию углерода). Углеродистые стали выпускают качественными и высококачественными. Буква «А» означает высококачественную углеродистую инструментальную сталь.

г) легированная сталь — универсальная сталь, содержащая специальную примесь. Содержание кремния более 0,5%, марганца более 1%. ГОСТ 19281-89. Если содержание легирующего элемента превышает 1 – 1,5%, то оно указывается цифрой после соответствующей буквы.

низколегированная сталь — где легирующих элементов до 2,5% (09Г2С, 10ХСНД, 18ХГТ). Низколегированную сталь можно использовать в условиях крайнего севера, от -70 град С. Низколегированную сталь отличает большая прочность за счёт более высокого предела текучести,что важно для ответственных конструкций.

среднелегированная (2,5 -10%),

высоколегированная (от 10 до 50%)

Сталь 09Г2С применяется для паровых котлов, аппаратов и ёмкостей, работающих под давлением и температурой от минус 70, до плюс 450град; её используют для ответственных листовых сварных конструкций в химическом и нефтяном машиностроении, судостроении.

Сталь 10ХСНД используют для сварных конструкций химического машиностроения, фасонных профилей в сдостроении, вагоностроении.

18ХГТ применяют для деталей, работающих на больших скоростях при высоком давлении и ударных нагрузках.

д) сталь особого назначения — сталь с особыми физическими свойствами. Она применяется в электротехничсеской промышленности и точном судостроении.

На свариваемость стали влияет степень её раскисления. По степени раскисления сталь классифицируется:

спокойная сталь (ст3сп) — полностью раскисляется с минимальным содержанием шлаком и неметаллических примесей,

полуспокойная сталь (ст3пс) — по характеристикам качества схожа со спокойной сталью,

кипящая сталь (08кп) — неокисленная сталь с высоким содержанием неметаллических примесей. ГОСТ 1577.

В зависимости от нормируемых характеристик , сталь подразделяют на категории: 1, 2, 3, 4, 5. Категории обозначают химический состав, механические свойства при растяжении, ударную вязкость)

Например, категория 1 — химический состав не нормируемый, категория 3 — нормируется ударная вязкость при температуре +20. Для марки ст0 не нормируется ни химический состав, ни предел текучести.

Марка стали С245 – Ст3пс5

Марка стали С255 — Ст3сп5

Марка стали С235 — Ст3кп2

Марка стали С345 – 09Г2С

© 2001-2021 АО Металлоторг, Все права защищены
металлопрокат, катанка, оцинковка, листы хк, гк, листы оцинкованные холоднокатаные, профильные трубы
Металлоторг – продажа металлопроката

Виды и марки стали

Сталь представляет собой сплав, основными элементами которого являются железо и углерод.Его массовая доля теоретически не превышает 2,14% (на практике – не более 1,5%). В состав также входят постоянные и случайные примеси, оказывающие различное влияние на качество материала (сера, фосфор, марганец, кремний), могут добавляться другие элементы.

Сталь производят переработкой передельного чугуна и лома. Во время этого процесса снижается содержание углерода и ненужных примесей, вводятся необходимые дополнительные компоненты, обеспечивающие требуемые свойства материала.

Виды сталей и их классификация

Черная металлургия производит множество видов стали с различными характеристиками, материалы классифицируют по способу производства,химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления, структуре.

По способу производства

Свойства стального сплава во многом зависят от технологии изготовления. Традиционный способ переплавки передельного чугуна и лома – ведение процесса в мартеновских печах, основными недостатками которых были длительность плавки и значительные выбросы в атмосферу вредных веществ. Постепенно мартены заменялись кислородными конвертерами и электропечами. Высококачественные легированные стальные сплавы получают только по технологии электрошлаковой переплавки.

По химическому составу

По химсоставу стали разделяют на углеродистые, применяемые в стандартных эксплуатационных условиях, и легированные, используемые при высоких температурах и/или в агрессивных средах. Углеродистые и легированныестали классифицируют по содержанию углерода на следующие типы:

низкоуглеродистые – содержат менее 0,3%C;
среднеуглеродистые – содержание C в интервале 0,3-0,7%;
высокоуглеродистые – доля углерода превышает 0,7%.

Процентное содержание существенно влияет на технические характеристики как легированных, так и нелегированных стальных сплавов. Чем оно больше, тем выше твердость и хрупкость материала, тем хуже обрабатываемость резанием, свариваемость, способность к деформированию. Для холодной штамповки изделий сложной формы выбирают сплавы, в которых содержание Cне превышает 1%. Низкоуглеродистые стали свариваются без ограничений, то есть не требуют предварительного подогрева и особых условий охлаждения. При сварке средне- и высокоуглеродистых сплавов во избежание трещинообразования применяют дополнительные технологические операции.

Углеродистые стали содержат железо, углерод, постоянные и случайные примеси; легированные, помимо этих компонентов, – добавки, обеспечивающие требуемые технические характеристики. Распространенные легирующие элементы и их действие:

Хром (Cr). Дешевый и распространенный элемент, введение которого в состав стальных сплавов повышает их прочность, твердость и прокаливаемость. При содержании в количестве 13% и более повышают коррозионную стойкость материала.
Никель (Ni). Дефицитнаядобавка, вводимая обычно в количестве не более 5%. Часто используется в коррозионностойких сталях совместно с хромом. Служит для снижения порога хладноломкости, обеспечения прочности и ударной вязкости. Обеспечивает малый линейный и объемный коэффициент термического расширения. В настоящее время уделяется внимание разработке безникелевых коррозионностойких марок.
Молибден (Mo) и вольфрам (W). Дорогостоящие лигатуры, применяемые при производстве быстрорежущих сталей для повышения их теплостойкости. Эти элементы увеличивают красностойкость, износостойкость, ударную вязкость.
Марганец (Mn). В количестве до 0,6% является постоянной примесью. При искусственном повышении процентного содержания марганец выполняет функции более дешевой альтернативы никеля. Он повышает ударную вязкость, износостойкость и твердость при сохранении хорошей пластичности. Mn связывает серу и, тем самым, нейтрализует ее негативное воздействие на качество материала. Минус марганца – повышение чувствительности сплава к перегреву.
Кремний (Si). Как и марганец, является постоянной примесьюв количестве до 0,4 %. Искусственное повышение его содержания позволяет повысить упругость и прочность материала. Высокий процент Si сообщает сплаву особые свойства, необходимые в электротехнической индустрии, при производстве рессорно-пружинных, кислото- и окалиностойких марок.
Титан (Ti). Обеспечивает комплекс ценных эксплуатационных характеристик – прочности, твердости и пластичности, повышает теплостойкость материала.

Классификация легированных марок стали по количеству легирующих добавок:

низколегированные – до 5%;
легированные – 5-10%;
высоколегированные – выше 10%.

По назначению

По областям применения все марки стали условно разделяют на следующие виды:

Конструкционные. Наиболее обширная категория, используемая в строительстве при создании сварных металлоконструкций, в машиностроении, для сооружения сетей инженерных коммуникаций. К ней относятся – стали обыкновенного качества, качественные углеродистые, низко- и среднелегированные марки. Конструкционные стальные сплавыподвергаются различным видам термической (ТО) и химико-термической обработки (ХТО).
Инструментальные. Используются при производстве режущего, измерительного, штамповочного инструмента. К ним предъявляются высокие требования по прокаливаемости, способности сохранять прочность и износостойкость при нагреве.
Специального назначения. Это конструкционные легированные сплавы с особыми свойствами –кислотостойкие, жаростойкие, жаропрочные, с высоким электросопротивлением.

