Страница 5 из 10
При комнатной температуре легирование ванадием совместно с азотом определяет до 64 % общего изменения ударной вязкости. Самые низкие значения KCV соответствуют областям максимальных значений ванадия и азота. При криогенных температурах главная роль в падении значений KCV принадлежит азоту. Понижение ударной вязкости в интервале температур от 293 до 20К соизмеримо со средними значениями KCV при комнатной температуре. Однако, если азот вводить вместе с ванадием, то ударная вязкость мало изменяется вплоть до криогенных температур. Разница между величинами KCV при 293 и 20К составляет меньше 30 Джсм2.
Основным видом термообработки для аустенитных сталей является закалка. Влияние закалки на механические свойства определяется по разнице между величинами свойств в литом нетермообработанном и закаленном состоянии при соответствующих температурах испытания (293, 77 и 20К).
После закалки наблюдается рост временного сопротивления и уменьшение предела текучести. Изменение прочности в результате закалки определяется наличием азота и сильных карбидообразующих элементов – ванадия и хрома.
Карбидообразующие элементы определяют также и большую часть изменения пластичности. Во всех случаях пластичность закаленной стали выше, чем у литой. С понижением температуры испытания пластичность литой нетермообработанной стали падает сильнее, если в ней присутствует азот, ванадий и хром.
Закалка также повышает и ударную вязкость сталей. Однако в сталях с азотом при концентрации ванадия более 0,5 % разница в вязких свойствах после литья и закалки уменьшается. Близкие значения величин KCV определяются одинаково мелким зерном в литом нетермообработанном состоянии и низкой растворимостью карбонитридов ванадия при нагреве под закалку.
Основное влияние на литейные свойства оказывают элементы, обладающие повышенным химическим сродством к растворенным в расплаве кислороду и азоту. Из литейных свойств наиболее важными являются жидкотекучесть, трещинопоражаемость, линейная и объемная усадки. В модуле представлены зависимости жидкотекучести, общей длины горячих трещин, линейной усадки и объема открытой усадочной раковины от химического состава.
Самое существенное влияние на жидкотекучесть оказывают азот и хром. Жидкотекучесть падает при их легировании с другими легирующими, а наиболее сильно при совместном введении. Склонность к образованию горячих трещин определяется наличием марганца и азота. Самые высокие значения трещинопоражаемости (Г) имеют области составов с их максимальным содержанием. Линейная усадка зависит от концентрации ванадия и марганца. Снизить ее можно за счет уменьшения их общего содержания. На объем открытой усадочной раковины, помимо ванадия и марганца, оказывает влияние азот. Совместно они повышают величину объемной усадки (V) более 3,5 %. Никель не влияет на литейные свойства.
Значительное влияние элементов, обладающих повышенной химической активностью, на формирование литейных свойств, связано с образованием окисных плен и карбонитридов. Элементы, образующие прочные окисные плены, определяют в основном жидкотекучесть, а образующие карбонитриды – свойства, проявляющиеся при усадочных процессах.
Стали обычно сохраняют вязкий характер излома и разрушения вплоть до 20К. Хрупкое разрушение более характерно для образцов в нетермообработанном состоянии, а закалка увеличивает долю волокна в изломе. Характеристики ямочного рельефа на поверхности разрушения показывают, что высокие пластические и вязкие свойства наблюдаются при преимущественном диаметре ямок 15–40 мкм.
Оценку влияния дендритной структуры проводят по результатам сравнения механических свойств сталей с величинами размеров дендритов. Стали с одинаковой дендритной структурой могут иметь как вязкий, так и хрупкий излом, причем преимущественно в нетермообработанном состоянии. Вязкие и пластические свойства сталей мало зависят от степени развития дендритов, их размеров и ориентированности. Сопоставление механических свойств ряда сталей в литом и деформированном состоянии показывает, что пластические и вязкие свойства литых сталей остаются на уровне деформированных при комнатной температуре и существенно ниже при криогенных температурах.
Оценка структурных изменений в шлифах после закалки свидетельствует о том, что с повышением температуры закалки уменьшаются темные ликвационные зоны, как в сталях с дендритной, так и измельченной структурой. Это хорошо совпадает с изменением показателей пластичности и вязкости. Несмотря на измельчение дендритной структуры на 20–50 % при литье в кокиль, значения KCV сравнимы с ударной вязкостью образцов, кристаллизующихся при обычной скорости охлаждения.
Основными включениями в хромомарганцевых сталях являются оксиды, карбонитриды, корунды и алюмосиликаты. Практически все они содержат сульфидную фазу. Свыше 90 % частиц содержат основные легирующие элементы и железо, что свидетельствует об определенной когерентности кристаллических решеток основного металла и включений. Преимущественное расположение алюмосиликатов и карбонитридов в межосных участках не приводит к охрупчиванию сталей.
На хрупких изломах количество неметаллических частиц практически равно числу включений на шлифах. Но их роль в развитии хрупкого разрушения, по всей видимости, незначительна. Так, анализ более 200 микрофрактограмм изломов не выявил практически ни одного случая, когда хрупкая трещина распространялась бы от включения, и далее образовывался бы вязкий участок излома. Часто при прохождении трещины около включений образовываются мелкие ямки или пластически продеформировавшиеся участки. Это свидетельствует о том, что в пластичных аустенитных сталях неметаллические включения способны быть релаксаторами напряжений за счет реализации пластической деформации задолго до подхода трещины.
В структуре хромомарганцевых сталей сильно развита дендритная ликвация. Коэффициенты ликвации вычисляются по отношению между концентрациями компонентов в осях дендритов и межосных участках. Для сравнения берутся характеристики ликвации серы в сталях 12Х19Н10ТЛ, которая составляет до 19,9, табл.1.1.
Табл. 1.1. Характеристики ликвации элементов в опытных сталях
В сталях с 8 % хрома обнаруживаются зоны совместной ликвации марганца, никеля и ванадия в межосных участках. С ростом содержания хрома происходит выравнивание концентрации марганца и при 13 % хрома оно становится практически равномерным. Однако при этом сильно проявляется ликвация серы по границам дендритов. При низком содержании хрома выделения серы подавляются за счет повышения содержания раскислителя – марганца в зернограничных участках. Фосфор в хромомарганцевых сталях ликвирует мало.
Вязкие и пластические свойства сильно зависят от степени развития химической неоднородности. Высокая ударная вязкость сталей с низким содержанием хрома объясняется формированием благоприятной гетерогенной структуры, образованной из переплетенных более прочных осей и пластичных межосных участков дендритов. Ликвация ванадия, хотя и приводит к измельчению дендритной структуры, однако, пластичность и вязкость при этом падает из-за хрупкости ликвационных зон. Если в них присутствует никель, то отрицательное воздействие ванадия уменьшается, а значения KCV при 20К поднимаются на 50–60 Джсм2. В сталях с азотом ударная вязкость и пластичность нетермообработанных образцов мала из-за хрупкости областей его сегрегаций.