Неметаллические включения в сплавах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Неметаллические включения возникают в результате целого ряда физико-химических явлений, протекающих в расплавленном и затвердевающем металле в процессе его производства.

Все неметаллические включения, образующиеся в результате тех или иных реакций, имеющих место в процессе производства металла, обычно называют природными. К ним относятся оксиды, сульфиды, нитриды и фосфиды. сталь сплав коррозия неметаллический

Кроме природных включений в металле присутствуют также частицы шлака, огнеупоров, материалов литейной формы, то есть те вещества, с которыми металл непосредственно соприкасается в ходе производства. Подобного рода неметаллические включения называют посторонними, или случайными.

Основную массу включений в металле восстановительной плавки составляют включения, образующиеся в результате снижения растворимости примесей при охлаждении и затвердении металла. Кроме природных включений, в металле восстановительной плавки присутствуют также посторонние включения.

Современные способы производства стали и сплавов не дают возможности получить металл, не содержащий неметаллических включений. Большее или меньшее количество включений существует в любой стали в соответствии с её составом и условиями производства. Обычно количество неметаллических включений в стали не превышает 0,1 %. Однако в связи с их малыми размерами число включений в металле очень велико.

Неметаллические включения в стали являются инородными телами, нарушающими однородность её структуры, поэтому их влияние на механические и другие свойства может быть значительным. При деформации в процессе прокатки, ковки, штамповки неметаллические включения, особенно неправильной формы с острыми краями и углами, играют роль концентраторов напряжения и могут вызвать образование трещины, являющейся очагом последующего усталостного разрушения стали.

1. Влияние не металлических включений на свойство сталей и сплавов

Современные способы производства стали и сплавов не дают возможности получить металл, не содержащий неметаллических включений. Большее или меньшее количество включений существует в любой стали в соответствии с её составом и условиями производства. Обычно количество неметаллических включений в стали не превышает 0,1 %. Однако в связи с их малыми размерами число включений в металле очень велико.

Неметаллические включения в стали являются инородными телами, нарушающими однородность её структуры, поэтому их влияние на механические и другие свойства может быть значительным. При деформации в процессе прокатки, ковки, штамповки неметаллические включения, особенно неправильной формы с острыми краями и углами, играют роль концентраторов напряжения и могут вызвать образование трещины, являющейся очагом последующего усталостного разрушения стали.

Решающее значение при изучении влияния неметаллических включений на качество стали имеют их свойства: размер, форма, химические и физические характеристики, а также характер расположения по отношению к зернам литого металла. Указанные свойства включений зависят от химического состава стали, метода её выплавки и для заданной марки стали могут изменяться в широких пределах даже для одинакового способа её производства.

К настоящему времени для анализа неметаллических включений разработаны и широко используются различные методы, позволяющие с большой точностью определить состав, структуру и содержание неметаллических включений в стали и сплавах как с выделением их из металла, так и в твердом металле. Основной метод контроля содержания включений - анализ с помощью световой микроскопии макро- и микрошлифов определенного размера и места вырезки (ГОСТ 1778-70). Подсчет и определение размеров проводят вручную или с помощью автоматизированных видеосистем. В некоторых случаях применяют следующий метод. Заданную массу исследуемого металла плавят в медном тигле электронным лучом, а затем проводят анализ включений, всплывших к поверхности закристаллизовавшейся в последней момент корки слитка.

2. Влияние не металлических включений на стойкость стали к коррозии

Локальная коррозия - это электрохимический процесс, при протекании которого разрушение сосредотачивается на отдельных участках поверхности.

В общем случае для возникновения и протекания локальной коррозии необходимы следующие условия.

электрохимическая неоднородность металла; причиной этой неоднородности могут быть неметаллические включения, участки сплава с более положительным электродным потенциалом, участки металла под продуктами коррозии и др.;

наличие в растворе иона-активатора в количестве, превышающем минимальную критическую концентрацию, способную вызвать инициирование процесса локальной коррозии; ионами-активаторами чаще всего являются галоидные ионы - Сl^-, Br^-, I^-, F^-, причем наиболее агрессивным является хлор-ион, которому при изучении процессов локальной коррозии уделяют наибольшее внимание, так как он является основным природным компонентом большинства природных растворов;

наличие в растворе окислителя, способного сместить потенциал коррозии положительнее потенциала питтингообразования (минимальное значение потенциала, при котором начинается питтингообразование).