Таблица условных обозначений химических элементов в маркировке

Наименование элемент	Условное обозначение	Наименование элемента	Условноеобозначение
Хром	Х	Азот	А
Кремний	С	Никель	Н
Титан	Т	Кобальт	К
Медь	Д	Молибден	Мо
Вольфрам	В	Алюминий	Ю
Ванадий	Ф	Марганец	Г

По качеству

Качество – это совокупность характеристик, которые определяются особенностями производства, составом сырья, дополнительными технологическими приемами. Категории качества:

Обыкновенного качества. К этой группе относятся только нелегированные марки. Количество серы не превышает 0,06%, фосфора – 0,07%.
Качественные. Бывают нелегированными и легированными. S – не более 0,04%, P – до 0,04%.
Высококачественные – нелегированные и легированные. Количество серы до 0,02%, фосфора – 0,03%.
Особовысококачественные. Это легированные марки, полученные способами электрошлакового или электродугового переплава, содержат минимально возможное количество вредных примесей: серы – не более 0,15%, фосфора – до 0,025%.

По степени раскисления

Раскисление – это операция, при которой из сплава удаляется кислород, вызывающий его хрупкое разрушение при высокотемпературных деформациях. Элементы, используемые для раскисления: алюминий, марганец, кремний.Классификация марок стали по степени раскисления, влияющей на технологические свойства материала:

Кипящие. По мере твердения выделяются газы, создающие имитацию кипения состава. Для раскисления в этом случае используется марганец. Обычно к этой категории относятся малоуглеродистые марки. Их выгружают из печи практически сразу после внесения раскислителей. В отдельных случаях расплав раскисляют в ковше. Из кипящих сплавов производят прокат крупного сечения, который затем переплавляют на материал более высокого качества или подвергают горячей деформации для получения проката меньших размеров сечения.
Полуспокойные. Бывают только углеродистыми. Отличаются хорошей ковкостью. Для раскисления используются марганец и алюминий.
Спокойные. Качественные легированные марки производят только спокойными. Для раскисления применяют марганец, кремний, алюминий. Кислород в этих сплавах практически весь связывается раскислителями, образовавшимися в результате окислительных реакций,поднимается наверх и удаляется вместе со шлаком. Расплав охлаждается и не сопровождается выделением газов.

По структуре

Структурная форма стали зависит от химического состава, способа производства, дополнительных технологических операций. Различают структуру материала в отожженном и нормализованном состояниях. В отожженном состоянии возможно 6 типов структуры:

Доэвтектоидная. В структуре имеются феррит и перлит, который является смесью двух фаз – феррита и цементита (или карбидов). К ферритному классу относятся все углеродистые и низколегированные стальные сплавы.
Эвтектоидная. Перлитная структура обеспечивает хорошую обрабатываемость стального сплава. Ее дисперсные виды – троостит и сорбит.
Заэвтектоидная. Перлит и цементит, который является представителем фаз внедрения.
Ледебуритная. Первичный ледебурит (эвтектическая смесь перлита и цементита).
Аустенитная. Это твердые растворы, пересыщенные углеродом. Сплавы этого класса образуются при высоких концентрациях хрома, никеля и марганца. Они отличаются высоким уровнем ударной вязкости.
Ферритная. Представляет собой твердые растворы, слабо насыщенные углеродом.

Углеродистые стали могут иметь структуру одного из трех первых классов, легированные – всех шести. После нормализации возможны 4 структурных состояния: ферритное, перлитное, аустенитное и мартенситное. Мартенситная структура, присущая средне- и высоколегированным сталям, характеризуется высокими прочностными характеристиками и мелкозернистостью.

Принципы классификации и маркировки стали по российской системе

В России используются буквенно-цифровые маркировки, конкретный тип которых зависит от качества сплава.

Стали обыкновенного качества обозначаются буквами ст, после которых указывается индекс марки (0-6) и уровень раскисления. Сп – спокойные, пс – полуспокойные, кп – кипящие. Впереди может стоять буква А (сплав обладает гарантированными механическими параметрами, часто его на ставят), Б– гарантированным химсоставом, В – с гарантированными механическими характеристиками и химсоставом. Пример: Ст3 – сталь обыкновенного качества с гарантированными механическими свойствами и условный индекс 3, для которого содержание углерода составляет 0,14-0,22%.
В качественных сталях буквы вначале маркировки отсутствуют. Количество углерода указывается в сотых долях процента. В конце ставится уровень раскисления. Пример: 08кп. Содержание углерода – 0,08%.
Качественные инструментальные стали в начале маркировки имеют букву У, далее следует количество C в сотых долях процента. В конце обозначения высококачественного сплава ставится буква А. Например, маркировка У7А расшифровывается как высококачественная углеродистая сталь с содержанием углерода 0,07%.
В быстрорежущих сталях маркировка начинается с буквы Р, после которой указывается количество вольфрама в процентах. Например, Р17 – быстрорежущий сплав, содержащий 17% W.
В конструкционных легированных сталях содержание углерода проставляется в сотых долях процента. Далее указывается условное обозначение элементов и их содержание в процентах. Пример: 12Х18Н10Т. Такая сталь содержит 0,12% углерода, хрома – 18%, никеля – 10%, титана – примерно 1%.

Как расшифровать марку стали в европейской и американской системах

Для коррозионностойких сталей в Европе и Америке часто используют систему маркировки AISI. Она предусматривает наличие трех цифр, одной или нескольких букв. Первая цифра в маркировке металла обозначает класс стали. Следующие две цифры соответствуют порядковому номеру сплава в группе. Значение букв, используемых в маркировке стальных сплавов:

содержание углерода менее 0,03%;
содержание Св пределах 0,03-0,08%;
сплав содержит азот;
малоуглеродистые стали, содержащие азот;
высокая концентрация серы и фосфора;
содержится селен, B – кремний, Cu – медь.

В США могут применяться и другие системы маркировки. В Европе существует система, во многом похожая на российскую систему маркировки. Содержание углерода указывается в сотых процента. Отличия заключаются в том, что сначала идет перечисление легирующих элементов, а затем в том же порядке следует их процентное содержание, лигатуры указываются в соответствии с таблицей Менделеева. Если какой-то элемент присутствует в количестве более 5%, то перед маркировкой ставится буква X. Например: X5CrNi18-10. В этой стали содержится 0,05% углерода, 18% хрома и 10% никеля.

Таблица обозначений легированных сталей в разных системах маркировки

Химическая неоднородность примесей – ликвация

Химическую неоднородность в слитке обычно определяют терминами-синонимами — «ликвация» (лат. liguatio — плавление) и «сегрегация» (лат. segregare — отделять). Впервые на химическую неоднородность стальных слитков обратили внимание А. С. Лавров и Н. В. Калакуцкий в 60-х годах прошлого столетия.
Ликвация примесей при кристаллизации стали.

Теория ликвации примесей основывается на диаграммах состояния и исходит из факта разной растворимости примесей в жидкой и твердой стали. Если при этом допустить, что выравнивание состава твердой фазы протекает со значительно меньшей скоростью, чем сам процесс кристаллизации, то интервал между линиями солидуса и ликвидуса на диаграммах состояния может характеризовать степень развития ликвации в сплаве.

На использовании диаграмм состояния с указанным допущением предприняты попытки количественной оценки ликвации примесей. При затвердевании железоуглеродистого сплава, содержащего больше 0,075% С, в последней капле жидкого металла при температуре линии НВ концентрация углерода составляет 0,59%, а в твердой фазе 0,075% С (рисунок 1). Следовательно, коэффициент К распределения углерода между твердой и жидкой фазами, равный 0,075/0,59 = 0,13, будет количественно характеризовать склонность углерода к ликвации в железоуглеродистых сплавах с содержанием углерода в пределах 0,075—0,59% С.

