Задание 1
Влияние водорода на свойства стали
Водород, присутствующий в стали. Влияет на ее эксплуатационные свойства и приводит к специфическим металлургическим дефектам металла - образованию флокенов и водородному охрупчиванию стали.
Под водородным охрупчиванием подразумевают снижение пластических свойств металла, наблюдаемое в определенных условиях в присутствии водорода в стали. При определенном содержании водорода отмечается исчезновение предела текучести, а у высокопрочных сталей и снижение предела прочности.
Отрицательное влияние водорода проявляется при его содержании более 1 - 2 см3/100 г. и с дальнейшим повышением концентрации пластичность и сопротивление металла разрушению пропорционально снижаются при 5 - 10 см3/ г. пластичность металла минимальна. С ростом концентрации водорода изменяется характер разрушения образца - от вязкого к типично хрупкому (разрушение сколом).
Водородное охрупчивание наблюдается только в температурном интервале от минус 374 К до плюс 374 К и уменьшается с повышением скорости деформации.
Для оценки склонности стали к водородной хрупкости широко применяются механические испытания на одноосное растяжение, на ударную вязкость, на вязкость разрушения, на усталостную прочность и другие.
Флокены представляют собой внутренние дефекты стали, выявляемые в изломе в виде пятен округлой формы. На поверхности микрошлифа, вырезанного перпендикулярно плоскости пятен, флокены имеют вид трещин, толщина которых измеряется сотыми и даже тысячными долями миллиметра.
Обычно флокены образуются в кованных и катанных заготовках и изделиях с относительно большим сечением. Чувствительны к образованию флокенов углеродистые (более 0,25 - 0,30% углерода) и легированные стали перлитного, перлито-мартенситного и мартенситного классов.
Возникновение флокенов объясняется наличием внутренних напряжений, связанных с деформацией и охлаждением металла и напряжений, создаваемых присутствующим в металле водородом. Для образования флокенов необходимы оба условия: при отсутствии любого из них флокеныв стали не образуются.
В практике широко используются приемы по предупреждению образования флокенов в крупных передельных заготовках, которые заключаются в их замедленном охлаждении или длительном изотермическом отжиге после горячей пластической обработки металла. В результате этого содержание водорода изменяется незначительно, то есть эти приемы обеспечивают, главным образом, снятие внутренних напряжений. Однако при повышенном содержании водорода (2,8 - 4,5 см3/100 г.) флокены снова появляются после второго и даже третьего прокатного передела, если после каждого из них металл не подвергался противофлокеновой обработке. Препятствовать образованию флокенов в металле можно только понижая содержание водорода в нем ниже определенных для этой марки стали пределов.
Влияние азота на свойства стали
Межатомные силы внутри молекулы азота значительно превышают соответствующие силы в молекулах водорода. Это объясняется тем, что диссоциация молекул азота на атомы происходит при более высоких температурах, чем молекул водорода.
Процесс растворения в металле азота имеет ту же природу, что и у водорода. Эта общность природы процессов определяет и некоторые общие черты термодинамики процессов растворения водорода и азота: справедливость для обоих случаев закона Сивертса, то есть прямой пропорциональности между количеством растворенного газа и корнем квадратным из парциального давления газа, положительное значение энтальпии процессов растворения? HS практически для всех расплавов железа как в случае азота, так и водорода.
Элементы, которые более склонны к образованию нитридов, чем железо, то есть имеют большее сродство к азоту, чем железо (Ti, Nb, V).
Наоборот, элементы, характерные сильными межатомными связями с железом, например С и Si, существенно понижают растворимость азота.
Азот активно взаимодействует с дислокациями и другими дефектами структуры металла в значительной степени влияет на его механические свойства.
Деформационным старением именуется изменение механических свойств железа и малоуглеродисой стали после холодной пластической деформации и последующей выдержки при комнатной и повышенных температурах (до 250°С). Это явление характеризуется повышением пределов текучести и прочности, твердости, понижением пластических свойств при статических испытаниях и критической температуры хрупкого разрушения при испытании на удар.
Частный случай деформационного старения - синеломкость, вызванная, главным образом, присутствующим в стали азотом и углеродом. Ее признаки: снижение пластичности, повышение пределов текучести и прочности металла. Синеломкость проявляется уже при незначительном содержании азота; наивысшие значения предела прочности достигаются при его содержании около 0,01%. В процессе старения в связи с сегрегацией атомов у дислокаций электрическое сопротивление и термоэлектродвижущая сила уменьшается.
Раскисление стали
Сущность раскисления стали заключается в том, что растворенный в металле кислород переводится в нерастворимое в металле соединение или удаляется из металла
После операции раскисления сталь называют раскисленной. Такая сталь при застывании в изложницах ведет себя "спокойно", из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь называют "спокойной". Если же операцию раскисления не проводить, то встали при ее постепенном охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенным в металле кислородом и углеродом. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода будут выделяться из кристаллизующегося слитка, металл будет бурлить. Такую сталь называют "кипящей". В некоторых случаях раскисление стали проводят таким образом, чтобы удалить из нее не весь кислород. Оставшийся растворенный кислород вызывает кратковременное "кипение" металла в начале его кристаллизации. Такую сталь называют "полуспокойной". Строение слитка кипящей и полуспокойной стали отличается от строения слитка спокойной стали.
Применяют следующие способы раскисления стали:
а) глубинное;
б) диффузионное;
в) обработкой синтетическими шлаками;
г) обработкой вакуумом.
Сущность дегазации стали
Сущность дегазации стали заключается в удалении газов из жидкой стали. Газы оказывают вредное влияние на физико-механические свойства стали. Теоретической основой внепечных вакуумных процессов является повышение раскислительной способности углерода и понижение растворимости водорода и азота при снижении парциального давления СО, Н2 и N2. Важным направлением в развитии внепечных вакуумных процессов в конце 60-х гг. явилась вакуумная обработка рядовой кипящей стали, позволившая решить сложную задачу получения низкоуглеродистой стали. При внепечной вакуумной обработке нераскисленной стали раскислительная способность углерода увеличивается в 10-20 раз. В этих условиях становится возможным получение низкоуглеродистой стали с весьма низким содержанием кислорода. Металл c таким низким содержанием углерода и кислорода обладает весьма высокими пластическими свойствами, а слитки и слябы, отлитые на установках непрерывной разливки стали, имеют плотное и однородное строение. Внепечные вакуумные процессы при небольших затратах на сооружение и эксплуатацию вакуумных установок значительно повышают технико-экономические показатели металлургического производства за счёт сокращения на 10-20% продолжительности плавки, уменьшения до 30% расхода раскислителей и легирующих добавок, увеличения выхода годной стали и повышения её качества. Кроме того, срок службы изделий, изготовленных из вакуумированной стали, повышается.