Стадийность процесса локальной коррозии достаточно подробно изучена для нержавеющих сталей и может быть представлена следующим образом.

Нарушение сплошности может происходить:

за счет проникновения агрессивного аниона через оксидную пленку;

за счет механического разрушения пленки;

за счет адсорбции анионов на защитную поверхность оксида.

Во втором случае, участок оголенной поверхности металла подвергается воздействию электролита. Беспрепятственный доступ агрессивных анионов к поверхности металла предотвращает его репассивацию на участках, подвергающихся активному анодному растворению.

В третьем случае адсорбированные анионы образуют поверхностные комплексы с металлическими ионами, что облегчает их переход в электролит, вследствие чего пленка на этом участке утоняется. Меньшая толщина оксида соответствует большей напряженности электрического поля внутри слоя и, следовательно, большей скорости миграции ионов металла. Полное удаление оксидной пленки увеличивает скорость коррозии на порядок.

Зарождение и начальный этап роста питтингов.

Питтинг начинается с узкой канавки вокруг неоднородности. По мере расширения и углубления канавки происходит разрушение самой неоднородности, ее растворение и удаление из питтинга. Соотношение вероятностей зарождения питтингов у дисперсных фаз различной природы, присутствующих в металлической матрице, зависит от многих факторов. Однако не наличие подобных мелкодисперсных неоднородностей, а присутствие в растворе в необходимой концентрации ионов-активаторов и наличие достаточно высокого потенциала коррозии для локальной активации металла необходимы для возникновения питтинговой коррозии. Неметаллические включения, как облегчающие процесс зарождения питтингов, оказывают влияние на параметры этого процесса.

Поздние этапы роста питтингов.

Развитие питтинговой коррозии выражается во взаимодействии локально оголенной поверхности металла с агрессивными анионами (например, с хлор-ионом). Растворение металла в общем виде идет по уравнению

М > М⁺ + n•e .

Далее идет гидролиз:

M+ H₂O > М(ОН)^{(n - 1)} + Н⁺

Молекулы воды, принимающие участие в элементарных актах растворения, вытесняются ионными компонентами, концентрация которых быстро нарастает. Молекулы воды расходуются также на гидратацию ионов металла и непрерывно отводятся на периферию в составе гидратных оболочек. Таким образом, процесс удаления воды полностью не компенсируется ее подводом извне. Из-за отсутствия воды в составе раствора около дна питтинга возникает новое состояние раствора, характеризующееся присутствием только гидратированных ионов металла и противоионов (хлор-ионов), практически лишенных гидратных оболочек. Такой электролит представляет собой насыщенный раствор соли соответствующего металла, через который протекают большие токи.

После достижения критического размера начинается стабильная стадия, на которой продолжается движение слоя вглубь вслед за растворяющейся поверхностью металла в питтинге, а внешняя граница остается неизменной.

Репассивация питтингов.

Эта стадия наступает (если ее наступление возможно) после второй стадии и характеризуется тем, что в питтинге происходит возврат к первоначальному состоянию, так что бывший питтинг становится подобным остальной поверхности.

Стойкость стали к локальной коррозии определяется множеством факторов, наиболее значимыми из которых являются эксплуатационные (химический состав и характеристики контактируемой с изделием среды, режим ее течения и др.) и металлургические (химический состав и микроструктура стали, количество, состав и распределение неметаллических включений, уровень прочностных свойств и др.).

Плохая воспроизводимость и большой разброс экспериментальных результатов (даже в условиях тщательного соблюдения единообразия условий испытаний - подготовки поверхности, поддержания температуры, состава испытательной среды) свидетельствуют о том, что питтинговая коррозия является вероятностным процессом, в соответствии с которым появление питтингов происходит случайно во времени и пространстве. На практике распределение питтингов не является строго случайным, так как есть места на поверхности металла, где зарождение питтингов наиболее предпочтительно, например на неметаллических включениях, хотя в пределах этого множества процесс носит случайный характер, как случайно само распределение неметаллических включений.

