Metallurgy.zp.ua
Главная » Переплавные процессы » Механические свойства электрошлакового металла

Механические свойства электрошлакового металла

Общим показателем, отражающим все благоприятные изменения в чистоте, структуре, плотности и в других физических параметрах металла ЭШП, являются механические свойства стали, в частности прочность, пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому и усталостному разрушению.

Хотя в работе утверждается, что чистота стали практически не влияет на ее прочность и пластичность, уже первые публикации по ЭШП констатировали высокое качество, в том числе и прочность, переплавляемого металла.

Прочность металла — весьма интегральный показатель, характеризующий усредненную способность металла сопротивляться деформации. Сравнивая прочность загрязненного и рафинированного металла, нельзя забывать, что на прочность оказывают влияние много факторов. Поскольку прочность характеризует прежде всего величину межатомных связей, то с этой точки зрения влияние рафинирования, обеспечивающее более упорядоченные атомные связи, безусловно, благоприятно. Например, по данным работы, модуль нормальной упругости стали ЭИ736 у переплавленного металла на 12% выше, чем у исходного.

Удаление неметаллических включений в результате рафинирования мягких пластичных металлов, например низкоуглеродистых сталей, армко-железа и т. п., может иногда привести не к увеличению, а к некоторому снижению предела прочности и предела текучести металла. Для высокопрочных металлов и сплавов результаты ЭШП однозначны — повсеместно фиксируется повышение прочностных характеристик, особенно на образцах, вырезанных поперек направления проката или по толщине.

Очень показательными в этой связи являются результаты сравнительных испытаний толстолистовых (50х110х300 мм) образцов с надрезом мартеновской и электрошлаковой стали 18Х2М. Если образцы мартеновской стали после нормализации с отпуском разрушились при усилии 48 тс, а после закалки с отпуском— при усилии 120 тс, то образцы стали ЭШП разрушились при усилиях соответственно 75 и 180 тс.

Особенно проявляется преимущество в прочности металла ЭШП при действии высоких температур (т. е. в жаропрочности и длительной прочности). Так, например, если долговечность при температуре 650° С и напряжении 38 кгс/мм2 продольных и поперечных образцов исходной электродуговой стали ЭИ481 составила соответственно 54 и 23, то у стали ЭШП долговечность составила соответственно 171 и 136 ч. Особенно характерными являются показатели испытаний поперечных образцов — долговечность металла ЭШП возрастает почти в 6 раз.

Очень велико влияние ЭШП на пластические свойства металлов. Удаление и особенно диспергирование крупных включений в результате ЭШП существенно повышает пластичность металла, в частности поперечное сужение ψ. Так, например, в работе отмечается, что ЭШП до 4 раз повысил показатель ψ хромистых и  хромоникелемолибденовых сталей. Аналогичные данные приведены и в других публикациях. Определенную роль в повышении пластичности электрошлакового металла играет также повышение скорости кристаллизации слитка, обеспечивающее меньшую загрязненность междендритных участков, где и происходят преимущественное зарождение и развитие трещин.

Особенно заметно воздействие ЭШП на ударную вязкость — характеристику металла, наиболее чувствительную к особенностям строения и степени чистоты. Еще не найдено удовлетворительной корреляции величины ударной вязкости с различными эксплуатационными свойствами металлов и сплавов. Тем не менее для конструкционных сталей испытания на ударную вязкость представляют собой пока незаменимый сравнительно простой, экономичный, эффективный и достаточно надежный способ определения вязкостных свойств, характеристик отпускной хрупкости, показателей хладноломкости и степени сопротивления динамическим нагрузкам и хрупкому разрушению.

Ударная вязкость является не только одним из сертификатных показателей стали, ее величина до сих пор служит главным критерием оценки влияния различной технологии выплавки стали на ее свойства. Испытания на ударную вязкость остаются в арсенале исследователей и по сей день, а их результаты весьма убедительно свидетельствуют о достоинствах или недостатках различных факторов, воздействующих на сталь.

Уменьшение загрязненности стали неметаллическими включениями в результате ЭШП приводит к весьма существенному повышению ее ударной вязкости. Особенно здесь следует отметить роль удаления из металла серы и, как следствие, резкого уменьшения размера сульфидных строчек. Поскольку испытания на ударную вязкость проводятся на большом количестве образцов, результаты таких испытаний более наглядно показывать частотной характеристикой (рисунок 1), анализ которой неопровержимо свидетельствует о преимуществе стали ЭШП.

