Лекция 11. Классификация дефектов деформированной стали

Классификация дефектов деформированной стали. Неметаллические включения: оксиды, сульфиды, нитриды и т.д. Причины их возникновения, их влияние на структуру и свойства деформированного металла. Характерные отличия неметаллических включений. Макродефекты: трещины, расслоения, ликвация и др. Обезуглероженный слой в деформированной стали. Видмандштеттовая структура, пережог – причины их образования и возможность исправления дефектов. Деформационное старение. Процессы, происходящие при деформационном старении.

Дефекты деформированной стали можно классифицировать следу­ющим образом:

1. Неправильность профиля и общей формы.

2. Поверхностные дефекты.

3. Внутренние дефекты.

4. Несоответствие по механическим свойствам.

5. Дефекты микроструктуры.

6. Несоответствие различным специальным требованиям.

В настоящей главе рассмотрены поверхностные, внутренние де­фекты и дефекты микроструктуры. Причиной появления многих де­фектов служит несоблюдение технических условий горячей и холод­ной деформации стали.

Дефекты слитка могут проявляться в деформированной стали, изменяя свой вид в результате обработки давлением. Общим признаком дефектов сталеплавильного происхож­дения является ликвация, в частности фосфора и серы. Дефекты про­катного производства, как правило, не связаны со структурными изменениями, хотя иногда наблюдается частичное обезуглероживание с плавным переходом к основной структуре. Морфологические призна­ки у дефектов сталеплавильного и прокатного происхождения могут быть сходными, так как все дефекты вытянуты в направлении дефор­мации и часто имеют одинаковую форму в поперечном сечении. Воз­никновение дефектов прокатного происхождения не зависит от техно­логии сталеплавильного производства и марки стали, а связано глав­ным образом с нарушением режимов нагрева и деформации.

Некоторые дефекты деформированной стали являются общими для различных заготовок и изделий независимо от способа деформации (рис. 4.33).

Поверхностные дефекты. На поверхности заготовок, листов, про­волоки, труб, профилей, штампованных изделий наблюдаются раз­личные трещины (рис. 4.33, а): продольные, поперечные, извилистые, прерывистые и непрерывные. Причинами их образования служат раскатанные поры или подкорковые пузыри, большие остаточные напряжения в слитке или заготовке, напряжения, вызванные очень быстрым нагревом и охлаждением, а также неравномерностью дефор­мации. Форма трещин определяется их происхождением, а также способом деформации. Например, в листах и полосах они продольные или извилистые, в трубах — расположены в продольном направле­нии или по спирали.

Плены, вздутия, мелкие раковины на поверхности стальных из­делий получаются из-за внутренних дефектов литой стали, в част­ности из-за газовых пузырей, неметаллических включений. Эти дефекты носят локальный характер, но могут располагаться по всей поверхности. Закаты представляют собой смещения или завороты стали (рис. 4.33, б). Они могут появляться при закатывании усов, возникающих в случае переполнения предыдущего калибра или облоя на слитке.

К поверхностным дефектам стали относятся язвины, формирующие­ся при неравномерном травлении поверхности стали (рис. 4.33, в), а также темные и светлые пятна и полосы. Анализ темных пятен по­казал, что вдоль направления деформации раскатана посторонняя фаза, выступающая над поверхностью стали (рис. 4.33, г). Это части­цы разрушенной футеровки нагревательных печей, вкатанные при прокатке в сталь. Появление светлых полос на поверхности стали обусловлено вскрытием сотовых пузырей при нагреве слитков перед деформацией и окислением их поверхности.

При нарушении технологии шлифовки деформирующего инстру­мента возможно появление участков с рифленой поверхностью, со­провождающееся образованием трещин и даже сквозных разрывов (рис. 4.33, д).

Деформированная сталь может иметь специфические дефекты, ха­рактерные для данного вида изделий. Например, рваная кромка на полосе (рис. 4.33, е) формируется при разрывах по кромкам из-за нарушения технологии прокатки или в результате потери пластич­ности стали в местах скопления оплавившихся в процессе деформации сульфидных включений.

