yandex.metrica
Переплавные процессы

Выносливость электрошлакового металла

Опыт эксплуатации многих изделий на протяжении ряда лет показал, что детали, изготовленные из электрошлакового металла, обладают большим ресурсом, длительным сроком службы и повышенной надежностью. Это объясняется прежде всего тем, что электрошлаковый металл значительно лучше противостоит переменным или повторным нагрузкам, т. е. в большей степени сопротивляется усталости.

Технический прогресс неизбежно обусловливает повышение мощности, уровня нагрузок, рабочих скоростей и увеличение масс различных установок, аппаратов и деталей, расширение температурного интервала их работы. В связи с этим важным критерием качества металла, предназначенного для их изготовления, становятся не показатели статической прочности (σв, σо,2) или пластичности (δ, ψ), определяемые по результатам статических испытаний образцов на растяжение,  а характеристики сопротивления металла повторным нагрузкам, т. е. показатели выносливости, в частности предел выносливости σ-1 при обычной (многоцикловой) усталости или долговечность N (циклы до разрушения) при малоцикловой, контактной и некоторых других видах усталости.

Отмеченные показатели выносливости становятся еще более существенными для характеристики высококачественного металла, особенно конструкционных сталей, предназначенных для изделий ответственного назначения. Естественно, улучшение качества металла в результате ЭШП должно найти свое отражение в повышении его выносливости вследствие благоприятного изменения количественных (содержание, размер, форма) и качественных (природа, физические, химические и другие свойства) характеристик загрязненности металла неметаллическими включениями.

Необходимо отметить, что неметаллические включения играют исключительно важную роль при усталости стали — они являются инициатором зарождения усталостных трещин. В научно-технической литературе последних лет наблюдается тенденция повышенного внимания к вопросам инициирования усталостного разрушения, причем отмечается факт зарождения трещин усталости именно у неметаллических включений.

В настоящее время существуют две отличные друг от друга точки зрения на роль неметаллических включений при усталости металла. Согласно одной из них, более ранней, главная причина опасности неметаллических включений — создаваемая ими (как внутренними надрезами) концентрация напряжений при действии внешних нагрузок. Исследования по расчету и измерению напряжений у включений показали, что максимальная концентрация напряжений возникает у полости (поры) и неметаллических включений, у которых модуль упругости Е меньше, чем у стали (пластичные силикаты, сульфиды и т.д.). Неметаллические включения, имеющие модуль упругости больше, чем у стали (глинозем и его производные, нитриды титана и т.п.), напротив, не представляют опасности. Однако указанный вывод находится в противоречии с экспериментальным материалом, свидетельствующим о том, что наиболее опасными включениями, у которых возникали трещины усталости в высокопрочных сталях, являются глиноземистые включения, хотя в некоторых случаях отмечены факты появления трещин усталости в низко- и среднеуглеродистых сталях у пластичных включений сульфидов.

Указанное противоречие послужило основанием для появления другой, сравнительно новой, точки зрения, согласно которой основной причиной опасности неметаллических включений является возникновение очага зарождения усталостной трещины при охлаждении металла (при кристаллизации, термообработке, ковке и  т. д.) вследствие различия в физических свойствах (прежде всего коэффициента термического расширения α и модуля упругости Е) матрицы и включения, остаточных термических напряжений, величина которых может в отдельных случаях превысить предел текучести металла и вызвать появление зоны предразрушения.

Поскольку наиболее опасные с точки зрения усталости включения (глинозем и его производные) обладают высокими значениями Е и имеют сравнительно малую величину α, в их окрестности возникают остаточные термические напряжения максимальной величины, что и обусловливает возникновение усталостного разрушения именно в районе этих включений. 

Дальнейшие исследования показали, что если для высокопрочных сталей, в частности шарикоподшипниковой стали ШХ15, вторую точку зрения можно считать обоснованной, то для крупнозернистых пластичных сталей ее выводы ошибочны. Косвенные измерения величины остаточных термических напряжений в районе неметаллических включений показали, что на крупнозернистых сталях Х18Н9Т и 12Х1МФ уровень этих напряжений сравнительно невелик и поэтому они вряд ли могут стать решающим фактором, влияющим на зарождение усталостной трещины. В связи с этим нам представляется, что вопрос о главной причине опасности неметаллических включений при усталости металлов надо рассматривать в зависимости от химического состава металла, его структуры, уровня прочности и пластичности.

