книги / Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения

получаемых результатов, хотя возможности ACM по достоинству оценены в экспериментах с бес­ контактным взаимодействием при исследованиях магнитных, адгезионных, электростатических сил, установлении распределения поверхностного по­ тенциала (Кельвин-мода). Используя резонансные способы регистрации, при съемке топографии по­ верхности уже удалось снизить давление со сто­ роны зонда более чем в 1000 раз по сравнению с контактным режимом. Разработаны методы изме­ рений в жидкостных ячейках для изучения явле­ ний на границе тело—жидкость.

Раскрытие возможностей зондовой микроско­ пии во многом обусловлено развитием вычисли­ тельной техники и микроэлектроники. Примене­

ние этих наукоемких технологий обеспечило ста­ новление зондовой микроскопии как мощного и доступного метода анализа и моделирования в на­ нометровой области размеров.

Литература

1. Данилов Л.В., Матханов П.Н., Филиппов Е.С. Теория нелинейных электрических цепей. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.

2.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости М.: Наука, 1987. 248 с.

3.Миронов В.Л. Основы сканирующей микро­ скопии. М.: Техносфера, 2004. 144 с.

4.Хаясака Т. Электроакустика. М.: Мир, 1982 248 с.

Технические требования, которые современное машиностроение предъявляет к металлическим ма­ териалам, достаточно высоки и разнообразны. Рав­ нозначные термины, такие как рабочие параметры, потребительские или служебные свойства, подра­ зумевают обширный комплекс эксплуатационных и технологических качеств металлов и сплавов, включающий требования надежности и экономи­ ческой эффективности. В целом потребительские свойства можно представить в виде четырех групп,

вкоторых объединяются основные требования:

•комплекс эксплуатационных свойств;

•технологичность;

•экономическая эффективность;

•сортамент.

Внепосредственной близости к основной про­ блеме физического материаловедения «химиче­ ский состав—реальная структура материала—тех­ нология—свойства» находятся только первые две.

Повышение качества сталей и эксплуатацион­ ной надежности металлоконструкций неразрывно связано с проблемой загрязненности металлов и сплавов неметаллическими примесями и умень­ шением количества включений. Присутствие не­ металлических фаз, вокруг которых при разруше­ нии образуются специфические поры, способно свести на нет все усилия, затраченные на разра­ ботку составов сталей и режимов термической об­ работки. Оно негативно сказывается на пластич­ ности и ударной вязкости металла. Влияние неме­ таллических частиц на такие свойства сталей, как обрабатываемость на режущих станках, чувстви­ тельность к образованию трещин или качество поверхности катаной заготовки являются предме­ том технологического контроля и исследований. Поэтому проблема неметаллических включений выделена в отдельный раздел.

Под эксплуатационными свойствами понимают сопротивление металла нагрузкам, которые он ис­ пытывает в элементах конструкций при эксплуа­ тации сооружений (статическим, динамическим, переменным) в условиях воздействия различных климатических температур и естественных агрес­ сивных сред. Среди эксплуатационных параметров материалов важнейшими являются прочность, пла­ стичность и сопротивление хрупким разрушениям.

Прочность — способность твердого тела со­ противляться разрушению или пластической де­ формации под действием нагрузок. О прочности судят по значениям характеристик, определяемых при статическом одноосном растяжении, — преж­ де всего по величине предела текучести (сгод) или временному сопротивлению разрыву (ств).

Пластичность — свойство твердого тела изме­ нять размеры и форму под действием нагрузки без

разрушения с сохранением возникших изменений в виде остаточных деформаций после прекраще­ ния воздействий. Это свойство оценивают по результатам испытаний в условиях одноосного растяжения по величине пятикратного (85) или де­ сятикратного (8 ]о) относительного удлинения об­ разцов. Также учитывают составляющие относи­ тельного удлинения — равномерного (8Р) и сосре­ доточенного (8С) в шейке разрушенного образца: 8 = 8Р + 8С. По результатам испытаний на разру­ шенном образце измеряют относительное сужение

(у). Для более полной оценки поведения материа­ лов в конструкции при эксплуатации следует при­ нимать во внимание не только прочностные пара­ метры, но и форму диаграммы деформирования ст—е в целом.

