1.3.1 Влияние элементов на свойства стали горячекатаном и нормализованном составах.

Легирующие элементы, изменяя параметры решетки железа, упрочняют феррит (кроме хрома), незначительно влияют на характеристики пластичности (кроме элементов образующих растворы внедрения) и обычно понижают вязкому (за исключением никеля и хрома). Степень влияния отдельных элементов зависит от типа образуемого твердого раствора, различия атомных радиусов железа и растворенного элемента, а также взаимодействия их электронных оболочек. Авторами проведен систематические исследования влияния элементов на свойства низкоуглеродистых низколегированных сталей в различных структурных состояниях. Основная часть плавок отлита фракционно с варьированием содержания основных и дополнительных легирующих элементов.

Основные легирующие элементы (углерод, марганец, кремний) оказывают монотонно упрочняющиее влияние, причем интенсивность влияния углерода выше (0,1 % С повышает σ_в на 40 Н/мм²), чем у марганца и кремния (~20 Н/мм²). При повышенном содержании углерод выделяется в виде карбидной фазы. Углерод оказывает значительно большое влияние на временное сопротивление, чем на предел текучести, поэтому он уменьшает отношение σ_т/σ_в (рис. 3). Упрочнение за счет углерода связано с увеличение количества перлита и явлением постепенного измельчения зерна, что видно из приведенных данных для стали с 0,8 % Mn:

Содержание С, %	0,01	0,05	0,10	0,16	0,20
σт, Н/мм2	220	222	248	259	303
Количество перлита, %	0	3,3	4,6	13,1	16,1
Диаметр зерна, мм-1/2	5,6	5,3	6,5	8,8	9,9

При содержании углерода более 0,25 % наблюдается обратная тенденция и зерно феррита несколько упрочняется. Повышение содержания углерода сопровождается уменьшением значений ударной вязкости при комнатной и минусовых температурах, повышения порога хладноломкости. При содержании углерода более 0,23 % наблюдается существенное повышение порога хладноломкости стали. Такое влияние углерода на ударную вязкость и хладостойкость стали следует объяснить тем, что в определенных условиях превалируют фактор повышения количества перлита, а в других – измельчения зерна. Чаще наблюдается измельчение проявление неблагоприятного влияния повышенного количества перлита. Степень влияния перлита на повышение переходной температуры зависит также от величины зерна стали: с ее уменьшением усиливается степень влияния перлита на переходную температуру. Отсюда следует, что использование сталей с низким содержанием углерода при наличии крупнозернистой структуры в отношении переходной температуры менее эффективно, чем в сталях с мелкозернистой структурой, в которых снижение содержания углерода сопровождается понижением переходной температуры. В сталях с очень низким содержанием углерода критическая температура хрупкости зависит от формы и характера распределения перлитной составляющей. Обычно снижение содержания углерода до низкого уровня (0,05 % и ниже) в марганцовистых горячекатаных сталях сопровождается существенным сдвигом переходной температуры в сторону более низких температур.

С повышением содержания углерода в нормализованной марганцовистой стали уменьшается способность металла сопротивляться развитию трещины, зависящая в основном от величины зерна.

Рис. 3 Влияние углерода на механические свойства горячекатаных низколегированных сталей: сплошная линия – сталь: 1,4 % Mn, 0,3 % Si, 0,04 % V, 0,03 % Nb, 0,03 % S (температура нагрева под прокатку 1200 °С, окончание прокатки 850 °С); пунктирная линия – сталь с 1,35 % Mn, 0,45 % Si, 0,025 % Ti, 0,012 % S (температура нагрева под прокатку 1150 °С, окончание прокатки 760 °С).

Легирование марганцем сопровождается упрочнением и снижением ударной вязкости и хладостойкости, а легирование кремнием – ухудшением последних показателей при содержании его более 0,8 %. Резкое ухудшение пластических характеристик происходит при содержании марганца ~ 2 % и более и связано с образованием при содержании углерода 0,1 % и более чрезмерно большого количества продуктов промежуточного превращения. Характер изменения ударной вязкости, хладостойкости с повышением содержания марганца определяется соотношением структурных составляющих (феррит, перлит и продукты промежуточного превращения) и степенью воздействия этого элемента на величину зерна феррита. В нормализованной стали с 0,2 % С введение марганца сопровождается увеличением доли перлитной составляющей без существенного измельчения структуры, поэтому сталь упрочняется с некоторым ухудшением вязкости и хладостойкости (рис. 4) В стали с меньшим содержанием углерода введение марганца до 1,5 % повышает сопротивление хрупкому разрушению. Это связанно с тем, что указанный элемент уменьшает блокировку дислокаций (снижает содержание азота в атмосферах Коттрелла) и обеспечивает получение продуктов распада аустенита повышенной дисперсности.

Упрочнение феррито–перлитной стали за счет повышения содержания кремния связано с искажением кристаллической решетки.

Кремний не образует в стали каких-либо новых фаз и структурных составляющих, поэтому микроструктуру кремнесодержащих сталей феррито-перлитного класса не отличается от структуры бескремнистых сталей. Образующийся в кремнесодержащей стали цементит не содержит кремний, поскольку его сродство к углероду значительно ниже, чем сродство железа к углероду.

Небольшие количества кремния обнаруживаются а карбидах, которые образовались при изотермическом превращении в перлитной области. Следует считать, что более достоверны данные о незначительной растворимости кремния в цементите.

