Микролегированные стали для северных и уникальных металлических конструкций

Одесский П.Д., Смирнов Л.А., Кулик Д.В.

Интермет Инжиниринг, 2006 г.

ВЛИЯНИЕ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ

Элементы присутствуют в стали как легирующие или примеси. К примесям относятся элементы, попадающие в сталь при ее производстве как технологические добавки или составляющие шихтовых материалов. Содержание основных примесей в современной стали обычно ограничивается следующими пределами: Μnи Si< 0,4 %; Ni, Сu, Сr < 0,3 %; Ρ и S< 0,05 %.

Согласно известной классификации [13] примеси в стали подразделяются на постоянные, случайные и вредные.

Вредные примеси в стали - фосфор, сера, мышьяк, а также газы - водород, азот и кислород; за исключением мышьяка они присутствуют во всех сталях. «Вредными» эти примеси прежде всего являются потому, что повышение их содержания понижает сопротивление проката хрупким разрушениям различной природы, особенно «вредно» эти примеси влияют на свойства сталей, эксплуатируемых при низких температурах. Одна из важных задач современной металлургии - сведение их содержания к разумному минимуму.

Влияние фосфора. Фосфор занимает особое место среди других элементов, присутствие которых отрицательно сказывается на качестве стали. С одной стороны, фосфор является легирующим элементом, сильно упрочняющим феррит (см. табл. 5) и повышающим коррозионную стойкость проката в атмосферных условиях, с другой стороны, повышенное содержание фосфора в стали обусловливает появление хрупкости, снижение ударной вязкости и сопротивления хрупкому разрушению, а также увеличение склонности к образованию кристаллизационных трещин при сварке.

Сильное упрочняющее действие фосфора объясняется тем, что вферрите он замещает атомы железа, а так как его атом больше атомов железа, то это приводит к существенному упрочнению, но также и к охрупчиванию. Кроме того, фосфор препятствует поперечному микроскольжению, увеличивая тем самым склонность к микроплоскому скольжению, при этом уменьшается количество плоскостей скольжения, особенно с понижением температуры, а также увеличивается склонность железа к двойникованию [26]. Все это затрудняет эстафетную передачу микропластических деформаций от зерна к зерну и увеличивает склонность стали к хрупкому разрушению, повышая σο, kfи снижая γ в (7). Так же увеличивается склонность металла к зернограничной хрупкости из-за сегрегации фосфора по границам зерен и выделяющимися здесь легкоплавкими фосфористо-сернистыми соединениями.

Описанные физические явления способствуют развитию в строительных сталях хладноломкости и зернограничной хрупкости. Несмотря на относительно низкое содержание фосфора вэтих сталях (как правило, не более 0,035-0,04 %, а в старых строительных сталях, применявшихся в клепаных конструкциях, содержалось до 0,1 % при < 0,1 % С), описанные явления способствуют увеличению хладноломкости из-за большой склонности фосфора к ликвации. По данным П.И. Соколовского [28], степень ликвации фосфора в слитках массой до 3,5 тдостигала 300 %. Оценка хладостойкости стали при изменении содержания в ней фосфора от 0,02 до 0,5 % показала, что хладостойкость особенно сильно изменяется на начальных стадиях увеличения содержания фосфора [12]. В этой же работе приведены данные о том, что ударная вязкость при комнатной температуре стали с 0,15 % С уменьшается почти вдвое при увеличении содержания фосфора до 0,12%.

Весьма убедительные результаты о влиянии фосфора на ударную вязкость и хладноломкость получены при исследовании эксплуатационных свойств хромокремнемедистой строительной стали. Показано, что с повышением содержания фосфора от 0,026 до 0,13 % резко снижается ударная вязкость и смещается нижняя граница (см. табл. 6) критического интервала хрупкости в сторону высоких температур [12].

Таблица 6. Влияние фосфора на ударную вязкость, Дж/см , строительной стали при различных температурах

Хорошо известно, что изменение содержания фосфора от тысячных до сотых долей процента при прочих равных условиях резко повышает восприимчивость стали к отпускной хрупкости.

В работе [12] подчеркивается, что сильное отрицательное влияние фосфора на строительные стали проявляется лишь при концентрации его > 0,04 %. При изменении содержания фосфора от 0,02 до 0,12 % температура перехода в хрупкое состояние поднимается более чем на 80 °С.

В современных сталях для конструкций северного исполнения рекомендуется ограничивать содержание Ρ < 0,01 %. Более жесткий допуск отрицательно влияет на коррозионную стойкость обсуждаемых сталей [29].