Введение

Конструкционная сталь – это сталь, которая широко используется в промышленном машиностроении и широко используется для изготовления всевозможных деталей и механизмов в самых разных отраслях. Благодаря своим особым механическим свойствам, конструкционная сталь является оптимальным вариантом для изготовления деталей с повышенными прочностными и упругими свойствами. Традиционно конструкционные стали используют после закалки и последующего высокого отпуска или в нормализованном состоянии. Кроме того эти стали могут применяться для изготовления деталей путем холодной штамповки.

Качество конструкционной стали определяется химическим составом, чистотой стали по неметаллическим включениями, и достижением оптимальной микроструктуры, которая формируется в процессе термической обработки и деформационного воздействия [1]. В связи с широким распространением стали в качестве конструкционного материала в строительстве и машиностроении при постоянном их развитии предъявляются особые требования к контролю ее качества.

На данный момент использование статистических методов обработки данных стали привычным и широко распространенным аппаратом для инженеров и ученых металлургического производства при оценке результатов механических испытаний, химического состава стали, температурно-деформационных параметров и др. [2]. Работа в металлургии связана с исследованиями производственных процессов и технологий, поэтому инженеру важно видеть возникающие технические проблемы, уметь выявлять их причины, формулировать гипотезы и проверять их с помощью инженерного эксперимента, наблюдения или на основе анализа имеющейся технической информации. При наличии нескольких гипотез необходимо выбирать наиболее рациональную, соответствующую нуждам производства и дальнейшего внедрения в производственный процесс. Таким образом, перед исследователями часто стоит проблема об адекватности и эффективности выбранных методов исследования.

1. Аналитический обзор литературы

   1. Структурно – металлургические факторы качества конструкционной стали

Практически все конструкционные материалы неоднородны по структуре, химическому составу, неметаллическим включениям. В связи с этим можно классифицировать различные виды неоднородностей и различные факторы приводящие к неоднородности качества в таких материалах [3].

Химическая неоднородность и влияние химического состава

При затвердевании отливок из сплавов, кристаллизирующихся в интервале температур, всегда формируется дендритная ликвация – неоднородность химического состава в микрообъемах соизмеримых с размером зерна. Дендрит – это монокристалл, растущий из одного центра. Так же известно, что дендритный кристалл растет в направлении теплоотвода осью первого порядка и отбрасывает оси второго и третьего порядка в моменты затруднения роста, а скелет растущего дендрита имеет состав, отличный от состава расплава. Чем мельче дендриты – тем незначительнее неоднородность состава, в частности, меньше ликвация серы и тоньше сульфиды. Дендрит растет в пространственных направлениях, позволяющих ему снять все напряжения и с предельно возможной скоростью. Оси дендрита, затвердевшие раньше, обогащены тугоплавким и обеднены легкоплавким компонентом по сравнению с межосными пространствами. Оси дендритов содержат гораздо меньше примесей серы и кремния, загрязняющих сталь, чем межосные пространства, в которые эти примеси оттесняются при образовании дендрита. Дендритная ликвация сохраняется при прокатке в виде полосчатой структуры, вытянутой по оси проката. Впоследствии примеси, которые при прокатке «раскатываются в нитку», влияют на распад аустенита через величину начального зерна аустенита и концентрационную неоднородность металла. Дендритной кристаллизации сопутствует значительная ликвация химических элементов по сечению слитка. При этом обеднение осей дендритов по отношению к среднему составу стали не слишком велико и содержание в них легирующих элементов практически не модифицируется по сечению слитка [4].

Физическая неоднородность

Под физической неоднородностью, литой стали понимают нарушения сплошности, образующиеся в результате объемных изменений при затвердевании и охлаждении металла [5]. К физической неоднородности относятся горячие и холодные трещины, поры, усадочные раковины и др.

