Сталь нового поколения в уникальных сооружениях

Одесский П.Д., Кулик Д.В.
Интермет инжениринг, 2005 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Одесский П.Д., Кулик Д.В. Сталь нового поколения в уникальных сооружениях
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.