Как неметаллические включения влияют на свойства и прочность стали

Влияние неметаллических включений на свойства стали

Сталь — универсальный материал с очень широким спектром применения. Она привлекает для многих применений своими преимуществами: высоким отношением прочность/вес, долговечностью, универсальностью, перерабатываемостью и, что наиболее важно, экономической целесообразностью по сравнению с другими конструкционными материалами. Помимо обычных применений, сталь является материалом выбора для многих промышленных компонентов, используемых в критических приложениях. Эти критические применения предъявляют очень строгие требования к свойствам стали. Такие требования варьируются по своим специфическим нуждам: от легковесности, высокой прочности, высокой вязкости, способности выдерживать высокие давления, способности выдерживать отрицательные температуры, отличной сварной пригодности, хорошей коррозионной стойкости, и чаще всего требуется комбинация таких свойств.

Универсальность стали позволяет инженеру подбирать свойства путем изменения химического состава и/или микроструктуры. Несмотря на то, что значительные достижения были сделаны в отношении этих двух переменных, еще один решающий аспект, определяющий эксплуатационные свойства стали, — это ее чистота от примесей (иногда называемая чистотой стали). Чистота стали определяется неметаллическими включениями (или просто включениями), встроенными в нее. Для улучшения свойств стали включения должны контролироваться, поскольку включения — критическая проблема сталей для конструкционных применений и, в зависимости от их размера, формы и распределения, могут быть очень вредны для механических свойств.

Природа и классификация включений

Включения — химические соединения, состоящие из комбинации металлического элемента (железо, марганец, кремний, алюминий, кальций и др.) и неметаллического элемента (кислород, сера, азот, углерод и др.). Наиболее распространенные включения: оксиды, сульфиды, оксисульфиды, фосфаты, нитриды, карбиды и карбонитриды. В зависимости от их природы и условий охлаждения на стадии кристаллизации они могут находиться в кристаллическом или стекловидном состоянии. Включения образуют фазы, отличные от стали, хотя некоторые представляют большую несовместимость, чем другие, в зависимости от их кристаллической структуры и атомных размеров. Включения, содержащие более одного соединения, называют комплексными (спинели, оксисульфиды, карбонитриды и др.).

По размеру включения могут быть микровключениями или макровключениями. Пороговое значение, используемое для различения микро- и макровключений, обычно принимается равным 100 микрометрам. Однако недавно, с развитием сталеплавных практик для контроля размеров включений, предложен другой способ определения микровключений — диаметр ниже предела их всплывания, имеющий значение в десятках микрометров для современных сталеплавных процессов. Микровключения наиболее многочисленны из-за малого размера и склонны быть более равномерно распределенными в жидкой стали, поэтому считаются менее вредными. Макровключения из-за большего размера отвечают за инициирование разрушения в готовых изделиях или дефекты на полуфабрикатах.

Включения влияют на несколько свойств стали, релевантных для их работы в механических и конструкционных приложениях. Некоторые вредные эффекты включений в литой стали можно снизить горячей деформацией, так как этот процесс может индуцировать изменения ориентации и разрушение включений. Исследование различных факторов, влияющих на качество стали в терминах ее изготовления и дальнейшей обработки, помогает лучше понять их взаимосвязь для обеспечения стабильного качества, соответствующего все более строгим требованиям к механическим свойствам стальных компонентов для требовательных приложений. Понимание того, как это происходит, развивалось в недавнем прошлом. Значительный прогресс в количественной оценке этого понимания был сделан.

Хотя большое внимание уделяется важности микроструктуры стали, влияние включений на свойства стали сравнительно пренебрегается. Однако в промышленности внимание к важности включений для работы стали присутствует, и фокус направлен на постоянные исследования и улучшения. Это стало особенно важно, поскольку сталь брошена вызовом различными альтернативными материалами и более требовательными приложениями. Улучшение нескольких свойств стало возможным только с пониманием их связи с типом, размером и распределением включений, присутствующих в матрице. В последнее время сталеплавильная промышленность разработала значительные улучшения процессов, приведшие к гораздо лучшему контролю объемной доли, размера и состава включений.

Подгонка включений для улучшения свойств и характеристик — важная черта сталеплавки, и термин «инженерия включений» (inclusion engineering), введенный в 1980-х, широко используется. Инженерия включений начинается с определения желательных свойств, которые должны иметь включения. Затем, через определение адекватных условий обработки, изготавливают продукт, где эти желательные включения преимущественно формируются. Контроль распределения включений в конечном продукте, особенно тех, сформированных после начала кристаллизации (вторичные включения), остается серьезной проблемой.

Включения — неизбежные химические соединения, встроенные в матрицу стали, состоящие из хотя бы одного неметаллического компонента, такого как кислород, азот или сера. Эти соединения могут возникнуть на различных стадиях сталеплавного процесса. Роль сталеплавного процесса в контроле включений очень важна, поскольку включения возникают и могут модифицироваться на различных стадиях технологического маршрута. Кроме того, включения вредны тем, что нарушают однородность структуры после застывания. Стадии внепечной обработки, играющие важную роль для контроля включений, включают деоксидацию, десульфурацию, вакуумную дегазацию и аргонную перемешку. Во время этих операций вводят легирующие добавки, снижают растворенные газы в стали, удаляют и/или химически модифицируют включения для обеспечения высокого качества стали. Рис. 1 показывает критические металлургические реакторы (лавовице, распределитель и кристаллизатор) для контроля включений при непрерывной заливке стали.

