Влияние серы

В низколегированной марганцовистой стали всегда присутствуют включения сульфида марганца, которые, располагаясь при горячей прокатке в узкие полосы значительной протяженности, предопределяют пониженную пластичность такой стали.
В дополнение к изложенному отметим, что сульфиды марганца в прокате следует рассматривать как трещины, способствующие уменьшению сопротивления стали разрушению, проявляющемуся, в первую очередь, в снижении ударной вязкости образцов, вырезанных поперек направления прокатки, но особенно по толщине проката (z-свойства).

Изменение содержания серы в исследованных пределах практически не влияет на нижнюю границу То критического интервала хрупкости. Верхняя граница Т¹⁰⁰ (область вязких разрушений) с увеличением содержания серы смещается в сторону низких температур. Это приводит к заметному сужению границ критического интервала хрупкости.

При переходе от вязкого к хрупкому разрушению влияние сульфидных включений достаточно сложное. При ограниченном содержании они охрупчивают металл, являясь источниками микротрещин. В то же время вытянутые сульфиды, фактически полости в металлической матрице, напротив, затрудняют разрушение сколом, уменьшая жесткость напряженного состояния в вершине трещины и снижая тем самым критическую температуру хрупкости, оцениваемую по виду излома. Другой причиной наблюдаемого эффекта является механическое торможение трещины мягкими (мягче матрицы) сульфидами (полостями). Это снижение температуры хрупкости получило название сульфидного эффекта (парадокса).

Размер зерен изменяли режимами прокатки и нормализации. В прокате из хорошо раскисленной стали плавки 1 наблюдали включения оксидов и сульфидов двух типов: расположенные одиночно или небольшими группами крупные сильнодеформированные сульфиды марганца (тип III по классификации) и расположенные значительными группами в виде строчек менее деформированные и менее крупные эвтектические сульфиды марганца (тип II).

В менее раскисленной стали (плавки 2) обнаружены сульфидные, оксидные и силикатные включения. Сульфидная фаза состоит из крупных одиночных включений глобулярной формы, умеренно деформируемых при прокате (содержащие железо оксисульфиды марганца типа I). Алюмосиликаты марганца присутствуют в виде темных весьма крупных однородных деформированных включений. Они образуют также матрицу более сложных включений с сульфидами и шпинелью.

С повышением содержания серы количество сульфидных включений возрастает. На длину отдельных сульфидных включений содержание серы влияет незначительно. С повышением содержания серы прогрессирующе возрастает суммарная длина вытянутых неметаллических включений, причем после прокатки при пониженной температуре интенсивнее, что согласуется с данными других исследований.

Изменяя режимы обработки проката из хорошо раскисленной стали плавки 1, получили структуру с зернами различного размера, средний диаметр которых изменялся от 40 мкм до 5 мкм. После прокатки при высоких температурах наблюдали участки видманштеттового феррита. Коэффициент разнозернистости (отношение максимального диаметра зерна к среднему) для стали с полигональным ферритом составляет 3-4, а при наличии видманштеттового феррита увеличивается до 5-6. Для теоретической модели плотноупакованных равновеликих шаров этот коэффициент равен 1,89.

Повышение содержания серы в исследованных пределах слабо повлияло на предел текучести σ_т, временное сопротивление разрыву σ_В и относительное удлинение δ₅, но заметно понизило относительное сужение Ψ_K и связанное с ним истинное сопротивление разрыву S_K. Характер изменения Ψ_K и S_K аналогичен тому, который наблюдали во многих работах: более интенсивное снижение малыми количествами включений и менее интенсивное большими.

Сопоставление истинных диаграмм деформирования стали с одинаковым содержанием серы, но с разным размером зерна, подтверждает картину, ранее наблюдаемую для углеродистой стали: измельчение структуры повышает сопротивление деформированию на всех его этапах, причем с ростом пластической деформации эта разница увеличивается. Максимальная пластическая деформация ε_K и S_К при этом также повышаются. Содержание серы оказывает заметное влияние только на заключительном этапе растяжения, и обусловлено оно, в основном, более высокой максимальной пластической деформацией ек для стали с меньшим содержанием неметаллических включений.

Близкая картина имеет место при сравнении истинных диаграмм продольных и поперечных образцов. Их начальные участки практически не отличаются. Весьма малое превышение напряжения течения для продольных образцов обнаруживается только после максимума нагрузки. Основное различие заключается в более высоких ε_K и S_K для продольных образцов.

Установлено, что зависимости σ_T(d) и σ_B(d) при повышении содержания серы практически не изменяются. Вместе с тем зависимости S_K(d) и Ψ_K(d) при этом резко снижаются, причем эти характеристики для стали с мелким зерном понижаются значительно сильнее, чем для крупнозернистой стали.

Для всех структурных состояний с повышением содержания серы ударная вязкость монотонно снижается. С повышением содержания серы удельные работы зарождения и распространения разрушения, на которые с помощью осциллограмм разделили ударную вязкость, также монотонно снижаются. Вместе с тем зависимость характера излома от содержания серы немонотонная, что свидетельствует о проявлении уже упомянутого сульфидного эффекта. Повышение содержания серы от 0,005 % до 0,014% смещает кривую доли волокна к повышенным температурам, т.е. охрупчивает металл. Дальнейшее повышение содержания серы до 0,030-0,040 %, напротив, возвращает эту кривую почти в исходное положение. Увеличение содержания серы от 0,005 до 0,014% повышает Т⁵⁰ в среднем на 18 ... 35° С, причем сильнее при крупном зерне, а дальнейшее повышение содержания серы до 0,040% понижает Т⁵⁰ в среднем на 13 ... 14° С почти независимо от размера зерна.

Установлено малое влияние сульфидных включений на напряжение текучести и деформируемость стали. Подтвержден немонотонный характер влияния содержания серы и неметаллических включений на температуру хрупкости, определяемую по виду излома.

Наблюдаемое экспериментально снижение температуры хрупкости при дальнейшем повышении содержания серы (сульфидный эффект), так же как и в работах, следует объяснить уменьшением жесткости напряженного состояния в очаге разрушения, обусловленным большим количеством вытянутых полостей, параллельных плоскости и направлению прокатки, а также, возможно, механическим торможением элементарных микротрещин скола соседними включениями.