Под термином "неметаллические включения" понимают самостоятельные фазы сульфидов, нитридов и оксидов металла, выделяющихся в сталях при их выплавке, внепечной обработке, разливке и кристаллизации. Влияние неметаллических включений на процесс локальной коррозии связывают как с локальным растворением металла вокруг неметаллического включения, так и с активирующим действием продуктов их растворения . Согласно выводам термодинамики , различные составляющие неметаллических включений при обработке стали алюминием, кальцием и редкоземельными металлами способны разрушаться под действием водной коррозионной среды в следующей последовательности:

CeS > CaS > MnS > mCe₂O₃·nАl₂О₃ > mCaO·nАl₂О₃ > Аl₂О₃,

т.е. в соответствии с термодинамической оценкой в отношении коррозионной стойкости наиболее нежелательными являются сульфиды. Скорости саморастворения (гидролиза) сульфидов CeS, CaS и MnS намного выше, чем у металлической матрицы и оксидных составляющих.

Если включение более стабильно, чем матрица, то локальное растворение металла вокруг него может происходить за счет значительных напряжений и деформаций, возникающих в результате разницы коэффициентов термического расширения металлической матрицы и неметаллического включения (характерное, прежде всего для оксидов кальция и алюминия). В результате структурных дефектов на границе металл-включение скорость растворения металлической матрицы по сравнению с чистым металлом может значительно возрастать.

Активирующее действие продуктов растворения неметаллических включений характерно прежде всего для сульфидов. Согласно работе растворение сульфидов приводит к высокой местной концентрации сульфидинов, способных ускорять анодный процесс и реакцию выделения водорода. В связи с низкой растворимостью серы в твердом железе сульфидные включения присутствуют во всех производимых в настоящее время сталях.

Ниже более подробно рассмотрено влияние оксидной и сульфидной фазы на коррозионную стойкость стали.