Рисунок 1. Часть диаграммы состояния Fe-С

Кроме коэффициента К, для характеристики тенденции примеси к ликвации пользуются коэффициентом (1 — К). С уменьшением значения коэффициента распределения К и увеличением коэффициента ликвации (1 — К) склонность к ликвации возрастает. В таблице приведены значения коэффициента распределения К и ликвации (1 — К) для некоторых элементов в твердой фазе железа, определенные по соответствующим диаграммам равновесия. Из приведенных данных следует, что наибольшую склонность к ликвации из обычных примесей в стали имеют сера, кислород, фосфор, углерод и в значительно меньшей степени марганец и кремний .

Однако распределение примесей между жидкой и твердой фазами при затвердевании реальных сплавов будет отличаться от вышеприведенного в связи с неравновесными условиями кристаллизации стали и влиянием на этот процесс конвективного движения его, поверхностных свойств примесей, взаимодействия и влияния примесей на распределение и других факторов.

Таблица 1. Значения коэффициента распределения К и ликвации 1 – К некоторых элементов

Остановимся несколько подробнее на некоторых из перечисленных выше факторов . Теоретически возможны два крайних случая соотношения скорости массопередачи примесей V пр , обусловленные прежде всего развитием конвективных потоков в жидком металле и скоростью кристаллизации V k :

При соотношении V k >> V пр в случае избирательной кристаллизации стали по мере роста кристалла примеси как бы выталкиваются в жидкую фазу, постепенно обогащая ее в областях, прилегающих к кристаллу. Примесь не разносится по объему слитков, и каждый кристалл по мере своего роста питается все более загрязненным металлом. Следовательно, при среднем равномерном распределении примесей по объему затвердевшего слитка будет наблюдаться развитая ликвация по сечению каждого кристалла, т. е. при развитой микронеоднородности зональной ликвации (макронеоднородности или макроликвации) не будет.

При соотношении скорости кристаллизации и массопереноса примеси V пр >> V k вытесненная в жидкую фазу примесь при образовании кристалла сразу разносится по объему жидкой части слитка стали. Вследствие несоизмеримо малого объема кристалла по сравнению с объемом жидкой части слитка кристалл растет из жидкой фазы практически постоянного состава. Однако по мере затвердевания слитка жидкая часть все более обогащается примесью и последние кристаллы образовываются из загрязненного примесью металла, т. е. в отсутствие микронеоднородности наблюдается развитая макронеоднородность (макроликвация).

При кристаллизации реальных слитков наблюдается промежуточные соотношения скорости кристаллизации и массопередачи примесей, причем затвердевание слитка спокойной стали протекает ближе к соотношению V k >> V пр .

Примеси, присутствующие в жидкой стали, оказывают при кристаллизации взаимное влияние на перераспределение их в жидком и твердом металле. Так, в присутствии никеля и хрома ликвация примесей заметно снижается. Однако количественно оценить взаимное влияние примесей на развитие ликвации (ликвации) в стальном слитке пока не представляется возможным.

В слитке стали выявляется дендритная (микроликвация) и зональная (макроликвация) химическая неоднородности. Качественно оба вида ликвации примесей могут быть определены по серным отпечаткам . Количественно макроликвация определяется на основе анализа стружки металла , отобранной из различных мест вырезанных из слитка продольных или поперечных темплетов, а микроликвация — локальным методом с использованием, например, лазерного луча, а также методом радиоактивных изотопов . В последнем случае в жидкий металл вводят радиоактивный изотоп элемента, ликвация которого подлежит изучению, с последующим снятием авторадиограмм. Количественно химическая неоднородность (ликвация) характеризуется отношением:

соответственно содержание элемента в данной точке и среднее его содержание в слитке или в ковшевой пробе. В слитке спокойной стали обычно обнаруживаются две зоны положительной и одна зона отрицательной ликвации (рис. 2). Зона отрицательной ликвации (5) совпадает с конусом осаждения. Зона положительной ликвации представляют собой V-образную осевую (2) и Д-образную внеосевую ликвацию или «усы» .

Рисунок 2. Макро- (а) и микроликвация (б), определенная по серным отпечаткам соответственно со слитка стали 60 массой 8 т и со слитка стали 15 массой 6 т

В прибыльной части под усадочной раковиной, где сосредотачиваются последние порции загрязненного металла, обнаруживается максимальное содержание примесей . Наиболее часто образование «усов» связывают с выделением газов в виде микроскопичных пузырьков в процессе затвердевания слитка. При этом «ус» рассматривают как след, оставленный примесями, оторвавшимися от пузырька во время прохождения его в жидком объеме металла. Предполагается также, что пузырек, поднимаясь вверх и проходя через щетку дендритов двухфазной зоны, ломает их и прокладывает канал, по которому поднимается вверх обогащенный примесями металл небольшой плотности; одновременно в эти каналы стекает с соседних межкристаллических участков загрязненный металл.

В связи с малыми размерами пузырьков скорость их подъема мала, и они отклоняются продвигающимся фронтом кристаллов к центру, что, в конечном счете, обеспечивает наклон каждого «уса» к центру.

Рисунок 3. Максимальная степень ликвации примесей в зависимости от массы слитка

Осевая V-образная неоднородность (ликвация) располагается в осевой зоне слитка , от конуса осаждения внизу до «моста» под прибылью, и выявляется на продольных травленых макрошлифах и серных отпечатках в виде чередующихся темных и светлых клинообразных участков, отличающихся повышенной пористостью. Большинство металлургов связывают образование осевой неоднородности (ликвации) с усадкой металла.

Рисунок 4. Макроликвация примесей в
слитке спокойной стали 1 – д-образная
ликвация («усы»), 2 – V-образная ликвация,
3 – зона отрицательной ликвации

Зона отрицательной ликвации связана с образованием конуса осаждения, когда вниз сползают кристаллы, образующиеся после прекращения роста столбчатых дендритов в основном в момент остановки кристаллизации. Медленный рост этих кристаллов в условиях развитых конвективных потоков обеспечивает относительно низкое содержание в них ликвирующих примесей.

Хотя всесторонней теории развития ликвации в слитке спокойной стали к настоящему времени еще не создано, однако накопленные данные, полученные в производственных условиях и при специально проводимых исследованиях, позволяют наметить пути уменьшения этого порока стального слитка. Факторы, обусловливающие более длительное пребывание металла в изложнице в жидком состоянии, способствуют развитию зональной неоднородности (зональной ликвации) слитка, поскольку в расположенные в центральной части слитка объемы конвективными потоками выносятся в большем количестве ликвирующиеся примеси. Такими факторами являются большой развес слитка, повышенная температура и ускоренная разливка стали, а также использование малотеплопроводных изложниц , например песчаных форм.

Зависимость степени сегрегации серы, фосфора, углерода, кремния и марганца от массы слитка представлена на рисунке 2. При существующей тенденции увеличения массы слитка необходимо учитывать возможности заметного повышения химической неоднородности в этом случае .

Развитие осевой V-образной сегрегации можно уменьшить, увеличивая конусность слитка , поскольку подпитывание затвердевающего металла улучшается и затрудняется местное перераспределение примесей стали. Для уменьшения Д-образной внеосевой сегрегации желательно, чтобы площадь поперечного сечения слитка была меньше, 1 а конструкция изложницы обеспечивала достаточно быструю последовательную кристаллизацию от низа до верха слитка. Применение различного рода кристаллизаторов, искусственно вводимых в изложницу, интенсифицирует затвердевание слитка и уменьшает развитие ликвации.

Вопрос 1. Что такое ликвация? Виды ликвации, причины их возникновения и способы устранения

ликвация ударный вязкость бейнитный

Ликвация — химическая и структурная неоднородность сплава в различных частях отливки. Ликвация может быть дендритной и зональной.