Межатомные силы связи кремния с железом сильнее, чем соответствующие силы связи кремния с углеродом, поэтому растворяясь в феррите, кремний ослабляет связь атомов железа с углеродом и способствует графитизации. Кремний измельчает блоки и увеличивает искажения. При содержании кремния более 1 % ударная вязкость нормализованного железа при комнатной температуре заметно снижается в силу особенностей межатомных связей твердого раствора железо – кремний. Кремний, кроме того, способствует укрупнению зерна (особенно при содержании более 0,5 %).

Имеются сведения о том, что кремний в количества больших, чем это нужно для раскисления (0,2 – 0,5 %) уменьшает плотность подвижных дислокаций, что приводит к возрастанию сил трения в решетке и повышению сопротивления пластической деформации.

С железом никель образует непрерывный ряд твердых растворов. Температура распада аустенита никельсодержащих сталей ниже, чем у безникелевых сталей, поэтому этот элемент в количестве до 1 % способствует получению дисперсной структуры, а при больших количествах – структуры игольчатого феррита. Никель оказывает слабое влияние на стандартные механические свойства марганецсодержащей низколегированной стали. Образующийся при содержании никеля > 1,3 % продукты превращения повышают температуру перехода в хрупкое состояние, в то время как при меньших количествах данный элемент благоприятно влияет на этот показатель, а также на работу развития трещины. При введении в сталь до 0,9 % Ni – сохраняется феррито-перлитная структура, а при больших концентрациях появляются продукты промежуточного превращения.

В феррито-перлитных сталях хром находится в основном в растворе. Упрочнение от наличия хрома значительно слабее, чем от других легирующих элементов. В марганецсодержащей стали (0,2 % С) хром до 0,7 % слабо влияет на ее стандартные свойства и не изменяет соотношения структурных составляющих. При больших количествах хрома появляются продукты промежуточного превращения, что сопровождается резким повышением прочности и существенным снижением пластичности стали (рис. 4).

Рис. 4 Влияние легирующих элементов на свойства нормализованной низколегированной стали типа 20Г2 (1,5 % Mn).

Этот элемент снимает абсолютные значения ударной вязкости (сильнее при содержании более 0,7 %) и ухудшает хладностойкость. Работа развития трещины также уменьшается при увеличении содержания хрома, причем наиболее резко при количествах более 0,7 %.

В феррито-перлитных низкоуглеродистых сталях (0,09 % С, 0,42 % Mn, 0,25 % Si) молибдена преимущественно находится в твердом растворе и практически не оказывает влияния на их механические свойства в нормализованном состоянии. Только при комплексном легировании молибденом и бором образуется бейнитная структура, существенно повышающая прочность с уменьшением пластичности. При повышенном содержании углерода (0,2 %) и марганца (1,5 %) молибден обеспечивает получение продуктов промежуточного превращения без наличия бора, что сопровождается существенным повышением прочности, снижением ударной вязкости, хладостойкости и работы развития трещины.

Медь обладает крайне ограниченной растворимостью в α – железе и при повышенных количествах (≥ 0,4 %) вызывает дисперсионное твердение. Эффект упрочнения от растворения меди находится практически на уровне, наблюдаемом для никеля.

Характер влияния меди на ударную вязкость и хладостойкость зависит от содержания и распределения меди: при небольших количествах ее влияние подобно никелю, а при больших, вызывающее дисперсионное твердение, этот элемент снижает ударную вязкость и хладостойкость низколегированных сталей.

Сера и фосфор являются постоянными примесями в низколегированных сталях и их присутствие не желательно. Сера практически не влияет на прочность, но уменьшает пластичность и ударную вязкость (особенно в поперечном направлении к оси прокатки), в то время как фосфор существенно упрочняет феррит с соответствующим снижением пластических и вязких свойств. С уменьшением содержания серы значение ударной вязкости повышается, наиболее интенсивно при содержаниях серы менее 0,01 %. В то же время влияние серы на порог хладноломкости (Т₅₀) неоднозначно. Установлен так называемый сульфидный эффект. С повышением содержания серы снижается величина ударной вязкости при вязком разрушении, однако температура, при котором вязкий излом сменяется хрупким, смещается в область более высоких температур. Это смещение свидетельствует о повышении хладостойкости стали с высокой серой.

С повышением содержания фосфора наблюдается непрерывное снижение ударной вязкости при комнатной и минусовых температурах, уменьшение волокнистости в изломе и работы развития трещины.

Считается что хрупкость сталей, содержащих фосфор, развивается в результате сегрегации фосфора по границам зерен. Вредное влияние фосфора ослабляется раскислением металла кремнием. Эффективнее кремния влияет алюминий, который в количестве 0,05 % обеспечивает получение стали с удовлетворительной ударной вязкости при наличии фоссфора до 0,12 %. Вредное влияние фосфора на хладостойкость связанно с огрублением структуры и охрупчиванием границ зерен из-за выделения железа.

Газы – кислород, водород и азот – являются обычными примесями в стали и обладают малой растворимостью в железе. Кислород считается одной из основных примесей, охрупчивающих сталь. С увеличением содержания этой примеси критическая температура хрупкости смещается в сторону высоких температур.

По характеру влияния водорода на ударную вязкость и сопротивление разрушению имеются противоречивые данные, причем в большинстве случаев не отмечается влияние этого элемента на хладноломкость. Из низколегированных сталей водород относительно легко удаляется благодаря повышению диффузии.

Азот отрицательно влияет на ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению низколегированных сталей при растворении его в твердом растворе или при образовании нитрида железа, вызывающем явление деформационного старения.