Что же касается высокопрочных, например мартенситных мелкозернистых металлов и сплавов с повышенной чувствительностью к хрупкости, то для них справедлив тезис о превалирующей роли остаточных термических напряжений. Наиболее опасными неметаллическими включениями для таких металлов являются частицы глинозема и его производных (алюминаты кальция, муллит, шпинели и т. п.). Меньшую опасность представляют сульфиды и другие пластичные включения.

Для мягких, пластичных, крупнозернистых металлов и сплавов основной причиной опасности неметаллических включений следует считать концентрацию напряжений при действии внешних нагрузок, поэтому для них наиболее опасны неметаллические включения сульфидов, пластичных силикатов и т. п. Следует учитывать и другие факторы, которые в этом чисто качественном анализе не рассматривались. В частности, наиболее существенным фактором, влияющим на выносливость металлов, следует считать размер включений. Несмотря на то что четких рекомендаций относительно так называемого критического размера включения до сих пор нет (по различным данным от 3 до 35 мкм), ясно, что уменьшение размеров включений, их раздробление (диспергирование), происходящее в результате рафинирования, в том числе и ЭШП, играют определяющую роль в повышении выносливости рафинированного металла, так как у неметаллического включения  малого размера и концентрация напряжений, и уровень остаточных термических напряжений значительно снижаются.

В связи с тем что в результате ЭШП происходит диспергирование крупных, особенно строчечных, включений следует ожидать, что выносливость электрошлакового металла будет более высокой, чем у металла обычных способов производства. Действительно, уже первые испытания на усталость стали ШХ15, подвергнутой ЭШП, подтвердили эти предположения. Начиная с середины 60-х годов такие испытания становятся уже массовыми и им подвергаются электрошлаковые стали почти всех марок, предназначенные для внедрения в различные отрасли народного хозяйства. Результаты этих испытаний однозначно свидетельствовали о больших преимуществах ЭШП. Тем не менее до последнего времени встречаются работы, где либо говорится об отсутствии влияния на предел выносливости неметаллических включений, либо ставится под сомнение необходимость рафинирования металла, поскольку его более высокая стоимость якобы не компенсируется соответствующим увеличением комплекса механических свойств. В других работах утверждается, что рафинирование целесообразно проводить лишь в двух случаях — для высокопрочной стали (σв>140 кгс/мм2) в массивных сечениях  и для сталей высокой и средней прочности  в тонких сечениях (лента, проволока и т. п.)

В связи с существованием таких, по нашему мнению, ошибочных взглядов, основанных на односторонней или неполной информации, возникает необходимость рассмотреть более подробно вопрос о влиянии различных сопутствующих факторов на выносливость исходной и электрошлаковой стали.

Что касается многоцикловой (обычной) усталости, то преимущество металла ЭШП по пределу выносливости перед металлом обычных методов производства обычно составляет несколько процентов и зависит от влияния различных факторов (уровень прочности и пластичности металла, направление силового потока относительно оси детали, наличие надреза и т. д.). В общем случае предел выносливости стали после ЭШП тем больше, чем выше уровень прочности стали и чем больше прирост пластичности в результате ЭШП. При наличии острого надреза преимущество стали ЭШП в выносливости уменьшается.

Особо следует упомянуть о влиянии величины напряжений (деформаций) на выносливость загрязненных и рафинированных сталей. Здесь следует четко разграничить два различных показателя: предел выносливости и циклическую долговечность.

При многоцикловой усталости металлов критерием сопротивления усталости является предел выносливости, определяемый по ГОСТ 23026—78 при изгибе с вращением цилиндрического образца диаметром 6—8 мм. В этом случае различие между рафинированным и исходным металлом существенно зависит от прочности стали и колеблется от 20—30% (для высокопрочных сталей, например ШХ15) до 2—5% (для низкоуглеродистых пластичных сталей), что, видимо, и явилось основанием для утверждения  о сравнительно незначительном влиянии рафинирования на выносливость конструкционных сталей.