После операций внепечной обработки очищенная сталь переводится в машину непрерывной заливки для заливки жидкой стали в заготовку (пłyту, блум, блет и др.). При заливке происходят различные взаимодействия между сталью и включениями. Могут происходить реакции между заливочным порошком и жидкой сталью, и происходит улавливание заливочного порошка. Конструкция погруженного входного штуцера (ПВС), гидродинамика, электромагнитная перемешка и использование вертикального или изогнутого кристаллизатора — одни из основных явлений, влияющих на конечное содержание включений в стали. Рис. 2 показывает явления включений, происходящие в процессе непрерывной заливки из-за разных взаимодействий между сталью и включениями.

Весь процесс удаления включений в жидком состоянии состоит из цикла «нуклеация-рост-удаление». Формирование включений можно разделить на стадии в зависимости от явлений, происходящих на каждой. Нуклеация происходит в результате перенасыщения жидкой стали растворенными веществами из-за изменения температуры или химического состава системы. Рост включений продолжается, пока есть перенасыщение или не достигнуто химическое равновесие. Движение жидкой стали из-за термической конвекции или магнитной перемешки вызывает коалесценцию или аггломерацию (жидких или твердых соответственно) включений. Включения с более высокой поверхностной энергией склонны сливаться легче, чем включения с более низкой поверхностной энергией. Легче всплывают крупные включения в шлак, где они поглощаются, но этот процесс удаления зависит от радиуса частицы. На рис. 3 описаны процессы, явления и механизмы эволюции включений на разных стадиях производства стали.

Включения могут быть шаровидной, пластинчатой, дендритной и многогранной формы. По форме наиболее желательна шаровидная из-за их изотропной природы относительно влияния на механические свойства. Пластинчатые или тонкие пленки располагаются на границах зерен из-за эвтектического превращения при кристаллизации. Они наиболее вредны для механических свойств, так как ослабляют связи на границах зерен. Дендритные, вызванные избыточным количеством алюминия. Эти включения имеют высокую температуру плавления и могут вызывать закупорку в жидкой стадии. В застывшей стали острые края и углы дендритов могут вызывать концентрацию внутренних напряжений и негативно влиять на механические свойства. Многогранные включения имеют меньшее влияние на механические свойства, чем дендритные или пластинчатые, из-за более шаровидной формы. Морфологию дендритных включений можно изменить на многогранную небольшими добавками редкоземельных элементов (церий, лантан) или щелочноземельных (кальций, магний).

Для лучшего понимания поведения включений необходимо понимать переход из жидкого в твердое состояние как для стальной матрицы, так и для включений. Физические свойства окружающей матрицы и включения при температуре кристаллизации важны, так как они могут представлять разные сценарии. Если включение жидкое (т.е. с более низкой температурой плавления) при температуре кристаллизации стали, развивается система компрессионных остаточных напряжений, обеспечивающая когерентность между включением и матрицей. С другой стороны, если включение твердое при кристаллизации стали, развитие напряжений зависит от разных коэффициентов теплового расширения обоих видов. Когда включение сжимается в меньшей степени, чем матрица, компрессионные остаточные напряжения развиваются внутри включения, а результирующие растягивающие напряжения — в матрице вокруг включения. Если же включение сжимается быстрее матрицы, то в включении генерируются растягивающие остаточные напряжения и происходит декогезия включения и матрицы в форме пустоты.

Включения составляют очень малую часть застывшей стали и обычно тонко диспергированы. Они вредны тем, что нарушают однородность структуры. Поведение деформации включений при горячей деформации стали имеет большое значение для свойств конечного продукта. И стальная матрица, и включения обычно являются многофазными структурами, но для сравнения сталь можно рассматривать как однородную фазу, так как структуры включений крупнее по сравнению с микроструктурами стали.

Внутренние напряжения могут генерироваться из-за разностей коэффициентов теплового расширения включения и матрицы. Эффект течения стальной матрицы над и вокруг включений генерирует деформацию включений, и степень деформации уменьшается с удлинением включений в результате трения на границе раздела в направлении прокатки. Если включение имеет сильную межфазную связь, оно удлиняется и остается неразрушенным при горячей деформации. С другой стороны, если включение имеет слабую межфазную связь, оно не взаимодействует с течением стали и могут образовываться разрывы. С этой точки зрения включения можно классифицировать как: (i) изначально пластичные включения (например, сульфид марганца), (ii) некристаллические стекловидные включения, которые ведут себя жестко, но становятся пластичными при некоторой характерной температуре (например, некоторые стекловидные силикаты), и (iii) кристаллические ионные твердые тела (например, кальциевые альюминаты, альюминат-оксиды и некоторые кристаллические силикаты), которые не показываю пластичность и ведут себя ломко.