Структурная неоднородность и влияние микроструктуры на свойства

Углерод является ключевым элементом, характеризующим структуру и свойства углеродистых сталей. Даже при небольшом изменении содержания углерод выражает заметное воздействие на модифицирование свойств сталей. С ростом углерода в структуре стали повышается содержание цементита. При содержании углерода до 0,8 массовой доли % сталь состоит из феррита и перлита. При содержании углерода более 0,8 массовой доли % в структуре стали, кроме перлита, появляется вторичный цементит. Феррит имеет низкую прочность, но пластичен. Цементит имеет высокую твердость, но хрупок. Поэтому с увеличением содержания углерода возрастают твердость и прочность и уменьшаются вязкость и пластичность стали [6]. При увеличении содержания углерода более 0,8 массовой доли % уменьшается и пластичность, и прочность. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен. Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием [7]. С увеличением содержания углерода усугубляется свариваемость, а также способность деформироваться в горячем, и особенно в холодном состоянии. Феррит – одна из основных фаз во многих сталях. В конструкционных малоуглеродистых сталях его доля составляет около 95 массовой доли %, поэтому понимание свойств легированного феррита даст возможность корректно оценить общий уровень свойств сталей [8]. Легированный феррит представляет собой многокомпонентный твердый раствор по типу замещения и внедрения легирующих элементов и примесей. Чем больше отличие в атомных размерах железа и легирующего элемента, тем больше искажение кристаллической решетки, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость феррита [9]. На количество ферритной составляющей оказывает влияние и наличие легирующих элементов. Легирующими элементами называют химические элементы, вводимые в сталь для получения необходимого строения, структуры и физико-химических и физических свойств. Основными легирующими элементами являются: Si, Mn, Cr, Mo, W, V, Co, Al, Nb и др. Содержание в сталях легирующих элементов колеблется от тысячных долей процента до нескольких процентов. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также значительно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин [10]. Элементы, образующие твердые растворы внедрения, существенно сильнее упрочняют феррит, чем элементы, образующие твердые растворы замещения. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Основная масса легирующих элементов, упрочняя феррит и мало воздействуя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). Главное назначение легирования: повышение прочности стали без использования термической обработки путем упрочнения феррита, растворением в нем легирующих элементов; повышение твердости, прочности и ударной вязкости в результате увеличения устойчивости аустенита и тем самым увеличения прокаливаемости; придание стали специальных свойств, из которых для сталей, идущих на изготовление котлов, турбин и дополнительного оборудования, особое значение имеют жаропрочность и коррозионная стойкость. Легирующие элементы могут растворяться в феррите или аустените, формировать карбиды, давать интерметаллические соединения, находиться в виде включений, не взаимодействуя с ферритом и аустенитом, а также с углеродом. В зависимости от того, как взаимодействует легирующий элемент с железом или углеродом, он по-разному влияет на свойства стали. В феррите в большей или меньшей степени растворяются все элементы. Растворение легирующих элементов в феррите приводит к упрочнению стали без термической обработки. При этом твердость и предел прочности возрастают, а ударная вязкость чаще всего снижается[11]. Критические точки легированных сталей смещаются в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Основными факторами, определяющим механические свойства феррито-перлитных сталей, являются величина зерна, доля перлита, упрочнение твердого раствора. Карбидообразующие элементы: Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность. Наиболее сильно влияют элементы, образующие карбиды. Решающее воздействие на величину зерна закаленной стали, оказывают форма и дисперсность карбидов.

Роль включений

Ключевой фактор металлургического качества стали – неметаллические включения. Отличие неметаллических включений от всех остальных структурных составляющих обусловливается не столько природой, сколько очень большим спектром их размеров (от 10^-6 до 1 см) при малом количестве. Неметаллические включения в сплавах представляют собой главным образом химические соединения металлов с кислородом, серой, азотом и другие неизбежные неметаллические примеси, как, например, шлаковые и песчаные включения. При деформации металла отдельные включения или их скопления дробятся, вытягиваются и формируют дефекты, называемые «волосовинами». Предельное содержание включений регламентируется техническими условиями. Аффектация сплавов к неметаллическим включениям неодинакова. Например, в сталях чистота по неметаллическим включениям является одним из основных условий получения качественного металла [12]. В соответствии с классификацией, предложенной А.А.Байковым, все неметаллические включения по природе их происхождения можно распределить на два вида:

- эндогенные неметаллические включения – соединения образуются в стали в результате химических реакций, протекающих в процессе ее выплавки, раскисления и разливки, и вследствие изменения растворимости примесей в процессе кристаллизации слитка;

- экзогенные неметаллические включения представляют собой продукты эрозии огнеупоров, литейной формы, а также шлаковые частицы [13].

В первую группу входят главным образом (до 9/10 всех включений) оксиды, нитриды, сульфиды, во вторую – сложные оксиды металлов и неметаллических элементов, силициды и некоторые другие соединения. В отдельных случаях экзогенные включения вступают в химические реакции с металлом и превращаются в эндогенные. Экзогенные включения можно отличить по их неправильной угловатой форме, большим размерам и сложной структуре. Указанные неметаллические включения могут взаимодействовать между собой, образуя комплексные соединения [14]. Отличие неметаллических включений от, всех других структурных составляющих стали обусловливается не столько их природой, сколько очень большим диапазоном их размеров (от 0,01 мкм до 10 мм) при сравнительно малом количестве.