Влияние РЗМ (гадолиния) на неметаллические включения и циклическую стойкость стали.

Для определения оптимального количества РЗМ, вводимого в жидкую сталь, проводилось детальное исследование влияния добавок на характер, количество и размеры неметаллических включений. Для оценки циклической и эксплуатационной стойкости проводились малоцикловые, виброусталостные и эксплуатационные испытания.

Анализ данных по неметаллическим включениям показывает, что средний бал почти по всем видам включений в стали, выплавленной из титана, несколько выше, чем в стали, микролегированной титаном. Значительнее других при микролегировании снижается бал по включениям сульфидного типа. Так среднее значение балла по сульфидам уменьшается на 0, 8 при введении 0, 05% РЗМ, на 1, 2 при, 010%, на 1, 8 при введении 0, 15%. Значение среднего балла закономерно уменьшается с увеличением количества введенного титана в исследованных пределах. Снижается количество мест максимальной загрязнённости стали включениями, наблюдается более равномерное распределение неметаллических включений в поле зрения. РЗМ существенно изменяет размеры неметаллических включений. Длина (l_s) и ширина (a_s) сульфидных включений типа твердого раствора FeS в MnS уменьшается в 2 раза. Наблюдается существенное уменьшение средне- максимального значения длин строчек: 4, 06 мм в стали обычного состава, 1, 77 мм в стали, с РЗМ. Значительное измельчение сульфидных включений в результате модифицирования жидкой стали РЗМ объясняется кристаллизацией сульфидов на готовых центрах (нитриды, карбиды), эпитаксических по отношению к ним. Это экспериментально подтверждается многократным наблюдением соединений в сульфидной фазе. По показателям загрязненности стали неметаллическими включениями наилучшим вариантом микролегирования является введение 0, 05% РЗМ от веса жидкой стали с предварительным раскислением стали алюминием в количестве 300 г/m.

Исследование влияния добавок РЗМ на кинетику повреждаемости стали в условиях малоцикловых испытаний на изгиб показало, что количество циклов нагружения образца до момента появления микротрещин (n_м) в микролегированной стали в два раза больше, чем в стали обычного состава. Общая долговечность образцов из стали, микролегированной РЗМ, увеличивается в 1, 5 раза. Проведенные дополнительно усталостные испытания с использованием ультразвука показали также повышение циклической стойкости стали. Число циклов до разрушения образцов из стали, микролегированной наименьшим количеством РЗМ, составило (6, 9±0, 3) 10⁶ циклов. Образцы из стали обычного состава разрушались после (3, 1±0, 3) 10⁶ циклов. При введении в сталь большего количества РЗМ (0, 10%) дальнейшего увеличения долговечности не наблюдается. Общее увеличение долговечности стали, микролегированной РЗМ, объясняется следующими факторами:

а – упрочнением матрицы за счет гадолиния, как микролегирующего элемента;

б – созданием мелкодисперсных соединений, являющихся упрочняющими фазами;

в – размельчением сульфидных включений, являющимися активными очагами зарождения микротрещин;

г – более равномерным распределением неметаллических включений в матрице.

Более равномерное распределение измельченной неметаллической фазы в микролегированной стали появляется и в большей стабильности результатов циклических испытаний. Причем наименьший разброс значений имеют образцы из стали, микролегированной 0, 05% РЗМ

Оценка эксплуатационной стойкости микролегированной стали произведена при испытаний конкретных изделий. При микроисследовании дефектных деталей как на продольных, так и на поперечных шлифах обнаружено значительное количество неметаллических включений в местах дефекта. В основном это включения сульфидного типа, ориентированные вдоль направления прокатки. Неоднократно наблюдались трещины у включений, аналогичные трещинам на образцах, исследованных в настоящей работе.

Совместный анализ неметаллических включений и результатов циклических и эксплуатационных испытаний показал, что лучшее сочетание износостойкости и усталостной прочности достигается при вводе 0, 05% РЗМ от веса жидкой стали.