Дендритная, или внутрикристаллическая, ликвация является следствием избирательного затвердевания сплава и недостатка времени для выравнивания химического состава кристаллов путем диффузии в процессе затвердевания. В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твердых растворов, чаще всего, протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации растущих кристаллов по объему отстают от самого процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла — сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижающим температуру плавления.

Дендритная ликвация, особенно в случае появления в структуре эвтектической составляющей, затрудняет последующую обработку давлением, так как снижается пластичность сплавов и, кроме того, ухудшает конечные механические свойства сплавов из-за неоднородности структуры.

Дендритная ликвация тем заметнее, чем больше скорость затвердевания сплава в форме. Соответственно, ее предупреждению способствует уменьшение скорости затвердевания, например, путем подогрева форм со слитками и дальнейшим постепенным снижением температуры. Однако такой способ неэкономичен, так как требует значительного дополнительного расхода энергии, к тому же в ряде случаев он способствует развитию зональной ликвации. Поэтому, как правило, дендритная ликвация устраняется диффузионным отжигом отливок при высоких температурах и длительных выдержках.

Зональная ликвация происходит в процессе затвердевания сплава при охлаждении вследствие расслоения сплава еще в жидком состоянии из-за различной плотности его компонентов образующиеся первичные кристаллы твердого раствора, если в его основе был более тяжелы металл (например, свинец), могут скапливаться внизу жидкой фазы и химический состав нижней части затвердевшего слитка может значительно отличаться от его верхнего слоя. То есть отливка имеет различный химический состав в различных частях, прием это тем заметнее, чем медленнее охлаждение отливки. Чтобы предупредить ликвацию по плотности, сплавы, склонные к ней, необходимо при затвердевании либо перемешивать, либо быстро охлаждать. Зональную ликвацию в уже затвердевшем слитке можно устранить лишь путем его повторного расплавления.

Вопрос 2. Дайте определение ударной вязкости (KCV). Опишите методику измерения этой характеристики механических свойств металла

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

Испытание на ударную вязкость проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров в соответствии с ГОСТ 9454-78 “МЕТАЛЛЫ. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах”. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту (рис.1).

На разрушение образца затрачивается работа:

где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара.

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (а_н), – удельная работа разрушения.

где: F0 – площадь поперечного сечения в месте надреза.

ГОСТ 9454-78 ударную вязкость обозначает KCV, KCU, KCT. KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т).

Вид образца для определения ударной вязкости на образце с острым надрезом KCV, приведен на рис. 2.

Вопрос 3. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3,6% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется

Диаграмма состояния системы железо-карбид железа (Fe-Fe₃C) приведена на рис. 1, а. В данной системе выделяют:

1. Однофазные компоненты

Жидкая фаза расплав.

Феррит (Ф) твердый раствор (внедрения) углерода и других примесей в -железе. Различают низкотемпературный -феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный -феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. кристаллическая решетка феррита объемноцентрированная кубическая (ОЦК). Атом углерода располагается в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29 радиуса атома железа (R), а также в вакансиях, дислокациях и т.д. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен.

Аустенит (А) твердый раствор (внедрения) углерода и других примесей в -железе. Предельная растворимость углерода в -железе 2,14%. Кристаллическая решетка аустенита гранецентрированная кубическая (ГЦК). Атом углерода в решетке -железа располагается в центре элементарной ячейки, в которой может поместиться сфера радиусом 0,41R, и в дефектных областях кристалла. Микроструктура аустенита полиэдрические зерна.

Цементит (Ц) это химическое соединение железа с углеродом карбид железа Fe₃C. В цементите содержится 6,67% углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов.

2. Двухфазные компоненты:

Перлит это эвтектоид, состоящий из двух фаз феррита и цементита. образуется перлит при температуре ниже 727С в результате разложения аустенита на феррит и цементит. Содержание углерода в нем равно 0,8%.

Ледебурит это эвтектика, состоящая из аустенита и цементита, образующаяся при концентрации углерода 4,3% в диапазоне температур 1147-727С. При температуре ниже 727С аустенит превращается в перлит, и ледебурит состоит из смеси перлита и цементита.

Рассмотрим структурные составляющие в разных областях диаграммы Fe-Fe₃C.

Выше линии ликвидус (ABCD), вне зависимости от концентрации углерода, система находится в жидком состоянии (жидкая фаза). По линии ликвидус начинается процесс кристаллизации сплавов. При этом в зависимости от концентрации углерода происходи кристаллизация различных однофазных компонентов:

§ по линии АВ происходит кристаллизация феррита-;

§ по линии ВС кристаллизация аустенита;

§ по линии CD кристаллизация цементита.

Процесс кристаллизации заканчивается на линии солидус (AHJECF). В промежутке между линиями ликвидус и солидус система представляет собой комбинацию из жидкой фазы и одного из однофазных компонентов: область AHJB жидкая фаза + феррит-; область BJEC жидкая фаза + аустенит; область DCF жидкая фаза + цементит.

По линии солидус процесс кристаллизации завершается. Структура сплава ниже линии солидус зависит от концентрации углерода. Ниже линии АН (область AHN) сплав имеет однофазную структуру феррита-; ниже линии HJ (область HJN) сплав состоит из двух фаз аустенита и феррита-, это объясняется тем, что имеющийся в сплаве углерод (более 0,8%) не может быть полностью связан в феррит- и образует аустенит; ниже линии JE (область NJESG) сплав имеет однофазную структуру аустенита; по линии ЕС (содержание углерода от 2,14 до 4,3%) сплав кристаллизируется с образованием аустенита, избыток углерода идет на формирование цементита с образованием эвтектики (ледебурита), таким образом ниже линии ЕС до температуры 727С сплав имеет структуру аустенит + цементит + ледебурит; в точке С из жидкой фазы одновременно кристаллизируется аустенит и первичный цементит с образованием ледебурита; по линии CF в сплаве сохраняется первичный цементит и его структура (вплоть до линии 727С) цементит + ледебурит.

Дальнейшие изменения структуры затвердевшего сплава происходят в результате фазовых превращений в нем.

Вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените по линии SE происходит выделение его избытка с образованием вторичного цементита. Ниже этой линии и до температуры 727С структура сплава аустенит + вторичный цементит.

По линии GS из аустенита происходит выделение кристаллов феррита-, таким образом структура в области GSP аустенит + феррит. В области QPG сплав имеет однофазную структуру феррита-. По линии QP, из-за снижения растворимости углерода в феррите из него выделяется третичный цементит и ниже этой линии структура сплава феррит + цементит.

По линии PSK (727С) происходит эвтектоидное превращение с распадом аустенита на феррит и цементит, при этом образуется эвтектоидная смесь (перлит). При этом, в зависимости от концентрации углерода будут наблюдаться следующие структуры:

§ ниже линии PS феррит + перлит;

§ при концентрации углерода 0,8% (точка S) перлит;

§ при концентрации углерода 0,8-2,14% цементит вторичный + перлит;

§ при концентрации углерода 2,14-4,3% перлит + цементит + ледебурит (перлит + цементит);

§ при концентрации углерода 4,3-6,67% цементит + ледебурит (перлит + цементит).

С учетом вышеизложенного рассмотрим превращения, происходящие при охлаждении сплава с концентрацией углерода 3,6% (рис. 1, б). Начало затвердевания сплава, содержащего 3,6% С, соответствует температуре t₁, лежащей на линии ликвидус ВС. Ниже температуры t₁ сплав имеет двухфазное состояние: жидкость и кристаллы аустенита. Кристаллизация аустенита протекает при изменении температуры (С = 2+1-2=1), и на кривой охлаждения отмечается перелом. Состав жидкости изменяется по линии ликвидус, а аустенита — по линии солидус.

