РАЗДЕЛ 2
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Исследуемые материалы
Материалом исследования служили синтетические железоуглеродистые сплавы и
опытно-промышленные стали, легированные кремнием и марганцем. В соответствии с
задачами работы эксперименты выполнены на следующих сплавах и сталях.
Изучение влияния кремния и марганца на образование концентрационных и
морфологических особенностей структуры аустенита проводили на лабораторных
тройных – Fe-C-Si и четверных– Fe-C-Si-Mn сплавах с различным количественным
соотношением элементов. Состав лабораторных модельных сплавов (табл. 2.1,
приложение А) выбирали таким образом, чтобы охватить все фазовые области, в
которых могут проходить процессы структурообразования в конструкционных сталях
с широким спектром легирования.
Согласно соответствующим тройным диаграммам состояния [44-52], это обеспечивало
возможность изучения влияния основных элементов – углерода, кремния и марганца
- на особенности фазовых превращений и ликвационных процессов во время
перитектической кристаллизации в конструкционных низколегированных сталях. При
этом в четверных сплавах – при постоянном содержании кремния и марганца -
изменяли концентрацию углерода (сплавы I и VI серий); при постоянном содержании
углерода и кремния - варьировали концентрацию марганца (сплавы IV, V и VII
серий); в тройных сплавах при постоянном содержании углерода изменяли
концентрацию кремния (сплавы II и III серий).
Лабораторные сплавы выплавляли на основе армко-железа, электродного графита и
легирующих элементов (чистота не менее 99,9%). Предварительно для упрощения
изготовления сплавов в 60-килограммовой индукционной печи выплавляли
высокоуглеродистую лигатуру. Добавляя к ней армко-железо и легирующие элементы,
на высокочастотной печи МВН-3М готовили сплавы требуемого состава.
Исследования влияние скорости охлаждения на размеры дендритной структуры и
установление общих закономерностей в формировании наследственной связи между
дендритной ликвацией и концентрационной микронеоднородностью в горячекатаном
прокате проводили на сталях 18ГС и 30ГС, которые кристаллизуются в до- и
заперитектичекой фазовых областях, соответственно. Химический состав опытных
сталей представлен в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Химический состав исследуемых сталей
Марка стали
Содержание элементов, % масс.
Mn
Si
Cr
Ni
Cu
As
18ГС
0,15
1,16
0,78
0,020
0,020
0,086
0,026
0,028
0,006
30ГС
0,31
1,21
0,69
0,028
0,014
0,050
0,020
0,020
0,005
В реальных производственных условиях образование наследственной
концентрационной микронеоднородности исследовали на сталях: 08Г2С, Ст3пс, 30ГС,
которые по своему химическому составу при кристаллизации попадают в до- или в
заперитектическую фазовую область.
Материалом для изучения характера разрушения служили разрывные образцы,
отобранные от промышленных партий арматурного проката для анкерного крепления
горных выработок и подземных сооружений из сталей 30ГС, Ст3пс и производства
Великобритании.
Материалом для статистических исследований служили результаты сдаточного
контроля промышленных партий проката из различных марок сталей, произведенных
на ОАО ІКриворожстальІ.
2.2. Методика проведения исследований высокотемпературных фазово-структурных
превращений
Навески опытных сплавов (табл. 2.1) массой 200 г плавили в алундовых тиглях,
нагревая до температуры 16000С (ТН) в печи электросопротивления в слабо
восстановительной атмосфере гелия, выдерживали 5-10 минут. После раскисления
кремнием и введения легирующих добавок расплав с тиглем охлаждали от 16000С до
12000С в печи ШП-I. Для изучения особенностей механизма перитектической
кристаллизации опытные сплавы закаливали от температуры 12000С (ТЗ) в 10%
водном растворе NaCl (рис. 2.1, а). Скорость охлаждения в интервале
кристаллизации составляла порядка 1,5 К/с. Термограммы записывали с помощью
Pt-Pt10%Rh термопар и потенциометра ЭПП-09М. Из разрезанных вдоль вертикальной
оси цилиндрических отливок диаметром 35 мм и высотой 40 мм отбирали стружку для
химического анализа и готовили образцы для металлографического и
микрорентгеноспектрального анализа.
Для дальнейшего изучения структурных превращений аустенита лабораторные сплавы
охлаждали на воздухе (рис. 2.1, б).
Рис. 2.1. Термические схемы экспериментов по изучению особенностей механизма
перитектической кристаллизации (а) и структурных превращений аустенита (б)
Для закалочных опытов по исследованию фазовых и концентрационных изменений при
перитектическом превращении методом прерванной кристаллизации приготовленные
аналогичным образом жидкие сплавы закачивали в кварцевые трубки диаметром 4мм и
толщиной стенки 0,1мм и охлаждали на воздухе. Стрежни дробили и навесками по 5г
переплавляли в печи Таммана в запаянных с одного конца кварцевых трубках. Рядом
с пробой в печи помещали Pt-Pt10%Rh термопару с идентичным кварцевым чехлом.
Изменение температуры контролировали милливольтметром МПП-254М. Пробы, нагретые
до 16000С, выдерживали 2 минуты и охлаждали в печи со скоростью 3К/с. По ходу
охлаждения с интервалом 200С пробы последовательно закаливали в воде. Кварцевые
чехлы для ускоренного охлаждения разбивали. Разрезанные вдоль вертикальной оси
слиточки (Ж 4мм и высотой 20 мм) анализировали металлографическим и
микрорентгеноспектральным методом.
2.3. Методика регулирования скорости охлаждения расплава при кристаллизации
Регулирование размеров дендритных ветвей осуществляли за счёт изменения условий
охлаждения при кристаллизации. Скорости охлаждения при затвердевании выбирали
таким образом, чтобы в лабораторных условиях имитировать крист