Рисунок – Дефекты деформированной стали

К специфическим поверхностным дефектам штампованных изде­лий относятся складкообразование и заковы. Складкообразование представляет собой трещины, проходящие в местах перемены сече­ния и по внутренней поверхности кольцеобразных выступов. Оно может быть вызвано встречным движением стали в штампе, несовпа­дением форм исходной заготовки и полости штампа. Заковы — это складки, образующиеся на особо опасных местах изделий и направ­ленные по контуру штамповки. При холодной штамповке деталей простой и особенно сложной конфигурации из листового проката часто возникают разрывы. Им способствуют такие дефекты структуры холоднокатаной листовой стали, как неметаллические включения, разнозернистость, наличие крупных частиц цементита, неоднород­ность химического состава, а также наличие поверхностных или внут­ренних дефектов листов.

Внутренние дефекты. К распространенным внутренним дефектам деформированной стали относятся расслоение, флокены, трещи­ны. Расслоение представляет собой грубое нарушение сплошности (рис. 4.33, ж). Причинами расслоений могут быть дефекты сталепла­вильного происхождения — остатки усадочной раковины, газовые пузыри, неметаллические включения.

Флокены — это разрывы круглой или эллиптической формы с бле­стящей поверхностью разрушения. Они формируются вследствие скопления в микрообластях водорода.

В центральной области стальных изделий могут образоваться многочисленные тонкие трещины по границам первичных зерен, вы­званные неравномерным прогревом, наличием ликвации легкоплавких элементов или карбидной ликвации. При деформации слитков сложнолегированных и высокоуглеродистых сталей, имеющих внутренние термические трещины, последние в процессе прокатки не завари­ваются, а наоборот, раскрываются, образуя полости, которые назы­вают «скворечниками».

В случае недостаточной пластичности стали и неблагоприятных температурно-скоростных условий при косой прокатке в центральной части трубной заготовки возникают напряжения, приводящие к так называемому «центральному» разрушению. Трещины появляются в местах структурной неоднородности (рис. 4.33, з). Для предотвраще­ния центрального разрушения при прокатке труб необходимо строго соблюдать температурно-скоростные условия деформации и опреде­ленный угол подачи. Это позволит получить равномерную субзеренную структуру стали.

В деформированных сталях иногда обнаруживают термические трещины, которые образуются под действием напряжений, возникаю­щих при быстром и неравномерном нагреве и резком или неравномер­ном охлаждении стали после деформации. При увеличении скорости охлаждения проката создается большая разность температур в центре и на поверхности изделия, что приводит к развитию значительных термических напряжений. В начале охлаждения поверхностные слои испытывают напряжения растяжения, а внутренние — сжатия. При дальнейшем охлаждении уменьшение объема средней части изделия сдерживается более остывшими наружными слоями. Поэтому первыми возникают наружные дефекты, а затем — внутренние. Особенно часто термические трещины образуются в высокоуглеродистых и высоколегированных труднодеформируемых сталях. Структурные напряжения появляются в результате неодновременных структурных и фазовых превращений, обусловленных разностью температур по длине и сечению прокатанного изделия.

Если напряжения при пластической деформации, а также терми­ческие и структурные напряжения совпадут по знаку, то суммарное напряжение может достичь значительной величины. В пластичной стали оно релаксирует путем микросдвигов, в малопластичной — при образовании трещин. Чем выше скорость охлаждения, тем больше вероятность появления трещин. В местах интенсивного охлаждения чаще всего формируются мелкие продольные трещины. Склонность к трещинообразованию возрастает в грубозернистой стали.