3. Влияние не металлических включений на процесс разрушение стали

Неметаллические включения оказывают определяющее влияние на характер разрушения стали. Зарождение трещин у неметаллических включений обычно происходит либо в результате разрушения включения и переходе трещины из него в металл, либо при отделении включения от металлической матрицы с последующим ростом образовавшейся полости. Это связано с низкой прочностью как самих включений, так и контактного слоя металл - включение. Первичные микротрещины образуются вокруг наиболее крупных (более 10 мкм) включений, таких как MnS, CaS, AI2O3, SiO2. С понижением температуры влияние включений усиливается, причем особенно заметно с повышением общей загрязненности металла. Наиболее значительным, с точки зрения обеспечения надежности деталей, является влияние неметаллических включений на механизм разрушения стали. Степень участия включений в процессах вязкого и хрупкого разрушения существенно различна. Это объясняется тем, что энергоемкость вязкого и хрупкого разрушений определяется разными параметрами. Влияние включений на вязкое разрушение стали проявляется в механизме образования и коалесценции микропор, зарождающихся на неметаллических включениях. Хрупкие разрушения связаны с наличием внутренних дефектов с размером больше критического. Если размер включений составляет 5-10 мкм и более, опасность хрупкого разрушения возрастает. Особенно опасны оксиды и нитриды, выделяющиеся по границам аустенитных зерен. В окрестностях неметаллических включений пластическая деформация стеснена вследствие скопления дислокаций, выделения на дислокациях примесных атомов и т.д. Из-за стеснения пластической деформации напряжения растут, что приводит к возникновению микротрещин. Микронапряжения в окрестностях включений, вызванные различием физических свойств металла и включения, достигают 250 МПа. Напряженное состояние вокруг включений усугубляется существующими в металле термическими напряжениями. Согласно классификации Симса - Даля различают три вида неметаллических включений: глобулярные, пленочные по границам зерен и остроугольные. Наиболее опасны включения второго типа - пленочные, встречающиеся сравнительно редко. Остроугольные включения значительно опаснее глобулярных. Поэтому важной задачей современного материаловедения является управление природой включений с целью получения необходимого комплекса механических свойств и повышения конструкционной прочности материалов. Это достигается применением модификаторов с их высоким рафинирующим эффектом и способностью осуществлять глобуляризацию неметаллических включений. При очень низком содержании серы и кислорода в стали могут быть достигнуты очень хорошие свойства. По литературным данным, в настоящее время содержание кислорода и серы может составлять менее 10 млн-1, однако в стандартной продукции максимальное содержание кислорода составляет 30 млн-1, а серы - 80 млн-1. Доминирующее влияние оказывает не природа оксидов или сульфидов, а их объемная доля, форма и распределение. Модифицированные включения смешанного типа, полученные в результате обработки кальцием и состоящие из алюминатов кальция в сердцевине и сульфидов кальция и марганца на поверхности, имеют пониженную пластичность при повышенных температурах по сравнению со сталью. Это позволяет избежать образования вредных удлиненных включений, например, MnS. Благодаря низкому содержанию неметаллических включений не образуются кластеры оксидов алюминия, силикатов или силикоалюминатов. Причиной более благоприятного влияния карбидов по сравнению с оксидами и сульфидами является их существенно более высокая прочность сцепления со стальной матрицей. В качестве модификаторов применяют небольшие добавки сплавов на основе редкоземельных (РЗМ) и щелочноземельных (ЩЗМ) металлов. Их важным свойством является высокое химическое сродство к растворенным в стали примесям серы, кислорода, азота и водорода. Модифицирование является одним из универсальных и эффективных способов повышения качества стали, особенно применяемой для работы при низких температурах. При минимальных затратах модифицирование позволяет измельчить микро- и макроструктуру, уменьшить развитие химической, физической и структурной неоднородности, снизить содержание газов, благоприятно изменить природу и форму неметаллических включений, повысить комплекс технологических и эксплуатационных свойств. В качестве модификаторов на основе ЩЗМ обычно применяют силикокальций или его сплавы с марганцем, алюминием и другими элементами. Учитывая высокое давление насыщенных паров кальция при температурах сталеплавильных процессов, в состав сплава целесообразно вводить барий, снижающий скорость испарения кальция. Раскисление силикокальцием благоприятствует глобуляризации включений за счет обволакивания оксидов алюминия сульфидами марганца и кальция. Добавка силикокальция уменьшает общую загрязненность стали неметаллическими включениями и способствует увеличению ударной вязкости в широком температурном диапазоне Редкоземельные металлы цериевой группы, как и ЩЗМ, способствуют обособлению сульфидной или оксисульфидной фазы на ранних стадиях кристаллизации металла. При этом сульфиды (оксисульфиды) располагаются преимущественно в осях дендритов в центральных областях литого зерна. Они, как правило, имеют глобулярную форму, что снижает их отрицательное влияние на свойства металла. Влияние РЗМ также проявляется в снижении общей загрязненности стали неметаллическими включениями, газами и примесями цветных металлов или в переводе этих элементов из активных форм в пассивные, что также способствует очищению границ зерен. ЩЗМ и РЗМ, вводимые в жидкую сталь, не входят в состав твердого раствора, не обогащают границ зерен, а полностью находятся в неметаллических включениях глобулярной формы.

4. Методы контроля неметаллических включений в стали

Полный анализ неметаллических включений состоит из определения их химического состава, структуры и количественной оценки загрязнённости металла различными включениями. Металлографический метод является наиболее простым и надёжным для идентифицирования включений и подсчёта.

Неметаллические включения размером > 1 мкм в литых и деформированных сталях изучают на тщательно приготовленных нетравлёных микрошлифах. Для улучшения условий подготовки шлифов применяют предварительную термическую обработку образцов (закалку), повышающую твердость.

При изучении включений на металлографическом микроскопе используют светло- и тёмнопольное освещение, а также поляризованный свет. Определяют такие признаки включений, как форма, цвет, прозрачность, степень анизотропии, деформируемость, микротвёрдость, взаимодействие с определенными химическими реактивами и др. Сопоставление исследуемого включения с эталолонами и классификационными таблицами позволяет идентифицировать включение, а следовательно и качество металла.

Металлографический метод оценки неметаллических включений условно можно разделить на четыре самостоятельных метода, обозначаемых Метод Ш, К, П, Л. Метод Ш применяют для деформированного металла (катанного, кованного), методы К и П также и для литого, а Л -- только для литого металла.

1) По методу Ш, широко используемому в производственной практике металлургических и машиностроительных заводов, сравнивают наблюдаемые, нетравленом микрошлифе включения со стандартными эталонными пятибаль-нымишкалами. Шкалы охватывают включения нескольких видов, наиболее часто встречающихся в стали, имеющих различную природу и различных по качественным характеристикам.