При температуре 1147°С (линия ЕС, точка t₂) аустенит достигает предельной концентрации, указываемой точкой Е (2,14%С), а оставшаяся жидкость — эвтектического состава 4,3%С (точка С). Она затвердевает при одновременной кристаллизации двух фаз (аустенита и цементита), образующих ледебурит:

Процесс эвтектической кристаллизации протекает при постоянной температуре (на кривой охлаждения наблюдается остановка), так как при наличии трех фаз: аустенита (2,14% С), цементита (6,67% С) и жидкости (4,3% С), число степеней свободы равно нулю (С = 2 + 1 – 3 =0). После затвердевания сплав состоит из кристаллов аустенита предельной концентрации и ледебурита (аустенит + цементит).

При дальнейшем понижении температуры из аустенита выделяется цементит. Состав аустенита при этом изменяется по линии SE.

При температуре 727° С (линия PSK, точка t₃) аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидного состава (0,8%С), указываемого точкой S, распадается с одновременным выделением двух фаз: феррита и цементита, образующих перлит:

Аналогичные превращения протекают во всех сплавах, содержащих 2,14-4,3% С; после охлаждения (ниже температуры 727° С) структура их состоит, из перлита, ледебурита (перлит + цементит) и вторичного цементита. Сплавы подобной структуры относятся к группе доэвтектических чугунов. Вторичный цементит в чугунах не обнаруживается под микроскопом в виде отдельных частиц, так как они выделяются в ледебурите (на входящих в него частичках цемента).

Вопрос 4. Приведите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 45-50 НRС. Опишите, как этот режим называется, опишите сущность превращений и какая структура получается в данном случае

Как следует из диаграммы изотермического превращения, в результате термообработки должна быть получена структура бейнита, обладающего необходимой твердостью.

Для этого используем ступенчатую закалку изделие, нагретое до температуры закалки, переносим в ванну с расплавленными солями, нагретыми выше температуры мартенситного превращения и выдерживаем при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит. Затем изделие охлаждаем на воздухе. Кривая режима обработки приведена на диаграмме.

Определим режим закалки более подробно.

Сталь У8 содержит 0,8%С, т.е. относится к эвтектоидным сталям, для которых . Температура закалки должна на 30-50С превышать температуру точки А₁. Исходя из этого назначаем температуру нагрева под закалку t_з = 780С. Выдержка при этой температуре определяется размерами детали она должна быть равномерно прогрета на все сечение.

Температура первой ступени охлаждения и выдержку при ней определяем ориентировочно по диаграмме изотермического превращения t₁ 320С, ₁ 6300 с. Данная температура может быть обеспечена расплавом гидроксида натрия (NaOH).

После выдержки на первой ступени деталь вынимается из расплава и дальнейшее охлаждение происходит на воздухе.

Рассмотрим сущность бейнитного превращения. Бейнитное превращение, является промежуточным между перлитным и мартенситным и происходит в интервале температур охлаждения 500-250 °С. Механизм бейнитного превращения состоит в том, что при диффузионном перераспределении углерода в аустените образуются области, обогащенные и обедненные углеродом. Области, обедненные углеродом, претерпевают бездиффузионное превращение в мартенсит, а области аустенита, обогащенные углеродом, выделяют частицы цементита, обедняясь углеродом. Обедненный углеродом аустенит бездиффузионным путем превращается в мартенсит, который неустойчив при данной температуре и в процессе изотермической выдержки распадается на ферритно-цементитную смесь. Это превращение имеет черты диффузионно-перлитного и бездиффузионно-мартенситного превращений. В результате образуется структура бейнит, представляющая собой смесь -фазы (феррита) и карбидов очень мелких размеров.

Такое превращение характерно для углеродистых сплавов. В интервале температур охлаждения 500-350 °С образуется верхний бейнит, имеющий перлитоподобное строение, а в интервале 350-250 °С (как в нашем случае) — нижний бейнит, имеющий игольчатое мартенситоподобное строение. Нижний бейнит трудно отличим от отпущенного мартенсита. В верхнем бейните карбидные частицы расположены между пластинами феррита, по границам и внутри пластин, а в нижнем бейните частицы карбидов находятся только внутри пластин феррита, но это можно выявить лишь при больших увеличениях, например, с помощью электронного микроскопа. Бейнитное превращение происходит при изотермических выдержках в указанном диапазоне температур (500-250 °С) и особенно характерно для сплавов, легированных молибденом, никелем, хромом и вольфрамом. Бейнит обладает прочностью выше прочности перлита, что обусловлено малым размером ферритных кристаллов, дисперсными выделениями карбидов, повышенной плотностью дислокаций, закрепленных атомами углерода, и искажением решетки феррита в результате пересыщения его углеродом и легирующими добавками. В верхнем бейните мелкие включения карбидов расположены преимущественно по границам ферритных кристаллов и поэтому меньше тормозят движение дислокаций, а в нижнем бейните дисперсность карбидов возрастает и они располагаются главным образом внутри кристаллов феррита, оказывая эффективное торможение дислокаций, тем самым повышая прочность бейнита.

ликвация ударный вязкость бейнитный

Вопрос 5. Как изменяются структура и свойства стали 40 и У12 в результате закалки от температуры 750 и 850С. Объясните с применением диаграммы состояния железо-цементит. Выберите оптимальный режим нагрева под закалку каждой стали

Сущность закалки, как известно, состоит в переохлаждении аустенита для получения мартенситоподобной структуры. Отсюда вытекает логичное требование деталь, нагретая до температуры закалки, должна иметь чисто аустенитную структуру. Как следует из диаграммы состояния железо-цементит, превращение первичной структуры стали в аустенит начинается при температуре точки А₁ для заэвтектоидных, и температуре точки А₃ для доэвтектоидных. Для полного распада первоначально структуры с целью получения структуры чистого аустенита деталь необходимо нагреть несколько выше температуры указанных точек, обычно на 30-50С. Сталь 40 содержит 0,4%С, относится к доэвтектоидному классу и в холодном состоянии имеет структуру феррит+перлит. Сталь У12 содержит 1,2%С, относится к заэвтектоидному классу и в холодном состоянии имеет структуру цементит (вторичны) + феррит.

Исходя из вышеизложенного рассмотрим участок диаграммы железо-цементит (рис. 1), на котором отмечены заданные температуры (750 и 850С), а также вертикали, соответствующие указанным сталям.

Сталь 40. Как видим на диаграмме, при обеих температурах нагрева под закалку сталь имеет структура аустенита. То есть в принципе обе температуры подходят. Но необходимо учесть, перегрев стали вызывает рост зерна аустенита и, как следствие, при закалке образуется крупноигольчатый мартенсит, что ухудшает вязкостные свойства готового изделия. Кроме того, перегрев способствует образованию трещин в изделии и обезуглероживанию стали. Таким образом, для стали 40 оптимальная температура нагрева под закалу 750С.

Сталь У12. При температуре 750С сталь не имеет чисто аустенитной структуры. В результате после закалки с этой температуры в структуре стали наряду с мартенситом сохраняются участки феррита, не претерпевшие превращения в аустенит при нагреве. Присутствие феррита снижает твердость стали после закалки и ее механические свойства после отпуска. В то же время температура 850С соответствует всем требованиям закалки сталь имеет аустенитную структуру и не перегрета. Таким образом, 850С оптимальная температура закалки для стали У12.

Ликвация в стали

Жидкое железо способно растворить в себе намного больше любых элементов — легирующих и примесей, чем твердое железо. Сера дает в этом самый яркий пример. Если жидкое железо при температуре 1000 ºС может растворить 31 % серы, то твердое железо при той же температуре – только 0,01 %. Это значит, что во время кристаллизации стали вся сера будет растворяться в жидкой фазе стали и почти нисколько ее не будет растворяться в твердой фазе.