Несколько элементов, допустимых в составе стали, имеют высокую сродство к кислороду и поэтому могут использоваться как деоксиданты, образуя неметаллические продукты деоксидации при добавлении в жидкую сталь. Примеры: кремний, марганец, алюминий. Продукты деоксидации могут стать важными оксидными включениями. В случае серы, с другой стороны, только элементы с низкой растворимостью в железе (кальций, марганец) или редкоземельные элементы имеют достаточно высокую сродство к сере для образования неметаллических сульфидов при температурах жидкой стали. Следовательно, большая часть серы в стали должна быть удалена из раствора шлаковым рафинированием, а остаток — осадочными реакциями, происходящими в основном при кристаллизации. Наиболее распространенный сульфид, выпадающий при кристаллизации — сульфид марганца.

На этих наблюдениях основаны две возможные классификации включений: (i) по химическому составу (оксиды, сульфиды и т.д.), или (ii) учитывая момент их формирования относительно начала кристаллизации: первичные — до начала кристаллизации, и вторичные — после начала формирования твердой стали в кристаллизаторе. Также включения, возникающие из сталеплавного процесса, классифицируют как «эндогенные», а появляющиеся из «внешних» источников (фрагменты огнеупоров, улавливаемый шлак и т.д.) — как «экзогенные». Редко, однако, «экзогенный» объем материала выживает достаточно долго в стали без обширной реакции с жидкой сталью. Эти реакции производят изменения во включениях. Следовательно, эта классификация иногда может быть запутанной.

Наконец, распространенный способ классификации включений связан с их размером: макровключения и микровключения. Разумная граница: включение — макровключение, если оно достаточно велико, чтобы вызвать немедленный отказ продукта при обработке или использовании. Все остальные — микровключения. Следовательно, хотя это важно, это сложная классификация для применения.

Некоторые свойства включений имеют ключевое значение для их влияния на поведение сталей. К ним относятся: пластичность или твердость как функция температуры, коэффициент теплового расширения (КТР), кристаллизационное поведение (в случае стекловидных включений) и в меньшей степени растворимость металлических примесей. Включения имеют ионную, ковалентную или смешанную связь. Как таковые, они в целом ломки при комнатной температуре и не имеют сильной связи с металлической матрицей. По мере повышения температуры некоторые включения становятся более пластичными.

Несколько измерений твердости и пластичности включений показывают, что наблюдаемые изменения слишком сложны для описания простым способом. Одной из наиболее широко используемых концепций для описания деформационного поведения остается «относительная пластичность» включений. Эта концепция особенно полезна при отсутствии точных знаний о свойствах включений. Концепция относительной пластичности, введенная в 1960-х, указывает отношение истинной деформации включений к истинной деформации стали. В зависимости от температуры и состава включений, их относительные пластичности варьируются, и включения могут деформироваться, трескаться или иметь смешанное поведение. Это показано на рис. 4.

Как показано на рис. 4, комбинация низкой прочности связи с матрицей и деформации матрицы приводит к созданию пустот и разделению (или декогезии). Также твердые включения обычно ломаются и перераспределяются в стали при этих условиях. Это обсуждалось на примере альюмины. Понимание разрушения и перераспределения альюмины осложняется тем, что альюминиевые включения часто кластеризуются при обработке в жидком состоянии. Прогнозирование поведения твердых включений или включений, становящихся менее пластичными при низких температурах, было вызовом.

Однако существуют базовые параметры для количественного описания механического поведения включений и, следовательно, их влияния на свойства стали. Включения, пластичные при температуре обработки, деформируются при деформации стали. Это приводит к удлинению включений вдоль основных направлений деформации. Это вводит, во многих случаях, форму анизотропию во включениях. Это приводит к анизотропии свойств, влияемых включениями. Недавно связь между высокотемпературной пластичностью и температурой плавления оксидных включений была подтверждена путем корреляции расчетной ликвидусной температуры включений с их измеренным соотношением сторон.

В некоторых моделях деформации включений при горячей деформации пластическая деформация включений ассоциируется с их вязким течением и достигается разумный прогноз анизотропии. В количественном исследовании показано, что отношение напряжения течения включения к напряжению течения матрицы определяет удлинение включений. Поведение композитных включений, имеющих альюмину, окруженную сульфидом марганца, показано на рис. 4(d). Результаты подтвердили экспериментальные наблюдения, показывающие, что при снижении содержания серы ниже 60 ppm (частей на миллион) соотношение сторон включений альюмина/сульфида марганца существенно снижается. Эти результаты особого значения для современных высокочистых, чистых сталей.

Анизотропия, вводимая изменением формы включений, не может быть устранена дальнейшей термической обработкой. Деформация включений и сегрегатов обычно отвечает за «волокнистый» внешний вид, наблюдаемый при макрографическом исследовании сталей. Возможная кристаллизация включений при обработке стали может осложнить предсказание степени их деформации и изменения пластичности с температурой. Включения, изначально «стекловидные» или аморфные, показывали кристаллизацию при обработке при температурах в диапазоне горячей деформации сталей. Кристаллизованные включения имеют разное реологическое поведение (или относительную пластичность) по сравнению со «стекловидными» включениями. Это может быть особенно важно, когда пластичность включений критическая.