Сопротивление хрупкому разрушению можно характеризовать двумя признаками. Во-первых, такое разрушение происходит при номинальных

растягивающих напряжениях (ajj) меньших, чем

предел текучести (a"< a02). Во-вторых, хрупкое

разрушение реализуется в форме самопроизволь­ ного развития трещины под действием запаса

крайне опасны, поскольку происходят внезапно

струкций по пределу текучести возможность по­ явления хрупких трещин не прогнозируется. Для оценки сопротивляемости материала хрупким раз­ рушениям используют величину ударной вязко­ сти. Она определяется при испытаниях на динами­ ческий (ударный) изгиб небольших образцов с за­ кругленным (U) или острым (V) надрезом при заданной, как правило, отрицательной температу­ ре Т: КСU1или KCV1

В первом приближении перечисленные свойст­ ва материалов — предел текучести, временное со­ противление, относительное удлинение и форма диаграммы (а—е), а также ударная вязкость при отрицательной температуре являются парамет­ рами конструктивной прочности металлов и сплавов для машиностроительных и других кон­ струкций.

Поскольку параметры конструктивной прочности определяются внутренним строением материалов, вполне очевидно, что высокое эксплуатационное

качество изделий, прежде всего сопротивление хрупкому разрушению, должно обеспечиваться соблюдением требований по химическому составу и структуре металла во всей технологической це­ почке его производства, начиная от способа вы­ плавки и включая технологию упрочняющей об­ работки.

Химический состав и структура определяют также технологичность металлических материа­ лов. Под технологичностью понимают хорошую свариваемость и обрабатываемость современными высокопроизводительными способами, а также способность материала к холодной деформации. Для металлоконструкций химический состав ста­ лей и сплавов в наибольшей степени определяет их совместимость при сварке или пайке. При этом всегда учитывают, что сварка осуществляется не только в заводских условиях, но и в полевых, а также на монтажных площадках.

Как при выплавке, так и при сварке в металлах образуются неметаллические включения. По своей химической природе они являются оксидами и сульфидами. Их основная особенность состоит в преимущественно ковалентных химических связях при почти полном отсутствии металлической свя­ зи. Строение частиц практически не зависит от химического состава сталей. На образование не­ металлических фаз наибольшее влияние оказыва­ ют металлургические факторы: способы выплавки, раскисления и рафинирования металла. Сущест­ венную роль играют также шихтовые материалы, которые в разных регионах отличаются по физико­ химическим характеристикам. Вариация техноло­ гий выплавки сталей могла бы послужить основой для систематизации видов включений, но для реа­ лизации такого подхода доступных достоверных данных недостаточно.

Благодаря хорошо развитым физико-химиче­ ским методам исследования металлов и сплавов, а также статистически воспроизводимым данным, в настоящем издании использована классификация, основанная на физической природе включений. Согласно ей включения разделяются на группы, образованные в следующих химических системах:

1)МпО —^ SiC>2 —^ AI2 O3

2)Fev -» Мп|_*0 —» Si02 -» А12 0 3

3)Fe, -> Мп,_,0 -э- Si02 -» СгуА \2уОг

4)Fei_xO —> Fe3 0 4 —> Fe3 0 3

Первые три группы включений объединяют в себе эндогенные оксидные фазы, которые образу­ ются в металле во время его производства. Они формируются в результате взаимодействия кисло­ рода и серы, которые растворены в стали, с раскислителями и десульфаторами. Например, на стадии раскисления сталей возможны реакции с выделением тепла (Q):

FeO + Mn = Fe + MnO + Q

2FeO + Si = 2Fe + Si02 + Q

3 FeO + 2A1 = 3Fe + AI2O3 + Q

Будущие включения образуются в результате взаимодействия неметаллических элементов (ки­ слорода, азота и серы), растворенных в стали, с металлами:

хМе + yN = Me* Ny,

где Me — химический элемент (металл), участ­ вующий в формировании включений; N — неме­ таллический элемент; х, у — стехиометрические коэффициенты реакции. Способ и время образова­ ния эндогенных включений обусловливают их склонность к весьма однородному распределению.

Во время окислительного процесса при вы­ плавке сталей такие элементы, как углерод, марга­ нец, кремний, хром и алюминий в значительной степени удаляются при наличии основного шлака. Но на поверхность всплывают лишь некоторые наиболее крупные эндогенные частицы, а осталь­ ные остаются внутри слитка. При последующих операциях передела полуфабрикатов оставшиеся включения способны вызвать технологический брак в виде трещин — рванин и чешуйчатости.