Дефекты микроструктуры деформированных и отожженных изде­лий могут образоваться при всех способах деформации. Поверхностное обезуглероживание происходит в результате взаимодействия углерода, содержащегося в стали, с кислородом или водородом окружающей среды. Обезуглероживание может быть следствием слишком длитель­ной выдержки стали при высоких температурах, попадания в печь обезуглероживающей газовой атмосферы, наличия окалины на по­верхности. Этот вид дефектов обнаруживается микроструктурно и хи­мическим анализом (рис. 4.34). В низкоуглеродистой стали с ферритной структурой в поверхностном слое при обезуглероживании растут зерна (рис. 4.34, а), в сталях с более высоким содержанием углерода возникает ряд переходных структур (рис. 4.34, б), что приводит к уменьшению прочности, твердости металла, снижает его сопротивле­ние деформации и износу. В некоторых случаях поверхностное обезугле­роживание полезно. Например, низкоуглеродистую холоднокатаную листовую сталь отжигают во влажном водороде для улучшения штам­пуемости, трансформаторную — в водороде или вакууме для повы­шения магнитных свойств.

Рисунок – Поверхностный обезуглероженный слой в листах из сталей 08кп и 65

Очень распространенным дефектом является полосчатая, или стро­чечная, структура деформированной стали. Существует несколько причин возникновения этого дефекта (рис. 4.35). При наличии в ли­той стали внутрикристаллической ликвации осевые участки дендритов содержат меньше углерода, кремния, фосфора, серы и других элементов по сравнению с междендритными участками. В процессе горячей прокатки дендриты аустенита, ранее располагавшиеся хаоти­чески или перпендикулярно к поверхности слитка, постепенно изме­няют свою ориентацию и переориентируются своими главными осями параллельно направлению прокатки. Структура стали становится во­локнистой. При охлаждении доэвтектоидной стали после горячей прокатки в интервале температур А_Г3 — А_Г1 происходит полиморфное превращение аустенита в феррит. Поскольку аустенит был неодно­роден по химическому составу, феррит появляется ранее в участках, обедненных углеродом, затем в участках аустенита, обогащенных углеродом, в результате эвтектоидного превращения образуется пер­лит. Структура стали после эвтектоидного превращения имеет резко выраженную полосчатость (рис. 4.35, а).

Полосчатость горячекатаной стали может быть обусловлена окон­чанием прокатки в межкритическом интервале температур. Если доэвтектоидную сталь прокатать в интервале температур А_Гз — А_Г1, т. е. в двухфазном состоянии, в момент окончания деформации зерна аустенита и феррита будут вытянутыми. При охлаждении стали до температуры А_г1 часть аустенита превращается в феррит, а после прохождения через точку А_г1 оставшийся аустенит распадается на перлит. При этом вместо вытянутых зерен аустенита образуются фер­рит и перлит. Зерна избыточного феррита остаются вытянутыми. Полосчатая структура в доэвтектоидной стали может возникнуть из-за неметаллических включений, слу­жащих центрами зарождения избы­точного феррита (4.35, б).

Рисунок – Полосчатые структуры деформированной стали (х100)

Полосчатость доэвтектоидной стали уменьшается в результате длительного гомогенизирующего отжига при температуре 1250— 1300 °С, во время которого можно частично устранить ликвацию.

При горячей прокатке заэвтектоидной стали и легированных сталей карбидного и ледебуритного класса в интервале температур А_ст — А_г1 в процессе холодной прокатки может возникнуть карбид­ная полосчатость как результат дробления вторичного или эвтектоидного цементита и расположения его в строчки в направлении прокат­ки (рис. 4.35, в). Полосчатость такого типа называется карбидной неоднородностью. Основная причина ее образования — неравномерное распределение первичных и вторичных карбидов. Карбидная строчечность может быть уменьшена в результате спе­циального гомогенизирующего отжига при 1100—1300 °С, а также в процессе нагрева стали для горячей деформации. Карбидная неод­нородность значительно ухудшает прочность и вязкость стали.