Однако нельзя забывать, что предел выносливости — это в некоторой степени усредненная критическая величина напряжения, ниже которой не развиваются трещины усталости. Эта величина самым существенным образом зависит от параметров приповерхностного слоя образца (шероховатости поверхности, наклепа, величины и знака остаточных напряжений и т.д.), которые, естественно, нивелируют влияние загрязненности металла.

Если попытаться сравнить показатели тех же образцов, но в области ограниченной выносливости (при напряжении выше предела выносливости сравниваемых металлов), т. е. сопоставить их циклическую долговечность, картина существенно меняется. При различии в пределах усталости 2—2,5 кгс/мм2 (что типично, например, для стали 20 и аналогичных пластичных сталей) циклическая долговечность рафинированных  металлов выше, чем исходных, в 2—3 раза, а у высокопрочных  сталей это отличие нередко достигает одного-двух порядков. Поэтому при анализе свойств обычного металла и ЭШП использование показателя предела выносливости,  по нашему мнению, недостаточно для объективного и разностороннего сравнения их характеристик, особенно в условиях, приближенных к эксплуатационным. Это давно поняли специалисты тех отраслей промышленности, где особенно высоки требования к качеству металла, в частности авиационной, судостроительной, подшипниковой и т.п. Например, при испытании подшипниковой стали на контактную усталость можно, конечно, определять предел выносливости. Однако во всех технически развитых странах, которые производят подшипниковые стали, испытания этих сталей проводятся в области ограниченной выносливости, т. е. при напряжениях, превышающих предел выносливости.

При более высоком уровне напряжений намного эффективнее, чем при низких напряжениях, проявляется влияние неметаллических включений и кристаллизационных дефектов, т. е. факторов металлургической наследственности. Таким образом, наличие высоких напряжений способствует более четкому выявлению роли неметаллических включений в процессе усталостного разрушения металлов и, как следствие, более объективному сравнению показателей выносливости рафинированных и исходных металлов. Вероятно, именно этим можно объяснить широко известный факт, что максимальное влияние неметаллические включения оказывают именно при контактной усталости, где уровень напряжений (400—600 кгс/мм2) во много раз выше, чем при многоцикловой усталости, и значительно превышает предел контактной выносливости стали ШХ15. По той же причине различия во влиянии разных способов производства и рафинирования на выносливость металлов значительно лучше выявляются при их испытании не на многоцикловую, а на малоцикловую усталость, т. е. при низкочастотном упруго-пластическом циклическом деформировании.

Имеется еще одно немаловажное обстоятельство, на которое надо обращать внимание, когда обсуждаются вопросы влияния неметаллических включений (или рафинирования) на выносливость металлов. Анализ исследований последних лет свидетельствует о том, что влияние включений в значительной степени зависит от вида напряжений — нормальных или касательных.

Казалось бы, испытания при растяжении, где в напряженном состоянии оказывается весь объем, все сечение металла, а не только поверхностный слой (как при изгибе или кручении), должны быть в этом случае самыми эффективными, однако опыты показали противоположные результаты: при нормальных напряжениях влияние неметаллических включений оказалось несущественным. В то же время испытания металлов на усталость при изгибе или кручении, особенно при высоких уровнях деформаций, дают достаточно объективные (в сравнительном и абсолютном аспектах) данные, которые являются достоверным показателем влияния неметаллических включений на выносливость конструкционных сталей.

Анализ многочисленных фрактограмм разрушения исходной (электродуговой) и электрошлаковой стали показал, что в металле ЭШП микропластическая деформация распределена более равномерно. Отсутствие в металле ЭШП грубых, особенно строчечных, включений, локализующих пластическую деформацию в сравнительно малом объеме и вызывающих поэтому более раннее разрушение, обеспечивает высокий уровень выносливости электрошлаковой стали.

