Химический состав и чистота стали в отношении вредных и так называемых случайных примесей являются важнейшими факто­рами, определяющими склонность стали к хладноломкости. Как правило, все элементы, входящие в состав стали, охрупчивают ее по сравнению со свойствами, которые можно было бы ожидать от железа высокой чистоты. Особенно резко охрупчивают сталь такие элементы, как углерод, кислород, азот, олово, сурьма и фосфор; последние три — наиболее активно в присутствии и с возрастанием содержания углерода и марганца. Охрупчивающее влияние этих элементов последовательно возрастает с увеличением их содержа­ния в стали.
Другие элементы, как например марганец, никель, кремний, алюминий, хром, молибден, вольфрам, бор, церий оказывают бо­лее сложное влияние на динамическую вязкость стали и склон­ность ее к хладноломкости в зависимости как от их содержания в стали и общего ее состава, так и условий ее термической обра­ботки. Иными словами, влияние этих элементов носит отчетливо экстремальный характер: в определенных пределах содержания они улучшают свойства стали, а затем по достижении максимума ухудшают их.
Характеристика влияния большинства легирующих элементов оказывается тесно связанной со структурой стали, с условиями предшествующей ее обработки. Так, например, одни и те же эле­менты (Мо, Si, В) в одних и тех же сталях (низкоуглеродистых, низ­колегированных) могут значительно понижать температуру пе­рехода от вязких разрушений к хрупким после закалки и низкого отпуска и повышать температуру перехода после улучшения (за­калки и высокого отпуска).
Ухудшение ударной вязкости стали и возрастание ее склон­ности к хладноломкости с увеличением содержания того или иного элемента чаще всего бывает связано со следующими причинами:
а) с искажением кристаллической решетки а-железа из-за раз­личия в размерах атомных радиусов железа и легирующего эле­мента, а также в связи с дроблением блоков мозаики и увеличением напряжений 2 рода в результате закалки, пластической деформа­ции или процессов выделения карбидов, старения и пр.;
б) с возникновением и выделением по границам зерен и блоков новых фаз, в результате взаимодействия легирующего элемента с другими элементами или примесями, присутствующими в стали. Такими фазами могут быть интерметаллидные соединения — кар­биды, нитриды, бориды, сульфиды и др.;
в) с увеличением данным элементом размера аустенитного зер­на и склонности его к росту при нагревании;
г) с перераспределением отдельных элементов в микрообъемах стали в результате антагонизма, существующего среди отдельных элементов, входящих в состав сплава;
д) с возрастанием склонности стали к отпускной хрупкости (необратимой и обратимой).
Влияние вредных примесей. Описание влияния вредных при­месей целесообразно начать с таких элементов, как кислород, азот, олово и сурьма, содержание которых в металле обычно не прове­ряется ни на металлургическом заводе, ни у потребителя. На фиг. 54
и 55 приводятся некоторые данные, из которых видно резко отри­цательное влияние уже небольшого содержания кислорода и азота на температуру перехода от вязкого типа разрушения к хрупкому.
Механизм отрицательного влияния кислорода и азота непосред­ственно связан как со значительным укрупнением ими величины зерна (при условии, что азот не связан в нитриды), так и с их горофильностью относительно железа, приводящей к обогащению гра­ниц зерен и субзерен нитридами и кислородными соединениями. Опасность наличия в стали азота, не связанного в прочные нит­риды, заключается также в значительном повышении им склон­ности стали к старению и обратимой отпускной хрупкости. Послед­няя особенность влияния азота была экспериментально подтвер­ждена при исследовании специально отлитых плавок стали марок 45, 18Г2, 18X2 и других, в отдельные фракции которых вводили азот, а в другие фракции — вслед за азотом — различного рода раскислители (АI, Тi, SiCа и др.). Характерный пример влияния азота, находящегося в твердом растворе и связанного в нитриды алюминия, на свойства конструкционной стали приводятся на фиг. 56.
Вредное влияние кислорода обычно нейтрализуется пра­вильно проведенным процессом раскисления стали. Особо важное значение условий раскисления отмечается при производстве низко­углеродистой стали, менее самораскисленной углеродом и потому содержащей повышенное количество растворенного кислорода. Нередко отдельные плавки одной и той же стали, несмотря на стандартные условия их обработки характеризуются различными показателями ударной вязкости и положения порога хладнолом­кости. Чаще всего это различие в свойствах объясняется разной газонасыщенностью стали, особенностями технологии их выплавки и раскисления. Именно поэтому бессемеровская сталь более склон­на к хрупким разрушениям, чем мартеновская, а кипящие стали — более, чем спокойные.
B качестве раскислителей обычно применяют ферромарганец, ферросилиций, алюминий и его сплавы, ферротитан, силикокальций и др. Весьма эффективно применение комплексных раскисли­телей (силикомарганец, КМК, АМС), а также обработка жидкой стали малыми добавками редкоземельных металлов — ферроце­рием, мишметаллом и др. Как правило, чем энергичнее раскислитель, тем выше его химическое сродство к азоту, тем более устой­чивым будет соответствующий нитрид, тем меньше будет склонна сталь к деформационному старению. Это иллюстрируется графи­ками на фиг. 57, относящимися к свойствам образцов четырех фрак­ций одной и той же плавки, различно раскисленных при выпуске стали в разливочные ковши.
Учитывая это, при заказе стали для деталей, изготовляемых из листового или фасонного проката, подвергаемых в процессе про­изводства холодной пластической деформации или сварке, а в про­цессе эксплуатации — ударным нагрузкам при отрицательных температурах, необходимо специально оговаривать требование ее устойчивости к деформационному и термическому старению. Это позволит избежать многие хрупкие разрушения деталей тракторов,автомобилей, экскаваторов и других машин при работе их в суро­вых условиях Севера.
Если вредное влияние кислорода и азота нейтрализуется пра­вильно построенной технологией выплавки и раскисления стали, то значительно труднее нейтрализовать отрицательное влияние таких примесей, как олово и сурьма, резко возрастающее с повышением содержания углерода и в присутствии третьих эле­ментов (Мn, Сr, Сu). Роль последних, вероятно, состоит в том, что изменяя (снижая) растворимость олова (или сурьмы) в феррите, они усиливают обогащение ими граничных зон. Обладая перемен­ной растворимостью в а-растворе, эти элементы (Sb, Sn) способны также резко усиливать склонность стали к обратимой отпускной хрупкости. При этом высокая склонность к обратимой отпускной хрупкости в присутствии сурьмы и олова оказывается присущей не только легированным, но и простым углеродистым сталям (фиг. 58)