Ликвация серы в стали

Сера присутствует в твердом железе в виде малых частиц, которые называются включениями. Сульфидные включения являются химическими соединениями сульфида железа, имеющими формулу (MnFe)S. Марганец, который присутствует во всех сталях, входит в эти сульфиды в количестве, которое зависит от общего содержания марганца в стали и скорости кристаллизации. После окончания кристаллизации сульфидные частицы распределяются по объему стального слитка весьма неоднородно. Это явление в русскоязычной технической литературе называется ликвацией, а в англоязычной -микросегрегацией (microsegregation).

Причиной ликвации являются дендриды, поэтому ее часто так и называют «дендридная ликвация». Схема образования ликвации показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема движения примесей в междендридные области
при кристаллизации стали

Твердые дендриды практически не содержат атомов серы. Поэтому эти атомы выталкиваются из растущих дендридных ветвей в жидкие области между двумя дендридами. Это показано стрелками на рисунке 1.

Образование сульфидов в стали

Самое большое содержание серы в междендридных областях у основания дендридов – внизу рисунка. Когда концентрация серы в железе становиться достаточно большой, происходит образование сульфидных частиц. В зависимости от химического состава стали сульфидные включения образуются в жидкости в виде твердых частиц или жидких капель. Эти капли затвердевают уже позже при температурах, которые ниже температуры затвердевания основания дендридов. Таким образом, все сульфидные частицы располагаются в междендридных областях, которые указаны на рисунке как зоны с высокой концентрацией примесей.

Влияние ликвации на структуру стали

Отличные от железа атомы, которые намеренно добавляют в железо при приготовлении стали, такие как марганец, углерод и легирующие элементы, также сегрегируют в области между дендридами литой стали. Явление ликвации-микросегрегации может приводить к образованию в аустените частиц, которых казалось бы не должно быть согласно фазовой диаграмме железо-углерод.

Кинетика роста дендридов

Фазовая диаграмма показывает, что когда этот сплав с содержанием 1,8 % углерода находится при температуре 1100 ºС, он должен состоять из однофазного аустенита без каких-либо частиц. Однако с из-за явления ликвации углерода между дендридами структура сплава может оказаться немного другой.

Фазовая диаграмма на рисунке 2 предсказывает, что этот сплав начинает формировать твердую фазу, когда температура жидкости снизится до 1400 ºС. Это значит, что кончики первичных дендридов на рисунке 1 были самой первой твердой фазой, которая образовалась в жидкой фазе при температуре около 1400 ºС. Фазовая диаграмма также предсказывает, что содержание углерода в этих первых твердых кристаллах будет всего лишь 0,7 %. Таким образом, при образовании первых кристаллов дендридов содержание углерода в них должно упасть с 1,8 до 0,7 %, а разница в 1,1 % должна быть «вытолкнута» в жидкую фазу. Это схематически показано стрелками между дендридами на рисунке 2.

При движении к основанию дендридов на рисунке 2 содержание углерода в междендридных областях возрастает, а температура снижается. Когда температура жидкости снижается до 1148 ºС, то по рисунку 2 видно, что содержание углерода в междендридной жидкости достигнет эвтектического состава 4,3 % углерода. Поэтому вся оставшаяся жидкость будет затвердевать при температуре 1148 ºС как эвтектическая смесь аустенита, содержащего цементитные частицы. Далее возникают два различных варианта, которые могут происходить при дальнейшем снижении температуры от 1148 до 1100 ºС.

Равновесная кристаллизация стали

Основания дендридов образовывались из жидкости самыми первыми и они имеют содержание углерода около 0,7 %, что значительно ниже номинального содержания 1,8 %. Это создает условия для того, чтобы углерод из свежеобразованных цементитных частиц диффундировал в более «старые» основания дендридов, обедненные углеродом. Это приведет к тому, что эти цементитные частицы просто растворяться. Это – первый вариант, в результате которого при температуре 1100 ºС сформируется однофазный аустенит. Кроме того, если коэффициент диффузии углерода будет достаточно высоким, а сталь будет охлаждаться медленно, то углерод будет диффундировать в основания аустенитных дендридов. В результате будет образовываться гомогенный аустенит при температуре 1100 ºС с содержанием углерода 1,8 %, как это и предсказывает фазовая диаграмма на рисунке 2. Этот вариант кристаллизации стали называется равновесной кристаллизацией.

Неравновесная кристаллизация стали

Во втором варианте скорости диффузии не хватает, чтобы при охлаждении стали от 1148 до 1100 ºС растворить все цементитные частицы, которые сформировались в твердой эвтектике при температуре 1148 ºС. В этом случае результатом при температуре 1100 ºС будет смесь аустенита и частиц цементита Fe₃C. Поскольку равновесная фазовая диаграмма предсказывает, что сплав с 1,8 % углерода не должен содержать при температуре 1100 ºС никаких цементитных частиц, то этот вариант кристаллизации называют неравновесной кристаллизацией.

Роль диффузии в ликвации

Это второй – неравновесный – вариант показывает, как это возможно, что между дендридами в стали образуются частицы — происходит ликвация, хотя согласно фазовой диаграммы должен образовываться однофазный аустенит без каких-либо частиц. Дело в том, что в чистых железоуглеродистых сплавах коэффициент диффузии крошечных атомов углерода является очень большим. Поэтому при их затвердевании происходит равновесная кристаллизация. Реальные стали, однако, содержат марганец и легирующие элементы. Марганец и некоторые из легирующих элементов, такие как молибден и хром, являются сильными карбидообразующим элементами. Цементитные карбидные частицы в этом случае принимают вид (FeX)₃C, где Х – это комбинация марганца, молибдена и хрома. Чтобы растворить эти карбидные частицы, диффундировать должны атомы элемента Х, а также атомы углерода. Однако эти элементы диффундируют в тысячи раз медленнее, чем углерод. Эти и объясняется то, что обычно кристаллизация низколегированных, инструментальных и нержавеющих сталей происходит как неравновесная кристаллизация.

Что такое ликвация? Причины ее возникновения и способы устранения

Ликвация (от лат. liquatio – разжижение, плавление), сегрегация (от позднелат. segregatio – отделение) в металлургии, неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристаллизации. Особое значение имеет Л. в стали, впервые обнаруженная русскими металлургами Н.В. Калакуцким и А.С. Лавровым в 1866.

Л. возникает в результате того, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. При этом состав кристаллов, образующихся в начале затвердевания, может существенно отличаться от состава последних порций кристаллизующегося маточного раствора. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем большее развитие получает Л., причём наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину интервала кристаллизации (для стали, например, сера, кислород, фосфор, углерод). Л. оказывает, как правило, вредное влияние на качество металла, т.к. приводит к неравномерности его свойств.

Различают дендритную Л., которая проявляется в микрообъёмах сплава, близких к размеру зёрен, и зональную Л., наблюдаемую во всём объёме слитка. Дендритная Л. выражается в том, что оси дендритных кристаллов отличаются по химическому составу от межосных пространств. Этот вид Л. может быть в значительной степени устранён при длительном отжиге металла (так называемая гомогенизация) в результате диффузии примесей. Зональная Л. выражается в наличии в слитке нескольких зон с различным химическим составом, которые в зависимости от характера отклонений от среднего состава сплава называются зонами положительной или отрицательной Л. Различают осевую и внеосевую Л. Для уменьшения зональной Л. ограничивают размеры слитков, а также применяют специальные металлургические процессы: непрерывную разливку, переплав в водоохлаждаемом кристаллизаторе (электрошлаковый или вакуумный) и т.п.