При затвердевании чистого железа кислород, находящийся в расплаве, выделяется в виде вюстита (FeO). При добавлении в расплавленный ме­ талл даже небольших количеств раскислителей (Mn, Si, Cr, А1 и Zr) растворимость кислорода рез­ ко падает. Поэтому в зависимости от химического состава плавки стали могут содержать включения Si02, Si02 • FeO и Si02 • FeO • M n02 наряду со сме­ шивающимися растворами FeO • MnO. При низких содержаниях хрома его оксид представляет собой смесь вюстита и хромита (шпинель Ре0 Сг20з). В высокохромистых сталях часто присутствует

оксид хрома Сг20 3, который образуется при распа­ де оксида СГ3О4. Алюминий и цирконий являются наиболее сильными раскислителями. Достаточное для раскисления расплава содержание алюминия сопровождается формированием только одного оксида А120 з. Но если алюминия мало, то помимо вюстита и включений (Fe, MnO), будет образовы­ ваться железо-алюминатная шпинель Fe0 Al20 3. Цирконий ведет себя во многом аналогично алю­ минию.

Растворимость серы в жидких сталях высокая, а в твердом металле — низкая. Поэтому во время затвердевания расплава сера выделяется в виде сульфидов. Включения формируются в жидком металле перед фронтом кристаллизации в виде эмульсии, а при остывании преобразуются в пле­ ночные или веретенообразные формы. Эти части­ цы встречаются в тех участках слитка, которые затвердели в последнюю очередь: вдоль границ первичных зерен и между дендритами. Образова­ ние сульфидов указывает на то, что во время за­ твердевания жидкого металла происходила ликва­ ция серы. В зависимости от химического состава сталей и присутствия кислорода в расплаве суль­ фиды выделяются в разных видах:

• небольшого количества крупных глобулей (сульфидов первого вида), которые удалены друг от друга и не являются частицами чистого MnS (рис. 4.1, а). Сульфиды первого вида являются сложными образованиями (FeO, MnO, Si02 и FeS), которые делают температуру затвердевания вклю­ чения ниже температуры солидуса** стали. Такое включение может оказаться даже эвтектическим образованием;

•в качестве второго компонента эвтектики (сульфидов второго вида) в результате эвтектической реакции с металлической матрицей (рис. 4.1, б);

•в форме кристаллических включений особой формы (сульфидов третьего вида), которые фор­ мируются при избытке алюминия и температурах более высоких, чем температура ликвидуса стали (рис. 4.1, в).

•Дендритная ликвация или микросегрегация — перерас­

пределение легирующих элементов между разными фазами в условиях неравновесной кристаллизации.

Солидус — температура конца кристаллизации или на­ чала плавления. Ликвидус — температура начала равновес­ ной кристаллизации сплавов.

Снижение температуры закристаллизовавшего­ ся металла в сталях после 8 —» у-превращения при­ водит к резкому увеличению количества четвер­ тичных включений, локализованных на дефектах мезоскопического масштаба, преимущественно на границах зерен.

Результаты систематических исследований взаимосвязей между возникновением брака в усло­ виях производства, химическим составом сталей и сплавов, а также наличием и расположением включений в зоне технологического дефекта ил­ люстрирует табл. 4.1.

В сталях присутствуют неметаллические вклю­ чения различного состава и природы образования.

По типу получаемых соединений включения раз­ деляют на простые оксиды, сложные оксиды (шпинели), силикаты, сульфиды, фосфиды и нит­ риды. Их количество может меняться. Например, загрязненность сульфидными и третичными ок­ сидными включениями изменяется пропорцио­ нально дисперсности дендритной структуры. Так, с увеличением скорости охлаждения слитка разме­ ры дендритных ячеек уменьшаются, что приводит к уменьшению доли крупных включений в металле. Экспериментально установлено, что в 1 кг сталь­ ного слитка может находиться 1 0 9—1 0 12 оксидов и столько же сульфидов. Если к ним добавить нит­ риды и карбонитриды, то включения следует рас­ сматривать как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие влияние на склон­ ность к образованию трещин (табл. 4 .2 ).

Таблица 4.1

Взаимосвязь условий производства с химическим составом металла, наличием включений и возможностью появления технологического брака

Примечание. Обозначения проявления взаимосвязей: «-» — не прослеживается; «+» — прослеживается; «-Н-» — тесная; «+++» — очень тесная взаимосвязь.

На условия зарождения трещин оказывают влияние расположение и форма неметаллических включений, а также их минералогический состав. Так, горячие трещины возникают в местах, обога­ щенных лидирующими элементами — серой и фосфором. Нагрев углеродистых сталей в контакте с воздухом сопровождается образованием неме­ таллических включений типа кварцевого стекла и силикатов сложного состава, из которых крупные (глобулярные) выделения могут явиться очагами хрупкого разрушения. В случае высоколегирован­ ных сталей (наряду с силикатами) вероятно фор­ мирование оксидов алюминия, хрома, титана, ко­ торые также увеличивают склонность к появле­ нию трещин.