Таким образом, сравнивать металл ЭШП с исходным загрязненным следует при довольно высоком уровне деформаций, т. е. при контактной и малоцикловой усталости. Однако и здесь различие в выносливости рафинированного и загрязненного металлов зависит от различных факторов. Например, при малоцикловой усталости (рисунок 1) повышение содержания углерода, приводящее к росту прочности хромистых и хромоникелемолибденовых сталей, в большинстве случаев увеличивает преимущества стали, рафинированной ЭШП. Наибольшее преимущество ЭШП наблюдается на высокопрочных сталях, это объясняется тем, что в результате ЭШП повышаются пластичность и вязкость металла (это не всегда выявляется стандартными испытаниями на растяжение), что в свою очередь значительно увеличивает способность стали длительное  время сопротивляться повторным нагрузкам.

 Зависимость коэффициента влияния ЭШП (βт) от содержания углерода в хромистых (1) и хромоникелемолибденовых (2) сталях. Сплошные линии — низкий отпуск, штриховые — высокий.
Рисунок 1 – Зависимость коэффициента влияния ЭШП (βт) от содержания углерода в хромистых (1) и хромоникелемолибденовых (2) сталях. Сплошные линии — низкий отпуск, штриховые — высокий.

Отметим еще один характерный момент. Электрошлаковый металл характеризуется весьма высокой живучестью при усталости, т. е. большой длительностью периода распространения усталостной трещины. Это качество металла имеет исключительно важное значение для тех случаев, когда уровень действующих напряжений в изделии достаточно высок, срок его службы ограничен, а возможность срочной замены исключена.

В загрязненной исходной стали энергия деформации сосредоточивается главным образом у структурных дефектов (в основном у неметаллических включений), поэтому по сечению детали энергия распределяется неравномерно, для такой стали характерны большие колебания величины поглощаемой энергии, косвенно оцениваемой по площади петли гистерезиса (рисунок 2). Металл ЭШП, свободный от крупных включений, способен распределять энергию деформации значительно равномернее, площадь петли гистерезиса в этом случае изменяется всего лишь на 3—5% (а не на 30%, как у исходного металла), что позволило электрошлаковой стали, несмотря на весьма высокий уровень напряжений и наличие трещины усталости уже после 50-го цикла, выдержать более 2000 циклов повторных нагрузок (исходная сталь выдержала лишь 500 циклов).

Изменение площади петли гистерезиса при малоцикловой усталости исходной (1) и электрошлаковой ( 2 ) стали 25Х2ГНТА
Рисунок 2 – Изменение площади петли гистерезиса при малоцикловой усталости исходной (1) и электрошлаковой (2) стали 25Х2ГНТА

Выше подробно освещен вопрос об эффективности десульфурации металла при ЭШП. Для низко- и среднеуглеродистых (особенно сваривающихся) сталей удаление серы из металла исключительно важно и благоприятно отражается почти на всех свойствах стали, в том числе и на выносливости. Однако удаление серы не всегда является необходимым. В некоторых случаях максимальная десульфурация вообще не нужна, а при переплаве шарикоподшипниковой стали, имеющей включения специфических оксисульфидов небольшого размера и повышенное содержание серы, иногда вовсе нет необходимости в десульфурации металла.

Технологическая маневренность и гибкость ЭШП и его преимущество перед всеми существующими рафинирующими методами заключаются именно в том, что, изменив тип флюса, можно, существенно изменяя загрязненность переплавляемого металла, повысить его свойства, в частности выносливость. В справедливости этого можно убедиться, проанализировав результаты исследований выносливости шарикоподшипниковой стали исходной выплавки и после ЭШП (рисунок 3). Несмотря на то что в исходной стали было очень много серы (93% включений —сульфиды, 6% — оксиды, содержание кислорода 0,008%), ее выносливость достаточно высока. ЭШП на глиноземистых флюсах (4, 5) вследствие повышения загрязненности оксидами вызвал снижение выносливости, а электрошлаковый переплав на безглиноземистых флюсах снизил количество оксидов (и содержание кислорода), что сразу же обусловило повышение выносливости стали.