На практике для оценки химической неоднородности распределения тех или иных вредных примесей и углерода используют отдельные частные методики, которые позволяют выявить зональную, внутридендритную или междендритную ликвацию таких вредных примесей, как сера и фосфор, а также такого основного элемента стали, как углерод. Для определения ликвации серы используют так называемый метод отпечатков, который можно отнести к группе методов поверхностного травления. В этом случае поверхность макрошлифа, хорошо шлифованную шкуркой с мелким зерном, протирают ватой, смоченной спиртом, для удаления следов абразивного материала, металлической пыли и других загрязнений. Затем лист фотографической (бромсеребряной) бумаги на свету смачивают или выдерживают в течение 5-10 мин в 5 % -ном водном растворе серной кислоты и слегка просушивают между листами фильтровальной бумаги для удаления излишнего раствора. После этого на приготовленный шлиф накладывают фотографическую бумагу и эмульсионной стороной осторожно, не допуская смещения бумаги, проглаживают резиновым валиком или рукой (в резиновой перчатке) для удаления оставшихся между бумагой и макрошлифом пузырьков воздуха, так как эти пузырьки оставляют на бумаге белые пятна и искажают результаты анализа. Фотобумагу выдерживают на макрошлифе 3-15 мин.

Сера находится в стали в виде соединений с марганцем (MnS) или железом (FeS). На тех участках поверхности металла, на которых имеются скопления сернистых соединений (сульфидов), происходит реакция между ними и серной кислотой, оставшейся на фотобумаге:

FeS + H2SO4 FeSO4 + H2S.

Аналогичная реакция протекает и c сернистым марганцем.

Сероводород, образующийся непосредственно против очагов своего выделения, воздействует на кристаллики бромистого серебра фотоэмульсии, поэтому на этих участках происходит дальнейшая реакция:

2AgBr + H2S 2НВг + Ag2S.

Сернистое серебро имеет темный цвет, поэтому образующиеся на фотобумаге темные участки указывают форму и характер распределения включений сульфидов в исследуемой стали (или чугуна). Снятую с макрошлифа фотобумагу промывают струей воды, фиксируют 20-30 мин в растворе гипосульфита, после чего снова промывают (примерно 10 мин) в воде и просушивают.

Фосфор, если он присутствует в отдельных участках стали и чугуна, в повышенном количестве вследствие ликвации, может также участвовать в реакции с бромистом серебром, образуя фосфиды серебра темного цвета, для определения ликвации угле – рода и фосфора используют приведенный выше реактив Гейна. Участки стали с различным содержанием этих элементов травятся неодинаково, В участках, обогащенных углеродом и фосфором, медь выделяется менее интенсивно и поэтому меньше защищает поверхность металла от травящего действия хлористых солей реактива. Эти участки окрашиваются в более темный цвет.

Лучшие результаты получаются при макроанализе стали, содержащей до 0,6 % С. В стали с большим содержанием углерода осадок меди плохо смывается с макрошлифа. Этот реактив выявляет одновременно и ликвацию серы, поскольку характер распределения серы, фосфора и углерода почти одинаков.

Для устранения ликвации используют отжиг.

Отжигом называют нагрев стали до заданной температуры, выдержку и медленное (вместе с печью) охлаждение. В зависимости от марки стали скорость охлаждения колеблется в пределах от 150 до 30 градусов в час. После отжига получается наиболее равновесная структура.

– для снятия внутренних напряжений;
– получения минимальной твердости;
– исправления структуры кованой, литой или перегретой стали;
– устранения дендритной ликвации.

В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отжига:

1) Низкий отжиг. Температура нагрева ниже нижней критической точки Ас1 на 100 – 50оС:

Тн = Ас1 – (100 … 50) оС.

Нагрев не сопровождается фазовыми превращениями, поэтому структура таким отжигом не изменяется (исключение – рекристаллизационный отжиг после холодной пластической деформации). Отжиг низкий применяют для снятия внутренних напряжений.

2) Неполный отжиг. Температура нагрева лежит на 30 – 50 градусов выше нижней критической точки стали:

Тн = Ас1 + (30 … 50) оС.

Нагрев сопровождается частичной фазовой перекристаллизацией и приводит к исправлению перлитной (П) составляющей. Избыточная структурная составляющая феррит не претерпевает изменений. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяется редко.

3) Полный отжиг. Температура нагрева лежит на 30 – 50 градусов выше верхней критической точки Ас3:

Тн = Ас3 + (30 …50) оС.

Нагрев приводит к полной фазовой перекристаллизации и, как следствие, исправлению перегретой структуры. При нагреве выше точки Ас3 на 30 … 50 оС образуется мелкое аустенитное зерно (см. рисунок 1, а), из которого при охлаждении с малой скоростью (кривая 1 – рисунок 1, в) формируется мелкая ферритно-перлитная структура. Если нагреть сталь до более высоких температур, аустенитное зерно вырастет, из такого зерна после охлаждения образуется крупнозернистая ферритно-перлитная структура (рисунок 1).

а – нормальный нагрев; б – перегрев.

Рисунок 1 – Структурные изменения доэвтектоидной стали при полной фазовой перекристаллизации

Полный отжиг снимает внутренние напряжения, смягчает сталь и полностью исправляет структуру. Применяют полный отжиг только для доэвтектоидных сталей, так как в заэвтектоидных сталях при медленном охлаждении образуется цементитная сетка вокруг перлитных зерен, что охрупчивает сталь.

Формирование крупного стального слитка

Ликвационные явления в стальном слитке

Ликвацией обычно называют химическую неоднородность, возникающую при кристаллизации слитка под влиянием физико-химических процессов и особенностей, сопровождающих охлаждение стали в изложнице. В литературе также широко используется термин сегрегация (от английского слова segregation).

Ликвация проявляется в виде повышенной концентрации некоторых химических элементов в определенных локализованных зонах слитков на макро- и микроуровнях. Наиболее подвержены ликвационным явлениям такие химические элементы как сера, углерод, фосфор, кремний, марганец, молибден, хром и пр.

На практике различают дендритную ликвацию в пределах одного дендрита (микроуровень) и зональную ликвацию в пределах слитка (макроуровень). Внутри дендрита наблюдают различный химический состав сплава в осях, в межосных пространствах и по его границам.

Процесс ликвации обусловливается диффузионными явлениями, которые проявляются в зоне перехода жикого металла в твердый. Жидкий металл, находящийся в непосредственном контакте с растущими кристаллами, обогащается ликвирующими примесями. Перемещение металла из области затвердевания, в которой сосуществует твердая и жидкая фазы, в жидкую область слитка определяется, во-первых, механическим захватом жидкости осями растущих дендритов (зона столбчатых кристаллов) и ее вытеснением, во-вторых, диффузией (молекулярной и конвективной), осуществляющей перенос загрязненной жидкости. Оба эти фактора действуют независимо от природы ликвирующих примесей.

Дендритная и зональная ликвация тесно взаимосвязаны: чем больше в данном сплаве дендритная ликвация, тем меньше зональная ликвация, и наоборот. В данном случае проявляется влияние ширины двухфазной зоны. Чем эта зона уже, тем меньше дендритная ликвация.

Характерное расположение основных ликвационных зон приведено на рис.3.8.

Рисyнок 3.8 – Схематическое расположение основных видов дефектов в крупном слитке 1 – усадочная раковина; 2- полосчатость; 3 – подусадочная ликвация (ликвационное пятно); 4 – внецентренная (А-образная) ликвация; 5 – осевая (V-образная) ликвация; 6 – конус осаждения

Для выявления зональной ликвации используются следующие методы:

Химический – взятие проб из различных точек слитка в продольном и поперечных сечениях и их химический анализ.

Металлографический – химическое травление макроструктуры. Зоны скопления примесей при этом травятся интенсивнее, чем более чистые, и приобретают более темный цвет. Этот метод дает качественную, но охватывающую все сечение слитка, оценку.

