РАЗДЕЛ 2
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Материал исследования
Влияние легирующих и примесных химических элементов на свойства малоуглеродистых низколегированных сталей изучено недостаточно. Особенно мало изучено влияние мышьяка на физико-механические свойства и отпускную хрупкость малоуглеродистых низколегированных сталей. Так как феррит является основной структурной составляющей малоуглеродистых низколегированных сталей, то представляет научный и практический интерес оценить влияние мышьяка и других элементов, а также дефектности кристаллической решетки на его свойства. Известно, что происходящее под воздействием легирующих элементов изменение растворимости углерода в феррите существенно сказывается на свойствах последнего. Поэтому в настоящей работе исследована зависимость параметров, характеризующих растворимость и диффузию углерода в феррите от содержания примесных и легирующих элементов.
Для выполнения поставленных задач был выплавлен ряд сплавов на основе карбонильного железа с различной концентрацией в них мышьяка. Состав сплавов приведен в таблице 2.1. Сплавы выплавлялись в вакуумной тигельной
Таблица 2.1
Химический состав сплавов железо-мышьяк
№ сплаваIIIIIIIVVVIСодержание As, %?0,050,0850,1350,200,4печи сопротивления ТВВ-5, на основе карбонильного железа марки В-3, которое перед выплавкой выдерживали во влажном водороде при температуре 850 ?С в течение 50 часов, куда мышьяк вводился в виде 30% ферромышьяка.
Так как в составе низколегированных сталей присутствуют кроме легирующих и другие примесные элементы, содержание которых меняется от плавки к плавке, то это обстоятельство было учтено при исследовании свойств сталей и их фазовых составляющих. Нами были выплавлены ряд сплавов, в которых были практически исключены случайные примесные элементы. Эти сплавы были выплавлены на основе карбонильного железа марки В-3 в вакуумной печи ТВВ-5 в атмосфере аргона с добавками марганца, кремния и ванадия. Химический состав сплавов приведен в таблице 2.2.
Таблица 2.2
Химический состав легированных сплавов
СплавыСодержание элементов, % масс.CMnSiSPСuAsFe-Mn0,021,40?0,0060,001??Fe-Mn-As0,031,44?0,0010,001?0,140Fe-Mn-Si0,031,520,400,0060,001??Fe-Mn-Si-As0,041,500,410,0010,001?0,140Fe-Mn-Si-V*0,031,400,400,0060,001??Fe-Mn-Si-V-As*0,041,430,410,0010,001?0,140В сплавах Fe-Mn-Si-V и Fe-Mn-Si-V-As ? 0,135 % V.
Содержание кремния, марганца и ванадия соответствует их содержанию в изучаемых низколегированных малоуглеродистых сталях, а содержание углерода определенное методом внутреннего трения составляло не более 0,02 %.
Из полученных сплавов для механических испытаний на растяжение были изготовлены проволочные образцы d = 0,85 мм и длиной 120 мм с различным размером зерна в интервале 20-100 мкм. Выплавка опытных сталей велась в индукционной печи емкостью 150 кг с основной футеровкой. Химический состав опытных сталей и сплавов приведен в таблице 2.3. Выплавленная сталь разливалась в слитки развесом порядка 15-20 кг.
Таблица 2.3
Химический состав лабораторных сталей и сплавов*
СтальCMnSiS РAsCrCuNi15ХСНД0,12
0,130,57
0,570,53
0,550,011
00130,023
0,240,135
?0,77
0,740,33
0,310,54
0,5116Д0,11
0,120,50
0,580,15
0,160,035
0,0350,040
0,0180,135
?0,21
0,160,30
0,350,26
0,1715ХСНД0,17
0,170,79
0,810,57
0,530,026
0,0280,031
0,0320,140
0,1900,90
0,910,27
0,270,47
0,4715ГФ**0,17
0,181,30
1,290,29
0,250,027
0,0270,031
0,0310,140
0,1900,07
0,070,07
0,080,07
0,0670ХСНД0,68
0,700,64
0,680,57
0,550,011
0,114?0,134
Нет0,76
0,750,31
0,320,59
0,52Fe+0,7% С0,70
0,76
Н. д.
Н. д.Н. д.?0,140
НетН. д.Н. д.Н. д. * Числители и знаменатели ? стали и сплавы с мышьяком и без мышьяка,
** В стали 15ГФ 0,05-0,06 % V.
Для применения в качестве крепи горных выработок стали 20Г2АФпс взамен стали 5пс на комбинате ОАО МК "Азовсталь" были выплавлены плавки этой стали в соответствии с нормативными требованиями ТУ14-1-2493-78. Химический состав плавок сталей, от которых отобраны пробы для исследования механических свойств, приведен в таблице 2.4. Металл был прокатан в спецпрофиль и находился в горячекатаном и нормализованном состояниях.
Таблица 2.4
Химический состав плавок стали 20Г2АФпс
Марка сталиНомер плавкиСодержание элементов, %CMnSiSPAsCuVN220Г2АФпс17390,171,370,090,0240,034?0,220,110,0163240,171,330,110,0230,0390,1300,240,110,0213250,181,390,070,0230,0300,129?0,120,014
Для исследования проявления отпускной хрупкости были взяты стали 09Г2С и Ст3пс, содержащие Р и As. Химический состав исследованных сталей приведен в таблице 2.5.
Стали с концентрацией As равной 0,12 % (плавки А) были выплавлены на базе керченских руд. Прокатка сталей проведена в производственных условиях на уголок с толщиной полки 16 мм.
Влияние As на вязкость сталей оценивали по температуре хрупко-вязкого перехода (Т50), определенной стандартным методом по доле волокна в изломе ударных образцов. Испытания на ударную вязкость проводили по ГОСТ 9454-78 на образцах типа 11 в интервале температур от минус 120 до плюс 60 °С. Образцы вырезали из полок уголка в направлении прокатки после следующей термообработки заготовок: закалка от 910 °С и отпуск 6 часов при температуре 690 °С, затем повторный отпуск 6 часов в интервале температур наибольшего проявления обратимой отпускной хрупкости (525-550 °С) и при более высоких температурах (600-645 °С).
Таблица 2.5
Химический состав исследованных сталей
Марка сталиСодержание химических элементов, % по массеСMnSiSPAs09Г2С0,071,330,600,0140,0170,0080,091,580,650,0210,0240,121Ст3пс0,190,580,080,0410,0240,0090,1