Стандартные шкалы характеризуют следующие виды включений:

- оксиды строчечные (ОС) - мелкие включения, обычно корунда и шпинели, расположенные группами в виде строчек;

- оксиды точечные (ОТ) - кристаллы простых или сложных оксидов (корунд, шпинель и др.), рассредоточенные по всей площади шлифа;

- силикаты хрупкие (СХ) - сплошные или прерывистые строчки кристаллических включений, частично сцементированные пластичными стекловидными силикатами, вытянутыми вдоль направления деформации;

- силикаты пластичные (СП) - вытянутые вдоль направления деформации пластически деформированные силикаты;

- силикаты недеформирующиеся (СН) - единичные или групповые глобулярные или неправильной формы включения силикатов, силикатных стёкол;

- сульфиды (С) - пластичные, вытянутые вдоль направления деформации единичные или групповые включения, обычно двойной сульфид железа и марганца;

- нитриды строчечные (НС) - единичные или групповые строчки нитридов и карбонитридов титана или ниобия;

- нитриды точечные (НТ) - произвольно распределенные включения нитридов и карбонитридов титана или ниобия;

-нитриды алюминия (НА) - мелкие строчечные или произвольно расположенные кристаллы нитрида алюминия.

Метод Ш имеет 14 вариантов (от Ш1 до Ш14), различающихся условиями испытаний (увеличение, диаметр поля зрения, способ оценки шлифов и критерий оценки плавок). Метод Ш позволяет оценивать также загрязненность сталей, полученных вакуумно-дуговым и электрошлаковым переплавом, при использовании увеличений 170.. .210 раз.

Шкалы, применяемые для оценки, пятибалльные. Наименее загрязнённый металл оценивается баллом 1, наиболее загрязнённый - баллом 5. В основу первого балла положена определенная площадь, занимаемая включениями и возрастающая при переходе к последующим баллам в геометрической прогрессии с множителем 2.

Оценку загрязнённости образцов стали неметаллическими включениями проводят путем просмотра всей площади нетравлёных шлифов. На каждом шлифе при увеличении 90... 110 (поле зрения 0,75... 1,3 мм) для каждого вида включений определяют наиболее загрязненное место шлифа, которое оценивают в баллах шкалы. При этом следует учитывать включения, которые видны невооруженным глазом,

Методом сравнения определяют загрязненность включениями отдельных образцов в стали, затем на основе результатов испытания определенного количества образцов оценивают загрязненность включениями плавки или партии металла. Число образцов устанавливается стандартами или техническими условиями на поставку стали и обуславливается назначением стали и точностью определения. Обычно число отбираемых образцов от плавки для анализа должно быть не менее 6 и кратным 3.

Плавка или партия металла считается годной, если установленный макси-балл, среднеарифметический балл или доля образцов не превышает определённых норм, которые предусматриваются соответствующими ГОСТ или ТУ на поставку стали.

2) По методу К отдельно определяют число кислородных, сульфидных и нитридных включений, просматривая продольные нетравлёные шлифы при увеличении 170-180раз. С помощью окулярной шкалы с ценой деления 0,007±0,0005 мм измеряют диаметр или толщину включений, близких по форме к кругу или квадрату или максимальный и минимальный размеры включений другой формы. Если отношение максимального размера к минимальному не превышает двух, то размер включения определяют как среднее арифметическое. Размеры вытянутых включений (при отношении длины к толщине более двух) определяют по формуле

lвкл=(1+a0l0)/2, (1)

где a0 и l0 замеренные величины соответственно толщины и длины включений.

Измеренные кислородные, сульфидные и нитридные включения классифицируют раздельно по пяти размерным группам:

1-я группа - включения от 1 до 2 делений окулярной шкалы (7…14мкм);

2-я группа - включения от 2 до 3 делений окулярной шкалы (15…21мкм);

3-я группа - включения от 3 до 4 делений окулярной шкалы (22…28мкм);

4-я группа - включения от 4 до 5 делений окулярной шкалы (29…35мкм);

5-я группа - включения от 5 до 6 делений окулярной шкалы (36…42мкм).