Макроликвацию серы в затвердевших слитках изучают также по серным отпечаткам от плит, вырезанных из слитка в продольном и поперечном направлениях. На серном отпечатке выявляются следы сульфидных включений (в виде затемнений), что дает общую картину распределения серы в литом металле.

Следует отметить, что V – образная осевая неоднородность и А-образная форма внеосевой неоднородности, выявляемые на серном отпечатке, сочетают в себе усадочные пустоты и скопления примесей, определяемые при исследовании макроструктуры, например, глубоким травлением в растворах кислот.

Согласно современным научным данным, в основе происхождения большинства видов дефектов лежит массоперенос в объеме затвердевающего слитка, который вызывает ликвацию, термическую усадку и термогравитационную конвекцию. В зависимости от структуры, формирующейся в ходе затвердевания, характер конвективных потоков может быть различным. В конечном счете, конвекция в объеме расплава вызывает взаимодействие потоков и образование зон, обогащенных примесями.

Если конвекция достаточно глубоко проникает в двухфазную область, то могут исчезнуть изменения состава растворенного вещества между осями дендритов, а сегрегация происходит по пути следования конвективного потока. Такое удаление растворенного вещества из междендритных областей может приводить к полосчатости, что иногда наблюдается в периферийных слоях слитков. Полосы могут также возникать из-за термических пульсаций при образовании газового зазора между слитком и изложницей, которые влияют на положение изотерм в двухфазной зоне и, как следствие, – на ликвацию.

Основной причиной образования ликвационного пятна под усадочной раковиной является всплытие примесей из нижней и средней части слитка. Определение изменения состава металла снизу вверх по оси крупных стальных слитков показывает, что в поверхностном слое он соответствует исходному. Далее содержание примесей снижается, ближе к верхней части возрастает до исходного и в пределах ликвационного пятна резко увеличивается. В первую очередь всплывают крупные частицы примесей, обособившиеся в выделения самостоятельных фаз. Повышение содержания ликвирующих примесей в стали всегда снижает ее плотность. Второй, не менее значительной причиной образования ликвационного пятна, может служить увлечение ликвата из верхних слоев металла при усадочном опускании. Установлено, что слой металла, расположенный над усадочной раковиной, содержит примесей меньше, чем их было в исходном металле.

Внецентренная ликвация характеризуется макропористостью и повышенной концентрацией ликвирующих элементов. Проявление внецентренной ликвации происходит в виде шнуров (на серном отпечатке), имеющих протяженность от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. В поперечном сечении шнуры внецентренной ликвации представляют собой круг диаметром 5-8 мм. Прямые анализы металла в стальных слитках показывают, что в загрязненных зонах внецентренной ликвации, называемых достаточно часто «шнурами», массовая доля примесей увеличивается в следующих масштабах: углерод 10-30%, фосфор — 20-40%, сера — 30-50% по сравнению с исходным средним составом.

Наиболее вероятной причиной внеосевой А-образной ликвации (ее называют также шнуровой ликвацией) является всплытие ликватов, поступающих из междендритных промежутков вдоль границы затвердевания и частично через образовавшийся дендритный каркас. Согласно М.Флемингсу, шнуровая ликвация формируется в том случае, когда скорость потока ликватов в междендритном пространстве (в направлении роста твердой фазы) превышает скорость движения изотерм. В противном случае ликваты локализуются между осями дендритов. Траектория движения ликватов определяется, с одной стороны, перемещением границ затвердевания, подчиняющимся закону квадратного корня, с другой стороны, всплытием снизу вверх. Этим определяется квазипараболическая форма их траекторий. Внецентренная ликвация проявляется только на достаточно большом расстоянии от оси слитка, при котором усадочные перемещения жидкого металла сверху вниз еще не получают развития.

Область расположения шнуров внецентренной химической неоднородности определяется интенсивностью конвективных потоков жидкой слали в различных местах затвердевающего слитка. Чем сильнее интенсивность конвективных потоков, тем больше их смывающее действие на ликвационные выделения. В нижней, более охлаждаемой части слитка, где формируется зона осадочной кристаллизации, конвективное движение затухает раньше, что способствует накоплению ликватов и более раннему появлению ликвационных шнуров.

Для получения слитков без А – образной ликвации рекомендуется выбирать химический состав стали, руководствуясь следующим эмпирическим соотношением:

I = –1,022 [Si] – 0,049 [Mn] + 0,208 [Mo], (3.14)

где I – интегральный параметр, значение которого должно стремиться к нулю для обеспечения производства слитков с минимальной ликвацией; Si, Mn, Mo – содержание соответствующего элемента в массовых процентах.

Рекомендуемое соотношение было экспериментально проверено на слитках массой от 13 до 400 т при вакуум-углеродном раскислении или раскислении кремнием. Наибольший уровень ликвации углерода отмечен в слитках массой 210 и 430 т (соответственно, 38% и 41%). Несмотря на сравнительно большой уровень ликвации углерода во всех опытных слитках А-образная ликвация отсутствовала.

Непосредственной причиной формирования осевой V-образной ликвации в осевой части слитков являются усадочные перемещения жидкой и твердой фазы. Процесс образования V-образной неоднородности реализуется на границе твердой и жидкой частей слитка в условиях, когда уровень жидкости в средней части непрерывно опускается. По мере сближения фронтов горизонтального затвердевания у оси слитка скорость усадочного перемещения возрастает. Поток движущегося жидкого металла увлекает за собой скопления ликватов, экстрагируя их из межосных пространств дендритов. Скопления ликвата описывают траектории, определяемые, с одной стороны, движением границ затвердевания, а с другой — усадочными перемещениями жидкого металла. Известно, что при содержании в двухфазной жидко-твердой области около 20% твердой фазы вязкость ее возрастает до потери жидкотекучести и питание усадки жидким металлом из прибыли затрудняется. Именно поэтому осевая неоднородность характери-зуется пористостью, проявляющейся в виде трещин, и сопровождается положительной ликвацией в направлении к прибыли. Чем ближе к нижней части слитка, тем слабее проявляется осевая ликвация и тем больше угол раскрытия между ветвями ее выделений.

Ликвация в осевой зоне слитка крайне опасна. Так как эффективность прокатки или ковки (проработка металла) уменьшается по мере приближения к центру слитка, подобные пороки устраняются с трудом. Особую опасность осевая пористость представляет для массивных деталей, испытывающих при работе большие радиальные усилия, например, роторов турбин и двигателей переменного тока.

Образование конуса осаждения характеризуется отрицательной ликвацией углерода и других примесей в этой зоне, что связано с накоплением кристаллов первичной кристаллизации, опускающихся в донную часть слитка. На нижних горизонтах слитка, куда опускаются кристаллы, вследствие мощного охлаждающего действия поддона, образуется зона вязкого металла, которая в конвективном и гравитационном перемещении металла не участвует. В зоне оседания кристаллов резко ускоряется кристаллизация, так как в этих участках наблюдается меньшее выделение скрытой теплоты кристаллизации. Тот факт, что в осях дендритов конуса осаждения встречаются силикатные включения, свидетельствует о том, что равноосные кристаллы в жидко-твердой зоне вначале преимущественно образуются на зародышах из неметаллических включений, а затем опускаются на нижние горизонты слитка.

В целом ликвация компонентов в процессе формирования крупных стальных слитков является результатом комплекса очень сложных явлений затвердевания, включая такие факторы, как макроликвация, образование дендритов, перемещение потоков обогащенного примесями остаточного расплава, в частности в переходной зоне затвердевания, конвекция в незатвердевшей части слитка, перенос и оседание кристаллов, крупномасштабные и локальные тепловые потоки и т.п.