Распределение ликвирующих элементов по дендриту

Рис. 7. Схема изменения структурного состояния сплава с неоднородным распределением элементов при понижении температуры от Т₁ до Т₂

В этом случае разрушение должно происходить по областям сегрегаций элементов, перешедших в хрупкое состояние, а на поверхности разрушения должны обнаруживаться хрупкие участки с выраженным содержанием конкретного легирующего элемента. Такими элементами могут быть, например, марганец, ванадий и элементы, участвующие в образовании ферритных фаз.

Для оценки роли ликватов и легирования в формировании химической неоднородности и влиянии ее на вязкие свойства находили распределение элементов в структуре и изломе. Перераспределение элементов в изломе оценивали микрорентгеноспектральным методом посредством снятия интенсивности элементов на площади 20-2000 мкм. При этом сканировали не менее 30 полей зрения на каждый определяемый элемент. Распределение элементов по структуре определяли сплошным сканированием нетравленого шлифа образца и локальных участков структуры.

Сопоставление средней концентрации легирующих элементов в изломе при комнатных и криогенных температурах выявило рост содержания ферритообразующих элементов (Cr и V) в изломе с понижением температуры. Анализ распределения легирующих элементов в изломах сталей показал, что с понижением температуры испытания разница в содержании легирующих элементов на поверхности излома уменьшалась. Сканирование и просмотр более 150 полей зрения на поверхности разрушения не выявили наличия сульфидных включений при различных температурах испытаний. Сравнение распределения легирующих элементов не выявило значимых различий для хрупкого и вязкого излома. Также и при разном содержании изучаемых элементов излом мог быть одинаково вязким или хрупким.

Можно констатировать, что с увеличением жесткости напряженного состояния при понижении температуры уменьшалась тенденция к разрыву по пластичным участкам (обогащенным никелем и марганцем) и увеличивалась тенденция к разрыву по более хрупким элементам (хром, ванадий). Одинаковые значения ударной вязкости и характер излома наблюдается в широком диапазоне изменения содержания элементов на поверхности разрушения.

Для выявления причин появления тех или иных элементов в изломе целесообразно рассмотреть их распределение в структуре. Анализ показал, что, несмотря на малые размеры образцов, в них могла обнаруживаться дендритная ликвация и значительные отличия в распределении элементов по зерну.

Характеристики ликвации основных легирующих элементов и их примесей, найденных по соотношению между максимальными и минимальными их концентрациями, приведены в табл.1. В скобках указаны максимальные значения. Для сравнения приведены значения коэффициента ликвации серы в стали 12Х18Н10ТЛ.

Табл.1. Характеристики дендритной ликвации в аустенитных Cr-Mn и Cr-Ni сталях

элемент	Коэффициент ликвации	Содержание, %
максимальное	Минимально е
Cr	1,11 (1,25)	7,4	5,1
Mn	1,12 (1,38)	32,8	23,8
Ni	1,10	3,18	2,53
V	1,28	2,6	1,0
S	10,5 (19,9)*
P	-

· Сталь 12Х18Н10ТЛ

Характер распределения элементов по сечению образца в зоне, непосредственно примыкающей к излому, показан на рис. 8.

Mn

Mn

Mn

Ni

S

P

V

S после литья

S после закалки

Cr

Cr

Cr

а) б) в)

Рис. 8. Распределение легирующих элементов и примесей в сталях с различным содержанием хрома и марганца.

а) сталь 07Х8Г28Л

б) сталь 07Х8Г28Н3ФЛ

в) сталь 07Х13Г28Л

Совместный анализ данных показывает, что наибольшая ликвация характерна для марганца и зависит от содержания хрома. При кристаллизации сталей с 13% хрома марганец распределяется практически равномерно, (рис. 8в). В сталях с 8% хрома марганец сильно ликвирует к границам, тогда как хром сосредотачивается в осях литых зерен, рис 9.

Рис. 9. Распределение хрома и марганца по дендриту в стали 07Х8Г28Л

Сопоставление пиков ликвации легирующих элементов между собой показало, что в структуре более часто обнаруживались зоны совместной ликвации марганца, никеля и ванадия. В большинстве случаев это были межосные участки или границы литых зерен (в сталях с ванадием).

