Дендритная ликвация в стали

Голиков И.Н.

Металлургия, 1958 г.

2. УМЕНЬШЕНИЕ СТЕПЕНИ ДЕНДРИТНОЙ ИЛИ ПОЛОСЧАТОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ ГОМОГЕНИЗАЦИИ

Как было указано выше, основной причиной развития дендритной химической неоднородности стали является недостаточность диффузии в твердом состоянии с момента образования твердой фазы. Неполнота диффузии технологически неизбежна и не компенсируется в процессе охлаждения, потому что со времени наполнения изложницы жидким металлом подвод тепла исключается, температура снижается, а интенсивность диффузии соответственно падает в логарифмической зависимости от температуры.

Таким образом, в результате кристаллизации в слитке всегда имеет место значительная дендритная химическая и структурная неоднородность. Так как причиной ее образования является неполнота диффузии в твердой фазе в момент кристаллизации, в технологии последующего передела надо создавать условия, предельно благоприятствующие диффузии, т. е. подвергать сталь гомогенизирующей термической обработке (длительные выдержки при высоких температурах) или соблюдать определенную длительность томления при высоких температурах в процессе передела (особенно при нагреве стали под механическую обработку). Конечно, при этом совершенной полноты гомогенизации добиться нельзя, но благодаря тому, что диффузионные процессы во времени следуют квадратичной зависимости, именно первые часы, а может быть, даже минуты диффузионного томления стали должны быть верно оценены.

Гомогенизация как элемент технологии металлургического производства, в особенности применительно к легированным сталям, уже давно привлекает к себе внимание.

В 1926 г. Ф. Лейтнер рекомендовал гомогенизацию слитков хромоникелевой стали как средство борьбы с пороками в прокатанном металле [175].

М. В. Приданцев и Б. Е. Шейнин [176] исследовали влияние гомогенизации слитков хромоникельвольфрамовой стали на ряд качественных характеристик поковок.

Е. Р. Джонсон и В. И. Бюклинг [177] изучали влияние гомогенизации заготовки хромрмолибденовой трубной стали SAE4130X на полосчатую структуру готовых труб. В результате дополнительного нагрева в течение 7 час. при 1200° отчетливо уменьшалась полосчатая неоднородность стали.

В. Д. Садовский [123] приводит опыты по гомогенизации (при 1200— 1250° в течение 16 час.) стали 37XH3A. Методом обычного микроанализа после специальной термической обработки, при которой используется влияние углерода на точку М, автор показывает существенное уменьшение структурной неоднородности стали в результате гомогенизации.

О.    Вернер [161] изучал природу грубых ферритных скоплений в полосовой низколегированной конструкционной стали. Образование такой микроструктуры автор связывает с дендритной ликвацией в исходном слитке и указывает, что диффузионным отжигом при 1150° в течение 24 час. устраняется этот дефект.

П. А. Дудовцев [121], изучая интервалы перлитного распада аустенита в слитке, отмечает, что гомогенизация даже в течение 4 час. при 1100° значительно сглаживает дендритную неоднородность.

Лавендер и Джонс [141] исследовали влияние процесса гомогенизации на полосчатость микроструктуры прокатанной стали, обусловленную дендритной неоднородностью слитка. Сталь четырех марок подвергали гомогенизации в течение 2 час. при 1270, 1300 и 1350°. Авторы указывают на отчетливое уменьшение полосчатой неоднородности стали.

К. А. Осипов и С. Г. Федотов [142] с помощью микрорентгенографического анализа исследовали дендритную неоднородность распределения вольфрама, молибдена, ниобия, титана и тантала в никелевом твердом растворе и влияние на эту неоднородность гомогенизации в течение· 96 час. при 1100°. И после такого длительного процесса гомогенизации, как отмечают авторы, дендритная неоднородность сплавов все еще отчетливо различима.

В. И. Архаров [178] в обзорной работе по проблемам диффузии замечает: «Есть экспериментальные данные, показывающие, что микроликвационные неоднородности оказываются гораздо устойчивее против гомогенизационных отжигов, чем это принято думать».