Коэффициенты теплового расширения (КТР) включений отличаются от стали. Различия в КТР могут влиять на остаточные напряжения вокруг включений. Включения могут быть более вредны, если окружены полем растягивающих напряжений, ассоциированным с тесселлированными (обозначающими или характеризующими узор из повторяющихся форм, особенно многоугольников, которые плотно подгоняются без зазоров или перекрытий) напряжениями. Это может быть особенно важно при усталостных условиях. Эти напряжения также считаются релевантными для станочной обрабатываемости. Считается, что формирование полей напряжений, полостей и пор в стальной матрице вокруг включений имеет благоприятное влияние на станочную обрабатываемость. Включения с более высоким КТР, чем у стали, отделяются от матрицы при охлаждении от температур обработки стали. Это также может вызывать проблемы в металлографической подготовке образцов и трудности с определением размера.

При использовании автоматических методов устанавливается серый порог для дифференциации оксидов и сульфидов. В зависимости от выбранного порога, темная область между матрицей и включением может по-разному вносить вклад в измеренный размер включения. Существуют значительные различия в использовании термина «включения» в обсуждении моделирования разрушения. Некоторые включают карбиды, карбонитриды и другие частицы второй фазы в определение «включений». При рассмотрении процесса вязкого разрушения важно учитывать оба типа частиц. Особое внимание требуется разнице прочности границы матрица-включение, и размеру и распределению разных типов частиц.

Граница раздела между включениями и сталью, в общем, имеет очень низкую или нулевую прочность. С другой стороны, прочность границы между карбидами и сталью, например, оценивается в диапазоне 1200–2000 МПа. Эта разница имеет большое значение для влияния включений на свойства стали, особенно разрушение. Разница между включениями и частицами второй фазы может стать размытой. В некоторых сталях титан используется для фиксации азота, и нитрид титана может образовываться в жидком состоянии. С другой стороны, в электротехнических сталях сульфид марганца образуется как тонкий выделенный осадок для контроля движения границ зерен. В исследовании, использующем частицы альюмины в стали, была продемонстрирована контролирующая роль размера частиц и объемной доли в влиянии на движение границ зерен.

Влияние включений на свойства стали

Влияние включений на свойства стали изучается уже давно. Включения можно подгонять из сталеплавного процесса для литых продуктов для улучшения свойств стали. Также, зная требуемую работу кованых продуктов, включения определенного марка стали можно «проинженерить». Для правильного решения улучшения свойств стали посредством инженерии включений важно иметь знание явлений и поведения включений на всем технологическом маршруте, от жидкой стадии через послезаливные операции и их эффекты в кованых продуктах.

В 2009 году Европейская комиссия опубликовала обзор исследований, проведенных на 4 крупных сталеплавных предприятиях, целью которого была оптимизация и оценка различных маршрутов внепечной металлургии для достижения высококачественной полосовой стали путем контроля включений, где для производства массовых материалов это вопрос воспроизводимости, а для специальных сталей — индивидуальной подгонки. Следовательно, важно понимать эффекты маршрута на популяции включений и эффект, который включения имеют на свойства стали.

Недавнее исследование эффекта включений на свойства стали проведено на критических измерениях в современной сталеплавке для оценки влияния процессных условий на свойства продукта углеродистых алюминий-деоксидинированных сталей, среднеуглеродистых алюминий-деоксидинированных сталей, сталей повышенной высокой прочности и автоматных сталей, все это с учетом строгих требований к свойствам стали для автомобильных применений, включающих низкое содержание включений и кальциевую модификацию для обеспечения более высокой вытяжимости и улучшенной механической работы автомобильных деталей.

Требования к чистоте относительно включений варьируются от продукта к продукту. Не может быть универсального определения чистоты относительно включений. Требования должны рассматриваться относительно требований конкретного применения, для которого сталь будет использоваться, и также для многих других аспектов, как их расположение, форма и распределение в стальном компоненте.

Влияние на обработку (горячая и холодная деформация, формовка)

Иногда удобно отделять влияние включений при обработке от влияния при применении, так как условия обработки обычно не те, что предусмотрены для применения стали. Это верно даже учитывая, что большинство проблем, связанных с включениями, относятся к их относительной пластичности и влиянию на вязкое разрушение стали. Включения, занимающие значительную часть поперечного сечения материала при горячей или холодной деформации или находящиеся в зонах, где деформация обработки высока, могут вызывать разрушение при обработке. Следовательно, контроль объемной доли, размера и распределения включений важен. Также инженерия включений важна для усталостных свойств и достигается разумный прогноз анизотропии.

Важные области, представляющие вызовы для дальнейших достижений: (i) правильная характеристика свойств включений и их границ с сталью, (ii) адекватная метрика для характеристики размера, формы и распределения большой многопartikelной популяции, и (iii) трудности, связанные с вычислительными методами с учетом многопartikelной популяции.