Влияние суммарной загрязненности оксидами и нитридами на предел выносливости (а) и контактную выносливость (6) шарикоподшипниковой исходной стали (1) и стали, переплавленной на глиноземистых (4, 5) и безглиноземистых флюсах (2, 3)
Рисунок 3 – Влияние суммарной загрязненности оксидами и нитридами на предел выносливости (а)  и контактную выносливость (6) шарикоподшипниковой исходной стали (1) и стали, переплавленной на глиноземистых (4, 5) и безглиноземистых флюсах (2, 3)

Одним из наиболее жестких современных требований, предъявляемых к качественным конструкционным материалам, в частности к сталям, является требование минимальной анизотропии механических свойств, в том числе и выносливости. Несмотря на то что детали машин могут быть изготовлены из заготовок, вырезанных вдоль (продольные образцы), поперек (поперечные образцы) и перпендикулярно (вертикальные или толщинные образцы) оси прокатки металла, все они должны удовлетворять определенным техническим условиям по прочности, пластичности, выносливости и другим показателям. Особенно высокими являются сейчас требования к изотропности корпусных материалов, так как в реальной конструкции корпуса технологические и иные нагрузки могут быть направлены по всем трем осям листа.

Необходимо отметить, что обычные методы производства конструкционных сталей не могли удовлетворить возросшие требования к уменьшению анизотропии. Это объясняется тем, что для сталей обычных методов производства к анизотропии, вызванной различным направлением прокатанных волокон металла относительно действия внешней нагрузки, добавляется анизотропия от различной ориентации строчечных неметаллических включений.

Такие неметаллические включения (сульфиды, пластичные силикаты и особенно оксиды), дробящиеся или вытягивающиеся при прокатке металла, в случае действия внешних нагрузок поперек направления ориентации включений существенно нарушают сплошность металла. Они вызывают преждевременное его разрушение либо при значительно меньших напряжениях (при обычной усталости), либо при значительно меньшем числе циклов переменных нагружений (при малоцикловой усталости), чем в случае, когда нагрузки направлены вдоль направления ориентации включений.

Рафинирование металла методом ЭШП, приводящее к большому снижению загрязненности металла, прежде всего уменьшает количество крупных включений, исчезают или значительно диспергируются строчечные включения. Именно этот фактор способствует значительному снижению анизотропии выносливости электрошлакового металла, так как остающиеся в стали точечные включения практически индифферентны к направлению действия внешних нагрузок.

Как видно из рисунка 4, предел выносливости продольных образцов стали 25Х2ГНТРА электродуговой выплавки и рафинированной ЭШП различаются не очень существенно (примерно на 7%).

ределы усталости продольных (1) и поперечных (2) образцов стали 25Х2ГНТРА ЭД и ЭШП
Рисунок 4 – Пределы усталости продольных (1) и поперечных (2) образцов стали 25Х2ГНТРА ЭД и ЭШП

В то же время предел выносливости поперечных образцов стали ЭШП намного превышает аналогичный показатель нерафинированной, анизотропной стали. Еще более значительным оказывается анизотропия малоцикловой долговечности листовых сталей (рисунок 5).

Влияние ЭШП на коэффициент анизотропии βа (отношение малоцикловой долговечности продольных и поперечных образцов),вычисленный по результатам испытаний стали 25X2ГНТА
Рисунок 5 – Влияние ЭШП на коэффициент анизотропии βа (отношение малоцикловой долговечности продольных и поперечных образцов),вычисленный по результатам испытаний стали  25X2ГНТА

Особо следует остановиться на мартеновской стали 16ГНМА, анизотропия долговечности которой достигает 500% (рисунок 6). Использование ЭШП позволяет не только существенно повысить уровень выносливости, но и резко (более чем в 3 раза) уменьшить степень анизотропии такого важного механического свойства, как долговечность.