На устойчивость неоднородности также указывает Л. Коломбье .

Рассмотрев механизм формирования дендритной химической неоднородности стали, автор указывает возможность ее уменьшения в процессе гомоген1из'а1ЦИ1и при 1200—1250°.

А. Кон [180] исследовал влияние гомогенизации на уменьшение степени дендритной ликвации фосфора и мышьяка. Гомогенизация осуществлялась при 1125, 1200 и 1275° продолжительностью от 4 до 70 час.

Автор показал, что по мере повышения температуры и увеличения длительности процесса гомогенизации дендритная неоднородность стали убывает, но даже после 70 час. при 1200° и 32 час. при 1275° некоторая неоднородность распределения фосфора и мышьяка все еще наблюдается.

А. Кон указывает на уменьшение неоднородности уже при обычном нагреве стали для горячей механической обработки. Опытным путем им установлено, что диффузия фосфора активнее диффузии мышьяка, а присутствие других элементов в пределах обычной легированности стали на эффективности гомогенизации (по отношению к фосфору и мышьяку) не сказывается.

Особенно велико значение гомогенизации при производстве легированных сталей, когда степень дендритной неоднородности слитка носит выраженный характер, имеется заниженная активность диффузионных процессов и, наконец, качественные характеристики продукции приобретают исключительное значение.

Теперь в некоторой мере может быть количественно оценена роль гомогенизации применительно к производству легированных сталей.

Несомненно, процесс гомогенизации и для слитка, и для блума протекает  весьма затрудненно, и добиться полной однородности или полного устранения дендритной (полосчатой) структуры можно лишь за время, превышающее сотни часов при температурах 1200° и выше.

Но, несомненно, диффузионный процесс выравнивания концентрации в пределах дендрита (или полосы) идет, и это свободно улавливается даже обычным микроанализом (рис. 42).

В соответствии с законами диффузии и приведенными данными можно  утверждать следующее.

1. Скорость гомогенизации решающим образом зависит от температуры. Повышением температуры операции на каждые 20—30° можно резко сократить длительность процесса гомогенизации.
2. При данной постоянной температуре эффективность гомогенизации параболически убывает со временем, т. е. относительно больший эффект достигается в первые часы операции. Это прежде всего значит, что, установив положительное влияние длительного томления на те или иные свойства стали, в условиях производства надо дорожить каждой дополнительной минутой обычно кратковременного нагрева.
3. Скорость выравнивания концентрации обратно пропорциональна квадрату расстояния между участками с максимальной и минимальной концентрацией (осями, ветвями дендритов или полосами прокатанной стали). Следовательно, эффективность процесса гомогенизации будет большей для мелкого слитка, для периферийных его слоев и для более обжатой заготовки.
4. Деформация литой структуры ускоряет процесс гомогенизации (количественное выражение этого эффекта приведено ниже).

Большая трудность количественной оценки степени дендритной ликвации в прошлом почти исключала возможность количественно оценить эффект процесса гомогенизации. Возможность такой оценки появилась в результате использования микрорадиографии.

Можно привести последнюю работу А. Кона [182]. Чтобы количественно оценить дендритную и полосчатую неоднородность распределения фосфора, автор изучал радиографические снимки с помощью специально приспособленного и отградуированного микрофотометра. Он оценивал предельную разность потемнения пленки. Автор не решается судить о количестве фосфора в каждой точке, но указывает на возможность использования отношений плотности затемнения как меру степени дендритной неоднородности.

Обобщая результаты определений, он указывает на очень большую дендритную неоднородность сталей по фосфору и на высокую эффективность процесса гомогенизации, особенно в связи с горячей деформацией.

Небольшая работа по количественной оценке влияния процесса гомогенизации на дендритную неоднородность распределения хрома в литой структуре стали с 0,4% С и 2,45% Сг была выполнена в Уральском институте металлов И. Е. Болотовым и М. И. Гольдштейном [152]. Для этой цели они использовали изотоп Сг⁵¹, а степень неоднородности определяли по почернению пластинки на микрофотометре. Авторы оценивали исходную неоднородность и уменьшение этой неоднородности при гомогенизации. Результаты работы приведены в табл. 23.