Полагают, что основным источником зарожде­ ния трещин являются пустоты (поры), образую­ щиеся на поверхности раздела твердое включе­ ние—матрица. Размер пор колеблется от 0,5 до 100 мкм и более. Результаты исследований пока­ зывают, что образование пустот является следст­ вием разрыва связей на границе раздела или раз­ рушения самих частиц. Например, при нагреве или охлаждении слитка вблизи неметаллических включений, которые находятся в металле, созда­ ются поля локальных напряжений.

В упрощенном виде величина напряжений явля­ ется функцией разности значений коэффициентов термического расширения включения oti и металла а 2, а также градиента температурного поля АГ*:

Экспериментальные данные, характеризующие количе­ ственную связь между величиной напряжений, составом и размером неметаллических включений, отсутствуют.

^ = ± Л а 2-о.\) АТ.

Несмотря на то что помимо включений на ини­ циацию развития трещин оказывают влияние и другие факторы — газы в металле, примеси, меж­ фазные пленки, считается доказанным главенст­ вующее действие неметаллических включений как концентраторов напряжений.

Для оценки влияния неметаллических включе­ ний на склонность материала к образованию тре­ щин используют расчетный метод. Он базируется на положениях теории упругости. При этом пред­ полагается, что один компонент внедрен в другой (включение в металлическую матрицу), включе­ ния распределены равномерно, имеют одинаковую форму и величину.

Например, для условий одноосного нагружения с помощью расчетов получено, что в металличе­ ской матрице вокруг жесткого недеформируемого включения сферической формы создаются растя­ гивающие напряжения (рис. 4.5). Их величина при растяжении равна а Л- = 1,93а в точках межфазной границы с координатами 9 = 0° и 0 = 180°. В усло­ виях сжатия (а < 0) на поверхности частицы вновь возникнут растягивающие напряжения a w=-0,21a, но только в точках с координатами 0 = 90° и 0 = 270°. На поверхности раздела матрица—фаза как при растяжении, так и при сжатии отношение максимальных растягивающих напряжений со­ ставляет величину 9,2, что достаточно для локаль­ ного разрушения межфазной границы большинст­ ва технических металлов и сплавов. Также уста­ новлено, что величина напряжений существенно зависит от размеров неметаллических частиц.

В качестве другого примера на рис. 4.6 пред­ ставлена диаграмма со значениями коэффициен­ тов термического расширения (а) включений раз­ личных типов и термоупругих напряжений, возни­ кающих в высокоуглеродистых хромистых сталях на границах с частицами.

Приведенный пример говорит о том, что наи­ большую опасность представляют включения гли­ нозема и шпинели, которые характеризуются ма­ лым коэффициентом термического расширения. Оксидные включения, у которых коэффициент термического линейного расширения меньше, чем у металла, вызывают при охлаждении растяги­ вающие напряжения. Сульфидные включения вы­ зывают сжимающие напряжения. Разные типы сульфидов неодинаково влияют на механические свойства металла (рис. 4.7).

В недостаточно раскисленном металле обнару­ живаются неметаллические включения двух ви­ дов: пленочные и изолированные. Пленки в наи­ большей степени ответственны за низкую пла­ стичность металла. Сульфидные включения, которые при кристаллизации выделяются в междсндритном пространстве в виде разветвленных кораллов, являются самыми вредными с точки зрения разрушения. В прокате они имеют вид пле­

нок или веретен, а на шлифе выглядят подобно непрерывным строчкам. Сульфиды такого вида являются наиболее крупными порообразующими частицами. С помощью расчетов показано, что напряжения, возникающие вокруг одинаковых по размеру включений из чистого глинозема и глино­ зема, покрытого оболочкой из сульфида марганца, уменьшаются в 3 раза при наличии сульфидной оболочки.

Неметаллические включения, которые форми­ руются в расплавах металлов и сплавов и остаются в металле после остывания слитков, оказывают существенное влияние на комплекс эксплуатаци­ онных и технологических свойств и при после­ дующих производственных операциях, таких как ковка и прокатка. При прокатке пагубное действие неметаллических включений проявляется в обра­ зовании новых дефектов: рванин, раскатанных трещин и других несплошностей, обусловленных процессом пластической деформации на этапах технологического упрочнения полуфабрикатов. При горячей прокатке легированных сталей появ­ ление беспорядочных одиночных трещин свиде­ тельствует, как правило, о наличии вблизи по­ верхностных слоев локальных трещин, шлаковых включений и оксидов.