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)