В своей работе мы сочли возможным дать количественную оценку процессу гомогенизации только по тем элементам, степень дендритной ликвации которых наибольшая и методы определения достоверные.

3. ДЕНДРИТНАЯ (ПОЛОСЧАТАЯ) ХИМИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ И КАЧЕСТВО СТАЛИ

Теоретический и экспериментальный материал предшествующих разделов свидетельствует о значительной дендритной неоднородности стали и ее устойчивости в процессе металлургического производства. Можно утверждать, что каждая стальная деталь, инструмент, любое стальное изделие в условиях эксплуатации всегда сохраняет большую или меньшую степень такой дендритной или волокнистой химической неоднородности.

Естественно, что такая неоднородность неотъемлема от самого существа, самой природы стали и проявляется в многочисленных качественных и эксплуатационных характеристиках стальных изделий, а в ряде случаев имеет решающее техническое значение.

Дополнительно следует отметить, что если дендритная неоднородность отчетливо выражена и имеет значение даже для углеродистых марок стали, то применительно к производству и использованию легированных сталей она приобретает особое значение. Это определяется двумя обстоятельствами.

С одной стороны, процессы ликвации в исходном слитке приводят к обогащению отдельных участков объема одновременно несколькими элементами, такими как углерод, хром, молибден, вольфрам, сера, фосфор и др., ликвация которых, как показано выше, развивается в одном направлении. Известно, что совместное влияние двух или трех элементов на структурные характеристики стали (например, на закаливаемость) не складывается арифметически, а часто подчеркивается многостепенно. Таково, например, совместное влияние хрома и никеля или хрома, никеля и молибдена на кинетику распада аустенита, или хрома и кремния на устойчивость α-фазы и т. п.

В результате этого дендритная ликвация в легированных сталях часто приводит к столь резкой разности концентраций) группы элементов, что перлитные участки в стали сочетаются с мартенситными (45Г2, ХВГ), доэвтектоидные — с заэвтектоидными (45ХНМФА, 60ХНМ), заэвтектоидные—с ледебуритными (X, ХГ, В1). Примеры микроструктур ной неоднородности легированной стали, определяемой дендритной ликвацией углерода и легирующих элементов, приведены на рис. 44—47.

Несомненно, структурная неоднородность стали является только внешним проявлением большой разности физико-химических  свойств участков объема стали, не одинаково легированных. Особое значение полосчатой неоднородности легированных сталей определяется тем, что вследствие расходов и трудностей производства, вызываемых добавками легирующих элементов, от стали надо добиться повышенного качества при испытаниях и эксплуатации.

По этим причинам изучение и методы регулирования степени дендритной неоднородности имеют особое значение при производстве легированных качественных сталей.

В связи с исходной дендритной неоднородностью представляет интерес всестороннее изучение механических свойств конструкционных ста лей и состояния или распределения карбидной фазы в инструментальных сталях.

Как будет показано ниже, дендритная или полосчатая химическая неоднородность стали проявляется при самых разнообразных видах испытания металла, а также в технологии его производства, конечной обработке и эксплуатации.

ДЕНДРИТНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ И КАЧЕСТВО КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

1. ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ ТЕЛ

Основным критерием качества конструкционных сталей служат механические свойства, характеризующие прочность металла. Вопросы прочности металла составляют большой самостоятельный раздел металлофизики.

Определенными этапами в развитии теории прочности явились работы А. Ф. Иоффе [183, 1841 (переход материала из вязкого состояния в хрупкое в связи с «дефектами» поверхности и температурой испытания), Η. Н. Давиденкова [185] (оценка влияния скорости деформации на характер разрушения металлов), А. А. Ильюшина [186], И. А. Одинга [187], Я. Б. Фридмана [188], П. О. Пашкова [189].