Влияние ЭШП на малоцикловую долговечность продольных (1), поперечных (2) и вертикальных (3) образцов стали 16ГНМА
Рисунок 6 – Влияние ЭШП на малоцикловую долговечность продольных (1), поперечных (2) и вертикальных (3) образцов стали 16ГНМА

При этом, конечно, надо учесть, что уменьшение анизотропии показателей выносливости зависит от ряда сопутствующих факторов, таких, как прочность стали и т. п. Обычно, чем выше прочность стали, тем сильнее анизотропия прочностных свойств. Соответственно ЭШП более прочной стали эффективнее повлияет на уменьшение анизотропии. Значительное повышение изотропности свойств, в частности выносливости металла, является громадным преимуществом ЭШП.

Как известно, предел выносливости малых образцов и деталей выше, чем у образцов и деталей большого размера. Это снижение прочности у последних названо масштабным эффектом, а причина снижения прочности вследствие увеличения размеров — масштабным фактором.

Для объяснения природы масштабного эффекта выдвинуты различные теории, в том числе статистические, согласно которым в силу того, что в реальных поликристаллических телах всегда имеется большое количество неоднородностей и дефектов, представляющих собой потенциальные очаги разрушения, вероятность наличия таких дефектов на поверхности образца малого диаметра меньше, чем на поверхности образца большого диаметра.

Это и обусловливает меньшую циклическую прочность последнего. Поскольку неметаллические включения являются именно такими дефектами, которые вызывают усталостное разрушение, их наличие или отсутствие, по всей вероятности, может отразиться на масштабном эффекте. Несмотря на то что этот вопрос представляет собой значительный интерес, влияние рафинирования стали на проявление масштабного эффекта совершенно не изучено ни в теоретическом, ни в практическом аспектах. В статистических теориях  возможность такой постановки вопроса даже не рассматривается.

Испытания мартеновской и электрошлаковой стали типа 12ХНЗА  показали (рисунок 7), что масштабный эффект проявляется по-разному у загрязненной и рафинированной стали. Так, если различие в пределах выносливости мартеновской и электрошлаковой стали типа 12ХНЗА на образцах диаметром рабочей части 5мм было всего 2 кгс/мм2, то на образцах диаметром 25мм оно составляло уже 6 кгс/мм2. Это значительное (в 3 раза) различие с увеличением диаметра образца в пределах выносливости исходной и электрошлаковой стали свидетельствует о том, что электрошлаковое рафинирование стали ослабляет масштабный эффект.

Влияние размера диаметра образцов и технологии выплавки металла на циклическую прочность стали типа 12ХНЗА
Рисунок 7 – Влияние размера диаметра образцов и технологии выплавки металла на циклическую прочность стали типа 12ХНЗА 1 — мартен;  2 — ЭШП

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что указанное явление нужно учитывать, когда решается вопрос о конкретном применении ЭШП для производства стали, идущей на крупногабаритные изделия. В данном случае не рекомендуется проверять выносливость на образцах малых диаметров (даже стандартных), поскольку результаты таких испытаний приведут к искаженной информации, нивелирующей свойства разных по загрязненности сталей и вуалирующей истинную эффективность применения стали, рафинированной ЭШП.

Представляется важным еще один вывод: ЭШП оказывается особенно эффективным (по критерию выносливости) для тех случаев, когда переплавляемая сталь предназначается для изделий большого сечения.

От плавильной печи до готового изделия металл проходит очень длинный путь, в течение которого его свойства не остаются постоянными. Поэтому, получив металл высокого качества, следует к нему относиться бережно. Во многих отраслях народного хозяйства применение рафинированного металла стало уже массовым, однако рекомендаций о том, как его обрабатывать, нет.

В связи с этим были проведены исследования, ставившие задачу изучить совместное влияние дефектов металлургического (неметаллических включений) и технологического (различное состояние приповерхностных слоев) происхождения на контактную выносливость стали. В качестве объекта исследований выбрали шарикоподшипниковую сталь ШХ15, контактная выносливость которой очень чувствительна к наличию указанных дефектов. Вариации количества неметаллических включений обеспечивали применением металла различных способов производства и рафинирования, а критерием загрязненности служил объемный процент содержания хрупких неметаллических включений (оксидов и нитридов).

