Общие выводы по работе

1. Исследованы процессы трещинообразования в период циклического нагружения стали, содержащей значительное количество различных неметаллических включений. Исследования показали, что:

а) различные виды включений активно влияют на процессы скольжения, предшествующие заражению микротрещин;

б) микротрещины образуются в большинстве случаев (70 – 75%) от неметаллических включений;

в) вероятность зарождения микротрещины у конкретного включения зависит от формы и размеров включения, от свойств включения и окружающей его матрицы и составляет (для углеродистой стали): 34% для включений типа MnS, 23% для силикатных включений, 20% для сульфидов типа FeS в MnS, 15% для оксидных включений в строчке, 8% для одиночных оксидов.

2. На основании приведенных микроструктурных, рентгеновских, фрактографических, вибрационных и циклических испытаний, а также изучение особенностей микроструктуры при высокой температуре в вакууме предложены экспериментально схемы развития микротрещин в процессе циклического нагружения стали по 3 механизмам:

а) путем отрыва матрицы от включения по поверхности раздела между ними и дальнейшего выхода этой микрополости в матрицу в острых углах включения;

б) путем разрыва самого включения и перехода этого разрыва по поверхности раздела между матрицей и включением в матрицу;

в) путем постепенного сгущения полос скольжения в микрообъеме матрицы около крупных включений и дальнейшего образования в этих участках микротрещины.

3. Механизм зарождения микротрещин обусловливается прочности свойствами включения, его формой и коэффициентом относительной жесткости включения и матрицы α:

а) по первому механизму зарождение микротрещин происходит от прочных включений равноосной формы α > 1. Первоначальная микропора образуется в переходной зоне, которая выявлена вакуумным высокотемпературным травлением и представляет собой часть матрицы с высокой степенью дефектности. В переходной зоне обнаружена повышенная плотность дислокаций, концентрация вакансий и других субмикронеоднородностей структуры, образующихся вследствие некогерентности включения с матрицей и различия их коэффициентов линейного и объемного расширения;

б) по второму механизму зарождение микротрещин происходит от непрочных включений эллипсоидной формы с α < < 1. Первоначальная микропора образуется в самом включении в местах, где включение пересекается одной из действующих плоскостей скольжения;

в) по третьему механизму образование микротрещин происходит у включений шаровидной формы с α ≤ 1. Зарождению микротрещины в этом случае предшествует значительная пластическая деформация в местах концентрации напряжений у включения.

4. Вероятность зарождения микротрещин от неметаллических включений какого-либо одного вида зависит от кристаллических размеров включения. Методами количественной металлографии с последующей статической обработкой результатов определены критические размеры следующих групп включений:

а – диаметр включений шаровидной формы с α ≤ 1 (оксиды типа FeO – MnO, силикаты) – 32 – 42 мкм;

б – длина включений эллипсовидной формы α < 1 (сульфиды типа FeS в MnS, силикаты) – 28 – 32 мкм;

в – размер грани включений равноосной формы с α > 1 (соединения титана, сульфиды типа MnS) – 5 – 10 мкм.

Для существенного повышения циклической прочности стали необходимо размельчение неметаллических включений до размеров меньших, чем критические.

5. Неметаллические включения ускоряют процессы развития микротрещин, облегчая их распространение в матрице. Фрактографическое исследование поверхностей разрушения показало, что включения заметно изменяют направление полосок, отражающих распространение трещин.

6. Одним из способов изменения формы и размеров неметаллических включений в стали является микролегирование РЗМ. Исследованы четыре варианта микролегирования стали различным количеством в пределах 0, 05 – 0, 15% от веса жидкой стали. Для количественной оценки изменения неметаллических включений при микролегировании разработана методика определения среднемаксимальных размеров видов включений.

7. Микролегирование стали изменяет распределение, вид и размеры неметаллических включений стали:

а – снижаются значения, как среднего, так и среднемаксимального баллов по всем видам включений;

б – уменьшается количество мест максимальной загрязненности (балл 5) стали сульфидными включениями (с 9 до 0);

в – создается более равномерное распределение включений в матрице;

г – более чем в 2 раза уменьшаются размеры сульфидных включений типа твердого раствора FeS в MnS;

д – значительно снижается количество оксидо-силикатных включений и в 2 раза уменьшается их максимальная длина;

е – появляются новые включения химических соединений титана с углеродом, азотом, кислородом и серой.

8. Размельчение сульфидных включений при микролегировании стали происходит в результате создания готовых центров кристаллизации сульфидов. Этими центрами могут быть нитриды, карбиды и карбонитриды.

9. Микролегирование стали повышает прочность стали в исходном горячекатаном состоянии на 10 кг/мм², увеличивает циклическую стойкость на 50 – 70% и износостойкость в 1, 5 раза.

Лучшее состояние износостойкости и усталостной прочности достигается при вводе оптимального количества РЗМ (0, 05% от веса жидкой стали).

10. Совместный анализ неметаллических включений и результатов механических, циклических и эксплуатационных испытаний позволяет установить строгую зависимость надежности и конструктивной прочности от степени загрязненности данной стали неметаллическими включениями, вскрыть степень опасности отдельных видов и размеров включений и наметить реальные пути улучшения качества стали.