Критериями оценки плавки служат: для варианта К1 число включений каждой группы на площади 24 см2 (шесть шлифов площадью по 4 см2); а для варианта К2 суммарное число включений (начиная со 2-й группы) на площади 24 см2

3) По методу П подсчитывают под микроскопом включения определён-ных размеров на нетравлёном поперечном шлифе. По методу П используют 4 варианта наблюдений (П1...П4), различающихся по увеличению 300, 400, 500 и 600 раз соответственно. На каждом шлифе оценивают не менее 125 полей зрения. Измеренные включения классифицируют по определённым размерным группам, раздельно для каждого вида оцениваемых включений.

5 .Какие факторы влияют на хладностойкость стали

Надежность и долговечность изделия в значительной степени определяется его склонностью к хрупкому разрушению, которому способствуют не только низкие температуры, но и такие параметры, как усиление концентрации напряжения, увеличение скорости деформации и другие. Опыт показывает, что сталь с более низкой температурой хрупкости лучше сопротивляется высоким напряжениям и увеличенным скоростям нагружения и дольше сохраняет свою пластичность. Следовательно, метод испытания ударной вязкости, выявляющий критический интервал хрупкости, носит универсальный характер и характеризует склонность стали к хрупкому разрушению.

Для оценки хладноломкости стали также используют фрактографический метод контроля, основанный на измерении доли волокнистого и кристаллического строения ударных образцов. В качестве критерия оценки хрупкости принимают выраженное в процентах соотношение площадей волокнистых и кристаллических участках излома. Обычно за критерий вязкости принимают Т критическое, при которой доля вязкого излома составляет 50% чем ниже Т кр. , тем выше надежность стали при низких температурах.

6. Влияние неметаллических включений на механические свойства стали

Современные способы производства стали и сплавов не дают возможности получить металл, не содержащий неметаллических включений. Большее или меньшее количество включений существует в любой стали в соответствии с её составом и условиями производства. Обычно количество неметаллических включений в стали не превышает 0,1%. Однако в связи с их малыми размерами число включений в металле очень велико.

Неметаллические включения ухудшают механические и другие свойства стали (магнитную проницаемость, электропроводность и т.п.), так как нарушают сплошность металла и образуют полости, в которых концентрируются напряжения. В некоторых случаях (например, при производстве шарикоподшипниковой стали) качество металла определяется только количеством и составом неметаллических включений. Хотя в принципе отрицательное влияние большого содержания включений известно, но очень многое зависит от размеров включений, состава и расположения их в готовом изделии.

По форме и характеру расположения в объеме металла различают четыре основных типа включений:

1) включения, расположенные по границам зерен в виде тонкой пленки;

2) относительно крупные включения, имеющие острые грани и расположенные беспорядочно;

3) относительно крупные включения округлой (сферической) формы, расположенные беспорядочно;

4) мелкие (субмикроскопические) включения, равномерно расположенные в объеме металла.

Особенно опасными для качества стали являются включения, расположенные по границам зерен в виде тонких пленок. Обычно это легкоплавкие включения оксисульфидов, выделяющиеся в жидком виде при кристаллизации стали. Такие включения вызывают ослабление межзёренных связей, особенно при повышении температуры (красноломкость). Большую опасность также представляют включения, имеющие острые грани. Обычно это тугоплавкие включения, имеющие температуру плавления выше температуры жидкого металла. Такие включения часто являются местом концентрации напряжений в металле и источником начала процесса разрушения изделия. В случае, когда такое включение оказывается на поверхности изделия (шарика в подшипнике, железнодорожного рельса и т.д.), происходит выкрашивание включения с последующим преждевременным выходом изделия из строя.

Оксидные включения в стали (продукты реакций раскисления) существенно влияют на ее свойства. Наиболее вредны крупные включения или их скопления. При обработке резанием они становятся причиной преждевременного износа инструмента. На свежеобработанной поверхности изделия отчетливо видны грубые шлаковые включения, что может быть причиной брака. В стальном листе оксидные включения проявляются в виде засоров и пузырей. Они уменьшают также предел выносливости стали.

Неметаллические включения заметно снижают пластичность (относительное удлинение и сужение) и ударную вязкость стали.