Применением различных режимов шлифования и шлифовальных кругов достигали определенных различий в состоянии приповерхностных слоев, которое оценивали градиентом микротвердости ΔНμ — разностью между стабильным значением микротвердости металла и минимальным ее значением (рисунок 8). Режим А — шлифовка электрокорундовым кругом, твердость СТ, поперечная подача 0,03 мм/дв хода (ΔНμ=180кгс/мм2); режим Б — то же,что и режим А, но подача 0,02 мм/дв. хода (ΔНμ=150кгс/мм2); режим В — твердость круга СМ 1, подача 0,015 мм/дв. хода (ΔНμ=75кгс/мм2); режим Г — то же, что и режим В, но круг алмазный (ΔНμ=30 кгс/мм2). После шлифования все образцы полировали алмазными пастами. Испытания на контактную выносливость проводились на машинах МКВ-К в стандартной («Индустриальное-50») смазке. Результаты испытаний обрабатывали методом математической статистики.

Влияние неметаллических включений и механической обработки на контактную выносливость шарикоподшипниковой стали ШХ15
Рисунок 8 – Влияние неметаллических включений и механической обработки на контактную выносливость шарикоподшипниковой стали ШХ15

Как следует из рисунка 8, контактная выносливость стали ШХ15 существенно зависит от степени загрязненности металла и от выбранных режимов обработки. Различие в выносливости самой чистой и самой загрязненной стали в значительной степени зависит от механической обработки изделия.Если при самой грубой обработке это различие составляло всего 40%, то при самом мягком режиме различие составляет 165%, то есть   возрастает в 4 раза. Интересно, что стали, очень заметно отличающиеся по загрязненности, будучи обработанными по грубому режиму (а он не очень отличается от типового заводского), практически нивелировали свою контактную выносливость. Другими словами, преимущество высококачественных рафинированных сталей перед исходными после такой обработки исчезает. Напротив, обработка на мягких режимах увеличивает это преимущество.

Результаты опыта свидетельствуют о необходимости учета факторов механической обработки (или так называемой технологической наследственности). Если будет обеспечена качественная обработка (т. е. ее режимы не будут грубыми, жесткими), рафинированный металл, безусловно, оправдает свое назначение и компенсирует затраченный на него труд. В противном случае незачем, видимо, применять дефицитный и дорогой металл.

Повышение выносливости электрошлаковых сталей объясняется, как правило, уменьшением количества и размеров неметаллических включений, улучшением макро- и микроструктуры слитка и увеличением плотности металла. Вместе с тем при тщательных и всесторонних исследованиях выявляется ряд фактов, объяснить которые с помощью указанных причин не представляется возможным. Обращает на себя внимание непропорционально высокое увеличение выносливости электрошлакового металла. В связи с этим интересный материал для сравнения дают результаты испытаний исходных и рафинированных сталей ЗОХГСНА, ВКС-1 и ЭИ643 на обычную и малоцикловую выносливость.

Известно, что величина пределов выносливости конструкционных сталей коррелирует с произведением σвψ. Как видно из рисунка 9, эта зависимость действительно имеет место для сталей открытой  выплавки, ВДП и ЭЛП. Электрошлаковая сталь такой закономерности не подчиняется.

Зависимости пределов выносливости сталей ЗОХГСНА (І), ВКС-1 (II) и ЭИ643 (III) после ЭД (1), ВДП (2), ЭШП (3) и ЭЛП (4) от произведения σвψ
Рисунок 9 – Зависимости пределов выносливости сталей ЗОХГСНА (І), ВКС-1  (II) и ЭИ643 (III) после ЭД (1), ВДП (2), ЭШП (3) и ЭЛП (4) от произведения σвψ

Если сопоставить долговечность стали при малоцикловой выносливости с показателем

формула

то можно наблюдать картину, почти аналогичную предыдущей (рисунок 10): показатели металла открытой плавки, ВДП и ЭЛП (по каждой марке стали в отдельности) свидетельствуют о достаточно хорошей корреляции сравниваемых величин, а на электрошлаковый металл эта закономерность не распространяется.