Влияние на предельную прочность при растяжении

Предельная прочность стали при растяжении может быть затронута конечной объемной долей включений, а также их морфологией и ориентацией. Ориентация включений относительно направления нагрузки важна из-за того, что определенные уровни включений влияют на вязкость материала. В случае меньших поперечных сечений эффект включений выше из-за роли размеров включений как центров нуклеации микропустот либо декогезией с матрицей, либо разрушением включения, что негативно влияет на вязкость стали. Уровни объемной доли включений в современных сталеплавных практиках значительно снизились, до точки, когда их эффект на предельную прочность практически пренебрежим в стандартных испытательных размерах. В исследовании, изучавшем стали с различными уровнями примесей для определения уровней толерантности к включениям в ультравысокопрочных сталях, найдено, что удлиненный сульфид марганца снижает вязкость и гнутость, однако не оказывает заметного влияния на прочность.

Влияние на вязкость

Вязкость при разрушении — свойство материала сопротивляться распространению трещины, и это критически важное свойство, используемое в проектировании многих инженерных компонентов. Большинство включений считаются концентраторами напряжений в застывшей структуре и могут вызывать отказ путем разрушения. Распределение частиц, нуклеирующих пустоты, рассматривается как включающее две размерные шкалы: (i) более крупные включения, нуклеирующие пустоты при относительно малых деформациях, и (ii) более мелкие частицы, нуклеирующие пустоты при гораздо больших деформациях. Нуклеация малой трещины обычно происходит на крупных включениях, а распространение трещины идет через связывание микропустот, созданных на более мелких включениях. Размер частиц, нуклеирующих пустоты, обычно между 0,1–100 микрометров, с объемными долями не более нескольких процентов, хотя этот небольшой процент играет главную роль в сопротивлении росту трещины структурных сплавов. Режимы разрушения в сталях состоят из трех основных механизмов:

• Раскол (Cleavage) — транскристаллитический режим разрушения, при котором трещина распространяется через кристаллитографические плоскости внутри зерен, а поверхность разрушения выглядит как серия плоских плоскостей. В этом режиме основной способ улучшить вязкость — контроль микроструктурной единицы, производящей плоскости распространения, которая в ферритных сталях — размер ферритного зерна, а в перлите и баените — размер предварительного аустенитного зерна.
• Низкотемпературное интеркристаллитное разрушение — режим разрушения, происходящий вдоль границ зерен из-за микросегрегации или выделения вторых фаз на границах зерен. В низколегированных сталях выделение сульфида марганца часто встречается как результат высокотемпературных обработок обычно выше температуры рекристаллизации сталей (~1250 °C). Эти частицы действуют как центры нуклеации пустот для интеркристаллитного ямообразного разрушения.
• Ямообразное разрушение (Dimple rupture) — тип разрушения, где пустоты нуклеируют на включениях, и разрушение происходит, когда эти пустоты растут и коалесцируют под нагрузкой (часто называемое «коалесценция пустот»). Сульфид марганца известен тем, что декогезирует от матрицы даже до нагрузки, в то время как большинство оксидных включений декогезируют при малых деформациях. Это связано с коэффициентом связи теплового расширения. Полученная поверхность — относительно эквиаксиальная ямообразная поверхность разрушения.

Первые два режима обычно происходят ниже температуры вязко-ломкого перехода, тогда как третий — выше переходной температуры. Рис. 5 показывает нуклеацию пустот при малых деформациях (5а), больших деформациях (5б) и разрушение стали (5в).

Вязкое и ломкое разрушения — два основных типа отказа в низколегированных сталях. Вязкое разрушение происходит при воздействии высоких температур, тогда как ломкое — обычно при низких температурах. Рис. 6 показывает разницу между статическими и динамическими кривыми режима разрушения, характеризуемой разницей в прилагаемой скорости деформации. Существует два теста для оценки статического и динамического режимов разрушения. Тест Шарпи с V-образным надрезом используется для оценки динамического разрушения, а тест «раскрытие вершины трещины» (CTOD) — для оценки квазистатической вязкости при разрушении. Тестирование CTOD применяется к материалам, которые могут демонстрировать некоторую пластическую деформацию до отказа компонента. Измерение этого смещения очень важно для инженерных целей, и важность этого теста полагается на точное измерение этого параметра.

Другой важный фактор, влияющий на вязкость — анизотропия в поведении разрушения горячепрокатанных продуктов. Это ассоциировано с ориентацией удлиненных включений или кластеров включений. Наибольшая поглощенная энергия происходит в образцах, где плоскость трещины нормальна к удлиненным включениям, и трещина может быть дефлектирована вдоль границ включений. Меньшие энергии поглощаются, когда трещина распространяется вдоль границ удлиненных включений. На рис. 7 сравниваются две стали: слева обычная прокатная сталь, анизотропия выше из-за удлинения включений параллельно направлению прокатки. Если материал нагружен в этом направлении (красные стрелки), прочность выше, чем при нагрузке в поперечном направлении (желтые стрелки). Справа — сталь с контролем включений. В этой стали анизотропия меньше благодаря лучшему контролю включений, дающему меньше, изолированные и более мелкие включения. При нагрузке в этом случае нет большой разницы между наиболее и наименее благоприятными условиями нагрузки.