Менее вредными считаются включения округлой формы. Включения округлой формы получаются в случае, когда температура плавления их невелика, и они плохо смачиваются металлом. Менее вредны также включения в виде расположенных равномерно по сечению металла субмикроскопических частиц. В некоторых случаях даже принимаются специальные меры для образования таких включений (например, включений нитридов и карбонитридов в термоупрочняемых сталях). Такие включения (тугоплавкие соединения) образуются при введении в металл элементов с высоким сродством к таким примесям, как кислород, сера, азот, углерод (введение в отдельных случаях алюминия, редкоземельных элементов, вольфрама, титана и др.).

Включения расположенные равномерно по всему объему металла и представляющие субмикроскопические частицы приносят наименьший вред, в ряде случаев являются полезными. Например, при производстве термоупрочняемой стали необходимо обеспечить получение мелкого первичного (аустенитного) зерна. Это возможно тогда, когда в жидкой стали перед кристаллизацией содержится большое число мелких и расположенных равномерно по объему неметаллических включений, которые могут служить центром возникновения отдельных кристаллов металла. Как показали исследования последних лет, наилучшие результаты измельчения первичного зерна термоупрочнения достигается в том случае, если центрами кристаллизации являются нитриды и карбонитриды. Поэтому существует значительная группа термоупрочняемых сталей, содержание азота в которых специально повышают до 0,015 - 0,030 % и более.

Неметаллические включения не всегда оказывают отрицательное влияние на свойства стали. Иногда они играют и полезную роль при выделении в виде мелкодисперсной фазы, расположенной равномерно по всему объему металла. Для этого не требуется большого содержания по массе включений в стали.

Низкое содержание включений в стали само по себе еще не является гарантией высокого качества. При общем малом количестве включений в отдельных местах слитка могут быть скопления включений.

Большое значение имеет изменение состава и количества включений при кристаллизации и охлаждении слитка. Во время прокатки или ковки форма включений, их размеры и распределение также могут существенно меняться. Одни включения при кристаллизации могут располагаться по границам зерен, другие - внутри зерен, некоторые при обработке давлением дробятся и образуют цепочку, расположенную вдоль оси прокатки, другие вытягиваются, третьи не меняют своих размеров и т.д. В результате, например, оказывается, что видимая (под микроскопом) чистота стали по включения зависит не только от их содержания в металле, но и от степени обжатия при прокатке и т.п.

Различное влияние на механические свойства стали оказывают различные включения при испытании образцов, вырезанных вдоль оси прокатки (продольные образцы) и поперек (поперечные образцы). Наличие неметаллических включений особенно заметно сказывается на показателях испытаний поперечных образцов. [5]

С вредным влиянием неметаллических включений связаны такие дефекты, как точечная и точечно - пятнистая неоднородность, загрязнения и волосовины, шиферный излом, камневидный излом и др. Многие дефекты связаны одновременно с присутствием и газов, и неметаллических включений, причем число и размеры дефектов возрастают при содержании в стали вредных примесей (серы, фосфора и др.), снижающих температуру плавления сплава.

При высоких концентрациях кислорода в стали образуются значительные количества легкоплавких оксидных и оксисульфидных включений, застывающих по границам зерен, в результате чего понижается прочность металла при высоких температурах. Азот понижает пластические свойства стали, повышает хрупкость при низких температурах, склонность стали к старению. Водород является причиной образования ряда дефектов стали (флокенов и т.д.). Эти дефекты связаны с выделением при застывании растворенного в металле атомарного водорода, в результате чего давление выделившихся молекул H2 оказывается настолько высоким, что сплошность металла нарушается, и в нем образуются видимые невооруженным глазом трещины.

К настоящему времени для анализа неметаллических включений разработаны и широко используются различные методы, позволяющие с большой точностью определить состав, структуру и содержание неметаллических включений встали и сплавах как с выделением их из металла, так и в твердом металле.

Список литературы

1)Сокол И. Я., Ульянин Е. А., Фельдгандлер Э. Г. и др Структура и коррозия металлов и сплавов: Атлас: Справ. изд. М.: Металлургия.

2)http://expertmeet.org/topic/17404-metody-povysheniia-konstruktcionnoi-prochnosti-st/

3)М.И. Виноград. Включения в стали и ее свойства. Металлургиздат 1963 г.

4)Кислинг р., Ланге Н. Неметаллические включения в стали. Металлургия 1968 г.

Размещено на Allbest.ru