Длительное время для анализа деформации и разрушения металлов при разных видах нагружения (разрыв, изгиб, срез, скручивание и т. п.) и состояниях металла использовали различные теории прочности.

Одним из критериев правильности теории прочности должно быть соответствие замеряемой прочности металлов при испытании на разрыв и прочности, рассчитанной на основе сил притяжения между атомами, или энергии, необходимой для отрыва атомов кристаллической решетки.

Такие расчеты показывают [99], что теоретическая прочность металла почти в 100 раз выше технической прочности.

Это объясняется концентрацией напряжений у поверхностных или внутренних дефектов строения металла [99], или, наоборот, уменьшением прочности металла под влиянием таких дефектов.

Необходимо, таким образом, при рассмотрении технической прочности, считаться со случайной (статистической) или организованной (закономерной) неоднородностью строения реальных металлов.

Наиболее полная разработка значения неоднородности металла при его хрупком и пластическом разрушении дана в статистической теории прочности, предложенной Т. А. Канторовой и Я. И. Френкелем в 1941 г [190].

В начале авторы имели в виду только хрупкую прочность при разрыве, но затем распространили эту теорию и на случай неоднородно-напряженного состояния — изгиб и кручение [191].

Статистическая теория прочности связана с так называемым масштабным фактором. При испытаниях металла на разрыв, изгиб, скручивание и усталость [187, 192] относительная хрупкая прочность металла убывает по мере увеличения сечений испытуемых образцов, т. е. не сохраняется основной закон геометрического и механического подобия.

Численно этот эффект неизменно выявляется при каждом серийном испытании и теперь не подлежит сомнению [187, 188, 193, 194].

Это явление можно объяснить при помощи статистической теории прочности.

Количественное решение вопроса статистической теорией прочности основывается на следующих предпосылках:

1. прочность образца в целом определяется самой «опасной» из всех присутствующих в данном объеме неоднородностей;
2. наиболее опасной является неоднородность наибольшего размера;
3. размеры неоднородностей, встречающихся в металле, распределены по статистическому закону Гаусса.

Математическое решение задачи оправдывает масштабный фактор,

При дополнительной разработке теории Т. А. Канторова [191] приняла еще во внимание неравномерность распределения напряжений по сечению образца. И, таким образом, причина разрушения была отнесена к наиболее «опасному» дефекту в самом напряженном участке. Следовательно, в основу статистической теории хрупкой прочности положен принцип, по которому прочность всего образца определяется прочностью самого слабого места. В металле такие дефекты всегда имеются в силу неоднородности структуры [195]. Таким образом, достаточно общепризнанным является такой механизм разрушения, когда первоначально в объеме металла разрушается «дефект». Начало разрушения можно представить себе в виде трещинок, расположенных внутри деформированного объема тела [189]. Такой же механизм разрушения образца при разрыве предлагает в своем исследовании хрупкой прочности Б. Я. Пинес [196]. Рассматривая природу дефектов, Б. Я. Пинес полагает, что их происхождение относится главным образом к периоду кристаллизации.

Влиянию структуры металла на так называемые предельные механические состояния посвящена специальная работа Η. Ф. Лашко [197J.

Киз, Суливан и Ирвин (по данным [198]), также показывают, что общему разрушению металлов всегда предшествует образование поперечных мелких разрывов в слабых местах объема твердого тела.

Механизм развития такой микропоры или трещины рассматривается в одной из последних работ И. А. Одинга и В. С. Ивановой [198].

Таким образом, разрушение металла при разрыве за счет возникновения в отдельных областях объема образца микротрещин и их последовательного развития можно принять достоверным.

Значительное внимание исследователей было обращено на выявление или уточнение природы этих дефектов или микроучастков, в которых в первую очередь возникают разрушения.

В этой связи прежде всего были изучены поры и экзогенные включения в реальных моно- и поликристаллах. Затем в исследованиях было уделено значительное место изучению структурной и физико-химической неоднородности, присущей металлу и соответствующей самой его природе.