Сульфид марганца — главная причина анизотропии разрушения. Из-за сульфидов марганца поперечное и сквозное направления наиболее подвержены анизотропии включений. Это можно улучшить модификацией серосодержащих включений для формирования твердых включений, остающихся сферическими при деформации, или, если оправдана добавленная стоимость, содержание серы можно снизить дальнейшей десульфурацией или вакуумной перемешкой.

Оксидные включения ассоциированы с вязким разрушением, характеризующимся связыванием ямок. Образование пустот вокруг оксидных включений играет доминирующую роль в сдвиговом разрушении. С повышением уровней прочности стали эффект включений, особенно при низких температурах, становится очень заметным.

Обычно низкие уровни включений достаточно для гарантии приемлемой вязкости и критериев вязкости в ультравысокопрочных сталях. Однако, если в будущем спрос на развитие этих свойств потребует избегать удлиненный сульфид марганца и минимизировать число крупных нитридов титана, так как это наиболее деградирующие типы включений для вязкости при относительно низких уровнях примесей в ультравысокопрочных сталях.

Влияние на усталость

когда отказ стального компонента произошел из-за повторного числа приложений нагрузки (циклов) ниже предела текучести материала, это считается усталостным отказом. В этом отношении есть очень важные аспекты, где включения играют главную роль. Одним из первых исследований, установивших связь между твердостью и пределом усталости, было исследование Гарвуда и соавторов. С тех пор значимость неметаллических включений, особенно для высокопрочных сталей, была предметом множества исследований. Большинство этих работ указали на несколько факторов, относящихся к концентрации напряжений: форма включения, адгезия включения к матрице, эластические константы включений и матрицы, и размер включения.

Мураками и Эндо разработали площадь модель для оценки эффекта малых дефектов (отверстий) в металлических материалах. В своем исследовании они продемонстрировали, что проблема малого дефекта по сути является проблемой малой трещины, и следовательно, эту проблему нужно решать с интенсивностью напряжений вместо концентрации напряжений. Они обнаружили сильную корреляцию максимального фактора интенсивности напряжений с проецируемой площадью дефекта в плоскости, перпендикулярной максимальному главному напряжению. Включения фактически могут рассматриваться как механически эквивалентные малым дефектам, имеющим то же значение проецируемой площади (квадратный корень из площади трещины).

Не только эти факторы влияют на усталостный ресурс компонента, но и расположение включения или дефекта внутри компонента. Включение определенного размера, найденное близко к поверхности, имеет более высокое влияние на усталостный ресурс, чем включение того же размера в более удаленном от поверхности месте. Мураками опубликовал количественные уравнения для прогнозирования усталостойкости материала с поверхностным дефектом, близким к поверхности и внутренним дефектом. Рис. 8 дает классификацию включений по расположению.

Связь между вредными эффектами включений на усталостный ресурс и размером включения показана на рис. 9. Эта фигура помогает проиллюстрировать, что крупные шаровидные включения наиболее вредны из-за своего размера, а не формы. Также, что кальциевые сульфиды по сравнению с оксидами равного размера менее вредны. И наконец, что нитриды титана — наиболее вредный тип включений в равном диапазоне размеров по сравнению с другими оксидами или сульфидами.

Важность включений для усталости стали давно признана. Однако эффект типа, состава, формы и размера включений на усталость изучался обширно без твердого заключения. Недавнее исследование пролило новый свет на понимание эффектов включений на усталость, суммированное здесь. Предел усталости коррелирует с существованием нераспространяющихся трещин. Он не связан с инициированием трещины. Предел усталости — пороговое напряжение для распространения трещины, а не критическое напряжение для инициирования трещины. Предел усталости коррелирует с твердостью до ~400 HV. В этой области «предел усталости определяется свойством материала, показывающим среднее сопротивление пластической деформации материала».

При переходе через порог 400 HV идеальный предел усталости, ассоциированный со свойствами материала, не может быть достигнут в общем из-за наличия дефектов (таких как включения). «Дефекты меньше критического размера не вредны (недеструктивны) для усталостойкости, и критический размер меньше для материалов с более высокой статической прочностью, так что дефект заданного размера более вреден для высокопрочных сталей, чем для низкопрочных металлов». Было продемонстрировано с несколькими экспериментальными примерами, что поскольку предел усталости — это напряжение, при котором не происходит распространение трещины, малые дефекты могут иметь трещины, начинающиеся от них, которые могут или не могут привести к усталости, в зависимости от размера и напряжений. Было аргументировано, что по этой причине, когда трещина возникает на границе включение-металл или через разрушение включения, напряжения внутри включения снимаются, и домен включения можно рассматривать как механически эквивалентный безнапряженный дефект или пору. Следовательно, тесселлированные напряжения, например, могут быть менее важны, чем считалось ранее.