Методика анализа химической неоднородности позволила объяснить и высокие значения ударной вязкости аустенитных Cr-Mn сталей при криогенных температурах. При сравнении ликвации элементов со значениями ударной вязкости и характера разрушения выяснилось, что изменение КСV может быть объяснено особенностями ликвации элементов.

Высокая ударная вязкость сталей с 8%Cr и 28%Mn появляется при формировании благоприятной композитной структуры, образующейся из переплетенных более прочных осей и пластичных межосных участков. Если в эти области дополнительно ликвирует ванадий (сталь 07Х8Г28ФЛ), то, несмотря на измельчение дендритной структуры, падает ударная вязкость из-за большей хрупкости ликвационных зон. При наличии никеля в зонах ликватов устраняется вредное действие ванадия, а значения ударной вязкости при криогенных температурах увеличиваются на 50-60Дж\см² (сталь 07Х8Г28Н3ФЛ). При легировании азотом (сталь 07Х8АГ28Л) большая концентрация марганца в межосных пространствах обеспечивает хорошую растворимость сильно ликвирующего азота, отсутствие пор и хорошую плотность металла. Значения КСV при этом малы из-за хрупкости областей с повышенным содержанием азота. Ликвация ванадия в зоны, обогащенные азотом, приводят к образованию карбонитридов и снижению хрупкости, вносимой азотом. Рост ударной вязкости стали 07Х8Г28АФЛ по сравнению со сталью 07Х8АГ28Л при 20К составил до 40Дж\см². При отсутствии ликвации марганца и значительно более равномерном распределении легирующих элементов появляются сульфидные плены и примеси по границам дендритов, охрупчивающие сталь уже при комнатных температурах.

Учитывая рост вязкости после закалки при неизменном распределении легирующих элементов, можно сказать, что он происходит вследствие благоприятного распределения серы и легких элементов (C,N,O) в закаленном состоянии. Действительно, микротвердость межосных участков сталей с азотом была на уровне или выше микротвердости осей дендритов. Сопоставление пластичности и ударной вязкости хромомарганцевых сталей и стали 12Х18Н10ТЛ показало, что повышенные пластические и вязкие характеристики сталей на хромомарганцевой основе обусловлены меньшим числом сульфидных плен и в ряде случаев, как для сталей с 8%Cr и 28%Mn полным их отсутствием.

Таким образом, при наиболее однородном распределении легирующих элементов могла наблюдаться низкая ударная вязкость, тогда как композитной структурой с неравномерным распределением легирующих элементов обеспечивалась высокая ударная вязкость уже в литом состоянии, а также отсутствие сульфидных плен. В пределах исходных диапазонов концентраций основные легирующие элементы (Cr, Mn, Ni, V) и связанная с ними химическая неоднородность в изломе и структуре мало влияют на характер разрушения и вязкие свойства в диапазоне температур 293-20К. Основное понижение пластичности и вязкости происходит в результате ликвации углерода, кислорода, азота и серы.

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОМПОНЕНТОВ ЛИТОЙ СТРУКТУРЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ВЯЗКОСТИ ИЗЛОМА АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Сравнение влияния дендритной структуры, неметаллических включений и распределения элементов вследствие ликвации показало, что они неравноценны между собой. Размерность дендритной структуры не играет решающей роли при температурах до 77К в случае благоприятного расположения неметаллических включений и ликватов. В случае отсутствия облачных и пленочных сульфидных включений хрупкая трещина распространяется не по включениям, а по участкам скола и не способствует повышению хрупкости. Наибольшее понижение вязких свойств аустенитных хромомарганцевых сталей определяется степенью загрязненности межосных участков легко ликвирующими примесями (C,N, O) и серой.

Высокая ударная вязкость аустенитных сталей независимо от характера распределения основных легирующих элементов и структуры обеспечивается тем, что наибольшая площадь излома после закалки приходится на ямки диаметром не менее 10-15 мкм.