Частотная зависимость величин ударной вязкости образцов стали 18ХНВА ЭД (1) и ЭШП (2)
Рисунок 1 — Частотная зависимость величин ударной вязкости образцов стали 18ХНВА ЭД (1) и ЭШП (2)

 Повышая ударную вязкость стали, ЭШП оказывает положительное воздействие  на ее сопротивление хрупкости при отрицательных температурах (рисунок 2).

Влияние температуры испытаний Т на ударную вязкость электродуговой (1) и электрошлаковой (2) сталей 18Х2Н4ВА, обработанных на прочность 100 кгс/мм2
Рисунок 2 — Влияние температуры испытаний Т наударную вязкость электродуговой (1) и электрошлаковой (2) сталей 18Х2Н4ВА, обработанных на прочность 100 кгс/мм2

Так, ЭШП существенно снижает склонность стали к обратимой хрупкости (рисунок 3) и ослабляет склонность к необратимой хрупкости (рисунок 4).

Влияние способа выплавки на склонность стали 18Х2Н4ВА к обратимой отпускной хрупкости
Рисунок 3 — Влияние способа выплавки на склонность стали 18Х2Н4ВА к обратимой отпускной хрупкости а — охлаждение после отпуска в воде; б — охлаждение с печью (υ = 60 град/ч) при температуре отпуска 6000 С (I); 650° C (II); 1 — ЭД; 2 — ЭШП
Влияние способа выплавки на склонность стали 18Х2Н4ВА к необратимой отпускной хрупкости
Рисунок 4 — Влияние способа выплавки на склонность стали 18Х2Н4ВА к необратимой отпускной хрупкости 1 — ЭД; 2 — ЭШП

ЭШП не только повышает абсолютные значения ударной вязкости, но и существенно сдвигает в минусовую область критическую температуру хрупкости. Так, если для кислой мартеновской хромоникелемолибденовой дисковой стали эта температура была в диапазоне 35— 15°С, то для стали ЭШП она составила  —35°С.

Некоторые исследования считают, что ЭШП повышает ударную вязкость стали только за счет увеличения работы развития трещины, т. е. повышения сопротивления вязкому разрушению. В то же время имеются данные, свидетельствующие о том, что ЭШП увеличивает работу зарождения трещины, т. е. сопротивление хрупкому разрушению.

Последние годы характерны быстрым развитием линейной механики разрушения материалов и, в частности, введением новых характеристик для оценки свойств металлов, по которым можно определить величину допустимого дефекта (длину трещины) и средний уровень допускаемых напряжений из условий предотвращения опасности хрупкого разрушения. Несмотря на то что методика таких испытаний не стандартизирована и многие ее положения все еще дискуссионны, определение коэффициентов интенсивности напряжений К и G получило широкое распространение.

Влияние способа выплавки на величину критерия К1с ( а ) , достоверность величины К 1С (б) и предел текучести стали 25ХНЗМФА (в)
Рисунок 5 — Влияние способа выплавки на величину критерия К1С (а) , достоверность величины К1С (б) и предел текучести стали 25ХНЗМФА (в) 1 — мартеновская выплавка; 2 — ЭШП

Исследуя сталь 25ХНЗМФА мартеновской выплавки и ЭШП, авторы работы  определили критические коэффициенты интенсивности напряжений К, предварительно создав на образцах толщиной 100 мм для внецентренного растяжения усталостные трещины. Результаты этого исследования, обобщенные на рисунки 5, убедительно показывают, что металл ЭШП обладает значительно более высоким сопротивлением хрупкому разрушению, чем мартеновская сталь, причем критическая температура, соответствующая резкому снижению вязкости разрушения, у стали ЭШП на 30°С ниже, чем у мартеновского металла.