В холоднокатаной стали также образуется волокнистая структура, что вызвано ориентировкой ферритных и перлит­ных зерен в направлении деформации. Сталь с полосчатой структурой обладает анизотропией механических свойств, причем поперек про­катки они значительно хуже, чем вдоль. На рис. 4.36 показано изме­нение значений ударной вязкости а_н и относительного удлинения 5 в зависимости от угла наклона оси образца по отношению к направле­нию прокатки θ_П. Для оценки качества стали испытываются попереч­ные образцы.

Структурный дефект — цементитная сетка образуется в заэвтектоидной стали при формировании вторичного цементита или карбида в виде грубых выделений на границах аустенитных зерен. Чем выше в стали содержание углерода и медленнее охлаждение, тем грубее цементитная сетка. Возникает этот де­фект в случае окончания горячей де­формации стали при температуре вы­ше А_ст и слишком медленном охлаждении. Для предупреждения появле­ния цементитной сетки следует строго соблюдать температуру конца дефор­мации и, если сталь деформирована при температурах выше А_ст, быстро охлаждать ее после деформации. Уст­ранить этот дефект можно путем по­вторного нагрева до температуры вы­ше А_ст и ускоренного охлаждения.

Рисунок – Изменение механических свойств в зависимости от угла наклона образца по отношению к направлению прокатки.

Дефектом структуры деформиро­ванной стали является разнозерни-стость. Под ней понимают присут­ствие в структуре стали зерен раз­ных размеров, что приводит к неоднородности свойств. Следует различать Разнозернистость, связанную с ликвационными явлениями, т. е. с неоднородным распределением примесей, карбидных и карбонитридных включений, задерживающих рост зерен при горячей де­формации или отжиге, и обусловленную наследованием неоднород­ности литого состояния, неравномерностью распределения темпера­туры и деформации по толщине заготовки. В местах с очень мелкими зернами микротвердость стали повышается. Зоны с мелкозернистой структурой вытягиваются в направлении деформации.

Разнозернистость деформационного происхождения зависит от темпёратурно-скоростного режима деформации, величина зерен в стали и степень их размерной однородности определяются темпера­турами нагрева стали перед деформацией и окончания деформации, а также степенью деформации (суммарной и в последней клети, если прокатка осуществляется в несколько проходов).

Пластическая деформация всех видов неравномерна по сечению и вдоль оси деформируемого изделия. В очаге деформации возникают зоны, в которых степени деформации колеблются в довольно ши­роком интервале и могут быть ниже критических, критическими и выше критических. Такая неоднородность деформации стимули­рует рост зерен в процессе динамической и статической рекристалли­зации.

В структуре горячедеформированной стали могут наблюдаться зоны крупных слабодеформированных и нерекристаллизованных зе­рен, участки с рекристаллизованными зернами, претерпевшими пер­вичную, собирательную и даже вторичную рекристаллизацию, об­ласти с измельченными зернами. При последующей холодной дефор­мации сталь сохраняет эту неоднородность, которая усугубляется неравномерным развитием холодной деформации и проявляется при отжиге. В участках, претерпевших холодную деформацию со степе­нями выше критической, образуется нормальная зеренная структура; в зонах, где степень деформации соответствовала критической, вы­растают крупные зерна. В доэвтектоидной стали, прокатанной в интервале температур А_Сз — А_С1, т. е. в двухфазной аустенитно-ферритной области, также проявляется разнозернистость структуры. Причиной ее является разная скорость динамической и статической рекристаллизации фер­рита и аустенита, причем ферритные зерна, более склонные к рекри­сталлизации, растут быстрее. Разнозернистость в деформированных сталях, как правило, имеет зональный характер. Она приводит к сни­жению прочностных и пластических свойств стали.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бельченко Г.И., Губенко С.И. «Основи металографии и пластической деформации»: М., Машиностроение, 1987г.

2. Золотаревский B.C. «Механические свойства металлов», М.,Машиностроение, 1983г.

3. Новиков И.И. «Дефекты кристаллического строения», М., Машиностроение,1975г.