Сталь нового поколения в уникальных сооружениях

Одесский П.Д., Кулик Д.В.

Интермет инжениринг, 2005 г.

4.3. Вредные примеси в стали

Вредные примеси в стали - фосфор, сера, мышьяк, а также газы -водород, азот и кислород. За исключением мышьяка, они присутствуют во всех сталях.

4.3. 1  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 [48] 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 в феррите 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 [48]. Все это затрудняет последовательную (эстафетную) передачу микропластических деформаций от зерна к зерну и увеличивает склонность стали к хрупкому разрушению. Причиной же зернограничной хрупкости металла является сегрегация фосфора по границам зерен и выделяющиеся легкоплавкие фос-фористосернистые соединения.

Описанные физические явления способствуют развитию в строительных сталях хладноломкости и зернограничной хрупкости. Несмотря на относительно низкое содержание фосфора в этих сталях (как правило не более 0,035-0,04 %, 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 [4], степень ликвации фосфора в слитках массой до 3,5 τ достигала 300 %. Определение хладостойкое™ стали при изменении содержания в ней фосфора от 0,02 % до 0,5 % показало, что хладостойкость особенно сильно изменяется на начальных стадиях увеличения содержания фосфора [3]. 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 были 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 критического интервала хрупкости в сторону высоких температур (табл. 30) [49].

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 [3] 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.

4.3.2. Влияние серы

Общеизвестно отрицательное влияние серы на качество стали. Снижение вязкости разрушения, образование кристаллизационных трещин в отливках и сварных швах, охрупчивание металла в околошовной зоне при электросварке, растрескивание при горячей деформации зависят от состава, формы, количества и распределения сульфидных включений, а следовательно, от содержания серы в стали. Как показано выше, сильнейшее влияние оказывает сера на ζ-свойства толстых листов.

Несмотря на относительно низкое регламентированное содержание серы в современных сталях обыкновенного качества (как правило не более 0,035-0,055 %), она сильно ухудшает технологические и эксплуатационные свойства сталей из-за большой склонности к ликвации. Степень ликвации серы зависит от развеса слитков (отливок) и по данным различных исследователей составляет 200-600%.

Отрицательное влияние серы связано с сернистыми соединениями -сульфидами, входящими в строительной стали в фазу неметаллических включений. Вообще к неметаллическим включениям относятся химические соединения, образующиеся в стали в процессе ее производства - выплавки, внепечной обработки, разливки, кристаллизации слитков, дальнейших нагревов при прокатке.

При затвердевании и кристаллизации слитков из современных сталей, содержащих достаточное количество марганца, в междендритном пространстве основного расплава выделяются сульфиды марганца в виде разветвленных кораллов (Mn, Fe) S. Это - самый вредный вид неметаллических включений (тип II по классификации Симса). Сульфиды типа II имеют пленочное, пластинчатое или веретенообразное строение; при прокатке они сильно деформируются и на микрошлифах видны как протяженные строчки.

Если при кристаллизации остаточное содержание кислорода мало, образуются многогранные сульфиды (тип III по Симсу), не столь вредные.

Химические элементы, часто используемые при производстве стали (марганец, алюминий, титан, цирконий, редкоземельные элементы и др.) изменяют состав сульфидов, их форму и распределение в металле; сильно влияют таким образом кальций и магний. Эти элементы либо играют роль десульфураторов, либо образуют глобулярные тугоплавкие и труднодеформируемые соединения, менее вредные, чем сульфиды железа или марганца.

Изучалось влияние содержания серы на вязкие свойства и хладноломкость низколегированной кремнемарганцовистой стали, содержащей, %: 0,17 С; 1,4 Μη; 0,5 Siи 0,025 Ρ; содержание серы в стали изменялось от 0,004 до 0,075 %.

Статистическая обработка экспериментальных данных методом наименьших квадратов позволила найти количественную зависимость, связывающую уровень ударной вязкости при вязком разрушении с содержанием серы для стали в нормализированном состоянии и после механического старения. Высокие значения коэффициентов корреляций (-0,974 для исходного состояния и -0,986 после механического старения) свидетельствуют о тесной связи между содержанием серы в стали и ударной вязкостью при вязком разрушении.