Характеристика вязкости разрушения сталей 40Х, 50Х и 40ХНМ в низкоотпущенном состоянии
Таблица 1 — Характеристика вязкости разрушения сталей 40Х, 50Х и 40ХНМ в низкоотпущенном состоянии

Аналогичные результаты,  свидетельствуют (таблица 1) о значительном преимуществе металла ЭШП по характеристике вязкости разрушения перед металлом обычных методов производства. Следует отметить, что и в высокоотпущенном состоянии металл ЭШП также сохраняет свои преимущества: величина критического раскрытия трещины при —70° С у электрошлаковых сталей в 2,5— 10 раз больше, чем у электродугового металла. Если у образцов из стали ЭД развитая магистральная трещина появилась при запасе работы 2,4 кгс·м (испытания на ударный изгиб без доведения образца с усталостной трещиной до разрушения), то у образцов стали ЭШП при запасе работы 5 кгс·м появления магистральной трещины не наблюдается, происходит лишь раскрытие усталостной трещины.

Приведенные данные являются достаточным основанием для утверждения, что ЭШП способствует существенному увеличению энергоемкости стали в процессе деформации и разрушения при наличии концентрации напряжений (т.е. в условиях стесненной пластической деформации).

Особо следует остановиться на факте существенного понижения критической температуры хрупкости металлов и сплавов в результате ЭШП. Эта проблема сейчас приобрела особую актуальность, во-первых, из-за назревшей необходимости быстрого освоения многих районов Арктики. Восточной Сибири, Якутии, а также обеспечения надежности исследований в Антарктиде; во-вторых, в связи с бурным развитием авиационной и особенно космической техники, в-третьих, вследствие возросших требований криогенной техники (производство, транспортировка и хранение жидкого азота, кислорода, водорода, природного газа и т. д.).

Отмеченная положительная особенность ЭШП, а также его достаточно высокая технико-экономическая эффективность должны привести к массовому применению в указанных областях электрошлаковых сталей.

Есть еще одна сторона у этой проблемы. Известно, что для снижения критической температуры стали проводится ее легирование никелем — весьма дефицитным и дорогостоящим металлом. Для низкоуглеродистой стали 06НЗ (0,06% С, 3% Ni) ЭШП снижает порог хладноломкости от —150 до — 180°С. Следует ожидать, что с помощью ЭШП можно эффективно экономить никель, снижая содержание его в стали, не снижая ее хладостойкость.

Интересным представляется использование преимуществ ЭШП для повышения прочности стали. Сейчас уже нет сомнений в том, что по сравнению с металлом открытой выплавки сталь ЭШП имеет намного более высокие показатели пластичности и вязкости, особенно в вертикальном направлении (по толщине листа). Имеется реальная возможность повысить каким-либо способом (снижением температуры отпуска, повышением содержания легирующих элементов, в том числе углерода или азота) прочность металла ЭШП, несмотря на неизбежное при этом ухудшение пластических и вязкостных свойств. При этом уровень этих свойств все же не опустится ниже аналогичных показателей мартеновской стали. Исследования углеродистых, хромоникелемолибденовых и аустенитных сталей однозначно свидетельствуют о перспективности этого направления.

Все отечественные и зарубежные публикации, посвященные исследованию влияния ЭШП на качество переплавленного металла, отмечают как одно из основных преимуществ металла ЭШП весьма близкие значения показателей различных механических свойств образцов, вырезанных вдоль, поперек и перпендикулярно направлению прокатки. Действительно, уменьшение анизотропии механических свойств — это замечательное качество электрошлакового металла.

Допускаемые напряжения для деталей машин выбираются, как правило, по результатам испытаний образцов, вырезанных вдоль и поперек направления прокатки, т. е. с учетом так называемого коэффициента анизотропии. Однако по пластичности и ударной вязкости показатели поперечных образцов металла ЭШП не уступают аналогичным показателям продольных образцов сталей рядовых методов производства (а иногда и превосходят их). Следовательно, детали, которые изготавливаются из металла ЭШП, могут иметь меньшее сечение.

Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал неопровержимо свидетельствует о том, что наряду с высокими абсолютными значениями механических свойств и высокой их изотропностью металл ЭШП характеризуется еще одним примечательным свойством — значительно меньшим, чем у сталей рядовой выплавки и многих других рафинирующих технологий, разбросом экспериментальных данных при различных испытаниях. Это свойство обеспечивает высокую эксплуатационную надежность металла ЭШП, особенно в качестве конструкционного материала. К сожалению, еще нет удовлетворительных методов расчета, которые могли бы учесть указанное свойство. Это обстоятельство иногда сдерживает применение электрошлакового металла.