Используя этот подход, можно найти адекватные отношения для прогнозирования предела усталости высокопрочных сталей, примиряя соотношение предела выносливости с твердостью путем включения члена, связанного с площадью поперечного сечения, перпендикулярной нагрузке, занятой включениями. В зависимости от нагрузки, позиция включений может быть важной, и это учитывается. Таким образом, для включений близко к поверхности при вращающемся изгибе предложена эмпирическая связь между пределом выносливости и твердостью.

Эффекты этих инсайтов на разработку сталей для подшипников (SAE 52100 или 100Cr6) были очень важны. Следовательно, например, результаты, где особая значимость была приписыwana разным составам включений, могут быть переосмыслены. Результаты указывают на гораздо меньшую важность типа включения при анализе в соответствии с формализмом Мураками, как показано на рис. 9. Согласно результатам Мураками, крупнейшее включение, присутствующее в нагруженной зоне, отвечает за усталостный отказ. При высокой чистоте этих сталей классические методы оценки и количественной определения включений были довольно неэффективны в предсказании усталостного поведения, и экстремальная статистика была представлена как решение. В этом контексте Мураками разработал метод экстремальной статистики для количественной оценки включений.

Позже был разработан стандарт ASTM, в основном с учетом сообщества подшипников. С этим методом Мураками и соавторы смогли предсказать усталостные свойства на основе экстремальной статистики для включений. Также они показали, что когда популяция включений и их размер становятся исключительно малыми, как в сверхчистых электронно-лучевых (EB) расплавленных сталях, микроструктурные неоднородности (баинитные зоны) больше включений и действуют как ядра усталости. Важность включений в усталости остается предметом частого обсуждения, особенно в так называемой сверхвысокоциклической усталости.

Разработки, возглавляемые Мураками и соавторами по пониманию важности включений в усталости высокопрочной стали, также оказали глубокое влияние на инженерию включений пружинных и клапанных сталей. Резюмируя, при рассмотрении литературы об инициировании и распространении трещин в усталости, нужно учитывать размер и объемную долю включений. Инициирование трещины может происходить «в матрице» или быть связано со частицами второй фазы, в особенности включениями. Кажется, что для низкопрочных сталей нужен критический размер трещины, больший чем крупные включения, для возникновения усталости. Следовательно, включения играют менее важную роль в низкопрочных чистых сталях. С другой стороны, в высокопрочных сталях включения могут быть достаточно крупными и играть важную роль.

Условие границы включение-сталь также играет роль в усталостном ресурсе. С другой стороны, прочность границы включение-матрица считалась важным фактором в микроскопических явлениях, вовлеченных в усталостное трещинообразование. Шпристерсбах и соавторы, например, отмечали, что «классические» включения (оксиды, комплексные оксиды и сульфиды) легко декогезируют из-за низкой прочности границы включение-сталь.

Также различия в КТР могут способствовать разделению включение-матрица. Следовательно, классические включения можно считать ведущими себя как отверстия, как предложил Мураками. С другой стороны, нитрид титана, например, имеет сильную связь с матрицей, и граница нитрид титан-сталь не показывает разделения. Когда нитрид титана подвергается высоким напряжениям, он трескается, и трещины распространяются в матрицу. Следовательно, корреляция между размером нитрида титана и усталостным поведением может отличаться от наблюдаемой для «классических» включений.

Влияние на станочную обрабатываемость

Станочная обрабатываемость включает широкий диапазон параметров: образование щепей, износ режущего инструмента, поверхностные свойства обрабатываемой заготовки и экологические факторы. Обработку можно в основном описать как состоящую из двух процессов: разрушение металла и удаление металла для получения определенной формы или сверленных отверстий в конкретных местах заготовки.

Некоторые оксидные включения могут иметь положительный эффект на процесс образования щепей (который зависит от способности создать разрыв вдоль структуры), но могут иметь негативный эффект на износ режущего инструмента, который может перевесить начальный положительный эффект на образование щепей. Включения сульфида марганца также имеют благоприятный эффект на образование щепей, и благоприятный эффект высокого содержания серы на автоматных сталях давно сообщался, потому что включения сульфида марганца не вызывают износ режущего инструмента в той степени, как оксиды. Тщательное исследование эффекта разных типов включений на разные марки стали для разных применений указало, что разные марки стали имеют различные включения с очень разными характеристиками. Следовательно, эти характеристики должны быть оптимизированы для каждой группы марок стали для улучшения станочной обрабатываемости стали без существенного снижения их механических свойств.

Возможно, одно из свойств, наиболее традиционно связанных с включениями — станочная обрабатываемость. Эффекты сульфидов хорошо известны, и проектирование этих включений для станочной обрабатываемости было довольно успешным. Вычислительная термодинамика использовалась для проектирования сталей с хорошей станочной обрабатываемостью путем подгонки сульфидов для замены свинцовых «металлических включений». Свинец в стали представляет важные риски для здоровья при сталеплавке и имеет значительное экологическое воздействие. В настоящее время автомобильная промышленность определяет минимальное содержание серы для нересульфуризированных сталей для улучшения их станочной обрабатываемости. Это создало интересный вызов для производителей прутов, которым нужно адаптировать свои процессы для предотвращения закупорки штуцера использованием кальция при наличии серы в диапазоне 0,02%. Необходим строгий процессный контроль в этом случае.