Режим раскисления при этом должен обеспечивать образование равномерно и беспорядочно распределенных включений, хорошо сопрягающихся с основным металлом. Размер включений должен находиться в пределах 2-8 мкм с коэффициентом асимметрии (форм-фактором) не более 1,75.

Выделение серы в виде пленочных включений и пористости при кристаллизации из расплава выделяющихся газов (O,N) можно подавить легированием. Наиболее благоприятствует такому процессу кристаллизации и способствует росту вязких свойств композитная структура с неравномерным распределением легирующих элементов по дендриту. Она образуется при кристаллизации составов с 5-8% хрома и 28% марганца.

РАЗВИТИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ФРАКТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Главным препятствием широкому внедрению методики фрактографического анализа была его высокая трудоемкость. Если раньше можно было только мечтать о том, чтобы полностью «прочесть» ФРАКТОГРАФИЧЕСКИЕ особенности излома, то в настоящее время, с развитием информационных технологий это стало достаточно простым делом. Для литых сталей с композитной структурой и многообразием фактографических структур использование современных информационных технологий становится прорывным решением в доказательстве надежности сталей. Для этого можно использовать такие программы распознавания как Thixomet PRO, рис.10.

Рис. 10. Использование программы анализа изображений Thixomet PRO для количественного фрактографического анализа

Соединение способности к измерению, анализу, сравнению с эталоном и обработке статистического материала создает новые возможности для расчета надежности по микрофрактографическим данным. Так, рассмотренные выше особенности микропластического разрушения показывают, как участки с мелкими ямками, как более прочные по своим характеристикам и способные сдерживать зарождение трещины, так и участки с выраженными пластическими димплами, способные переводить энергию трещины в пластическую деформацию и тормозящие ее развитие. Их общий расчет сопротивления разрушению создает как картину течения деформации и прохождения трещины, так и дает весомые гарантии надежности литых аустенитных сталей.

Не за горами и использование новых методик оценки фрактографического разрушения. Развиваются новые способы мультифрактальной параметризации, основанные на рассмотрении структур разрушения с точки зрения теории фракталов (4). На их основе с применением современных способов распознавания образов и применения автоматических анализаторов появляются новые возможности получения данных о типах благоприятных структур, препятствующих хрупкому разрушению, их расчета и прогнозирования надежности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как видите, наше исследование показало, что существуют достаточно эффективные комплексные методы оценки надежности литых аустенитных сталей. Чтобы полностью подтвердить надежность стали, необходимо оценить ее не только по ударной вязкости, но и применить методы фрактографической оценки изломов.

Именно фрактографический анализ изломов, докажет возможность использования литой аустенитной стали в условиях динамического нагружения. Для этого необходимо провести анализ поверхности разрушения при больших увеличениях, оценить влияние неметаллических включений и химической неоднородности на поверхности изломов и в структуре на вязкие свойства. А в своем развернутом варианте - составить карту оптимальных структурных элементов излома для конкретной стали.

Повышая надежность, мы повышаем и конкурентоспособность арматурного литья. Внедрив показанную комплексную методику, включая разработанную нами методику фрактографического анализа в технические условия для конкретных сплавов, можно в большей степени обеспечить и большую эксплуатационную надежность арматурного литья, повысить категорийность безопасности, например, по SIL, в большей степени заменять деформированные сплавы и стали на литейные аустенитные стали.

Источники

1. С.Л. Горобченко. Комплексное влияние легирующих элементов на механические и литейные свойства аустенитных сталей для криогенной арматуры, а\д, Л., ЛТИХП, 1991.

2. М. Гордеева Т. А., Жегина И. П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. — М.: Машиностроение, 1978. — 200 с.

3. Н. В. Копцева, М. В. Чукин, О. А. Никитенко. Использование программного продукта Thixomet PRO для количественного анализа ультрамелкозернистой структуры низко- и среднеуглеродистой стали, подвергнутой равноканальному угловому прессованию, МиТОМ, №2\2013.

4. Встовский В.Г., Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф., Применение мультифрактальной параметризации для количественной оценки нарушенной симметрии структур металлических материалов, формирующихся в неравновесных условиях/Вестник ВГТУ. Сер. Материаловедение. Вып. 1.5. с. 34-39.