 Зависимости циклической долговечности сталей ЗОХГСНА, ВКС-1 и ЭИ643 при малоцикловой усталости с относительной деформацией 0,5% после ЭД, ВДП, ЭШП и ЭЛП от произведения
Рисунок 10 – Зависимости циклической долговечности сталей ЗОХГСНА, ВКС-1 и ЭИ643 при малоцикловой усталости с относительной деформацией 0,5% после ЭД, ВДП, ЭШП и ЭЛП от произведения

Надо полагать, что металл ЭШП обладает каким-то специфическим свойством,которого не имеют остальные сравниваемые стали и которое в достаточной степени не отражают показатели формула

и  σвψ. Это свойство благоприятно влияет на выносливость высокопрочных конструкционных сталей. Объяснить это явление, по-видимому, можно наличием мельчайших  неметаллических включений, возникающих при кристаллизации слитка при ЭШП, и вызываемым ими эффектом упрочнения. Наиболее типичными неметаллическими включениями в электрошлаковых сталях следует считать мелкодисперсные включения оксидов и нитридов; именно они обусловливают эффект упрочнения стали, который не отражается на показателях статической прочности металла ЭШП.

Как было показано выше, в результате существенных отличий физических свойств металлической матрицы и неметаллических включений в металле возникают остаточные термические напряжения. В окрестности сравнительно крупных включений глинозема, муллита и других, обладающих высокими значениями Е и малыми значения α, эти остаточные напряжения зачастую превышают предел текучести  металла, происходит его локальная пластическая деформация, что вызывает появление зон предразрушения, т. е. потенциальных очагов разрушения металла. Однако в том случае, когда включение весьма мало, возникающие в металле остаточные напряжения, как правило, не превышают предела текучести металла и зоны предразрушения не появляются, несмотря на то, что напряженность металла сохраняется.

Громадное количество таких мелкодисперсных включений и их равномерное распределение в матрице способствуют созданию более или менее однородного напряженного состояния в электрошлаковой стали, т. е. сталь ЭШП оказывается как бы внутренне упрочненной. Упрочненный электрошлаковый металл может поглощать больше водорода, его электродный потенциал более отрицателен, а коррозионная стойкость может оказаться ниже, чем у неупрочненного металла. Возможны также некоторые другие отрицательные эффекты упрочнения (например, увеличение водородной проницаемости, снижение гелиевой плотности и т. д.). Однако положительное влияние мелкодисперсных неметаллических включений в электрошлаковой стали и вызываемого ими упрочнения вполне компенсируют эти недостатки. Во-первых, в результате упрочнения конструкционные стали ЭШП по своей выносливости превосходят не только металл обычной выплавки, но и стали других рафинирующих технологий. Это преимущество сохраняется и зачастую становится решающим фактором при эксплуатации сталей в рабочих средах (адсорбционных, коррозионных, наводороживающих и др.). Во-вторых, упрочненная структура электрошлаковой стали более изотропна, т. е. менее чувствительна к анизотропии механических свойств (особенно выносливости), зависящей от направления действия сил относительно направления прокатки. По изотропности электрошлаковая сталь превосходит металл всех других способов выплавки. В-третьих, упрочнение способствует существенному повышению стабильности механических свойств (особенно выносливости) металла электрошлаковых конструкционных сталей.

Наличие упрочненной структуры металла в окрестности мелкодисперсных неметаллических включений является специфическим признаком электрошлаковой конструкционной стали и обусловливает ее существенное преимущество перед сталями других способов производства и рафинирования по ряду свойств.

Итак, ЭШП повышает выносливость металлов и сплавов. Факторами, увеличивающими преимущество в выносливости металла ЭШП перед обычным, являются: повышение прочности, более мелкозернистая структура, увеличение размера детали, мягкие режимы механической обработки деталей, высокий уровень напряжений. Снижают преимущество электрошлакового металла перед обычным следующие факторы: более низкая прочность вследствие соответствующей термообработки, крупнозернистая, грубая структура, наличие надреза (концентратора напряжений), малые размеры детали, грубая механическая обработка деталей, низкий уровень напряжений.

Понимание причин различного качественного воздействия указанных факторов представляется весьма важным для уяснения влияния ЭШП на комплекс служебных свойств самых разнообразных металлов и сплавов.