Влияние на нуклеацию феррита

Включения могут играть важную роль в фазовых превращениях. Они также играют критическую роль в нуклеации тонкого игольчатого феррита в сварочном металле. Эта микроструктура важна для достижения удовлетворительных механических свойств при низкоуглеродистых составах без горячей/контролируемой деформации. Состав сварочного металла подгоняют для выпадения адекватных ядер для игольчатого феррита. Некоторые факторы, считающиеся релевантными для включения как ядра для игольчатого феррита: кристаллическая структура, различия в КТР и обеднение стабилизирующими аустенит элементами (марганцем) вокруг включений. Последнее — наиболее предпочитаемое объяснение, за которым следуют напряжения, генерируемые различиями в КТР между включением и аустенитной матрицей. Это приобретает особую актуальность с перспективой тонкоплитной заливки, где степень горячей/контролируемой деформации, которая может быть выполнена для рафинирования аустенитного зерна, очень ограничена.

Одним из первых и более ясных in situ наблюдений процесса нуклеации было сделано Сугиямой и Сигэсато, которые подробно обсудили важность сульфида марганца для нуклеации феррита. Ли и соавторы экспериментально и расчетами из первых принципов показали, что оксиды циркония и титана способствуют зонам обеднения марганцем на границе включение-матрица, благоприятствуя нуклеации феррита. Также они показали, что сульфид марганца может нуклеироваться на оксиде циркония. В результате они продемонстрировали благоприятный эффект деоксидации цирконий-титаном в микролегированных сталях, способствующий более тонкому и равномерному распределению сульфида марганца и микроструктурам игольчатого феррита. Гронг и соавторы рассмотрели возможности производства «дисперсоидов» — включений с достаточно тонким размером и составом для влияния на нуклеацию при кристаллизации, а также нуклеацию феррита. Для достижения этого эти частицы, однако, должны формироваться более сложным способом, чем просто в результате классических реакций формирования включений.

Влияние на шероховатость поверхности

Хотя шероховатость поверхности можно считать вопросом станочной обрабатываемости, случай инструментальных сталей для пластиковых форм, например, представляет исключительные требования. Исследования показали, что и микроструктура, и чистота играют важную роль. Простые формы количественной оценки чистоты, однако, в общем не способны коррелировать с качеством полировки. Тип включения определенно играет роль в процессе, как в случае ЭСП (электрошлаковое переплавление) стали P20, например, было продемонстрировано, что типичная десульфуризация ЭСП вредна для шероховатости поверхности и инертное переплавление под атмосферой должно использоваться для предотвращения десульфуризации и обеспечения покрытия оксидных включений сульфидами для хорошей шероховатости поверхности. Сравнительные результаты ВЛП (вакуумно-дуговая переплавка) и так называемого ПЭСР (ЭСП под инертным газом) могут быть объяснены в свете этого наблюдения.

Влияние на коррозию

Два примера влияния включений на коррозионные свойства стали — важность включений для водородных отказов, таких как водородное трещинование (HIC), и на формирование точек коррозии (питтинга).

Включения и водородные отказы

Важность включений как ловушек и ядер для HIC признана по крайней мере с 1970-х. Важность синергетического эффекта сегрегации и включений, особенно сульфида марганца, также скоро была признана. Накаи и соавторы наблюдали, что контроль формы сульфидов имел высокое влияние на HIC. Они показали, что более высокий кислород в стали с типом I сульфидов (которые не имеют высокой пластичности) имеет лучшую стойкость к HIC, чем алюминий-деоксидинированная сталь с типом II сульфидов, которые удлиняются при прокате. Однако они предпочитали модификацию кальцием или церием сульфидов для обеспечения хороших свойств.

Также стало ясно, что простое снижение серы и контроль формы сульфидов недостаточно для обеспечения хорошей стойкости к HIC, так как распространение трещины контролируется сегрегацией. Следовательно, разработаны низкоуглеродистые и низкомарганцевистые стали, а также стратегии ускоренного охлаждения для продвижения меньшей сегрегации, особенно полосообразной, и более равномерной твердости в микроструктуре.

Взаимодействие сегрегации и кальциевой модификации продемонстрировано в исследовании, показанном, что в крупных сегрегатах нормальная кальциевая обработка может быть неэффективной для предотвращения формирования сульфида марганца. Таким образом, очень низкая сера и избегание сульфида марганца стали правилом для обеспечения хорошей стойкости к HIC. Однако включения продолжают играть важную роль в нуклеации трещин HIC. В очень чистых сталях показано, что сульфид марганца способствует водородному трещинованию. Изучая стойкость микролегированной стали API X120, Хуан и соавторы связали чистоту стали с сниженным эффектом водорода независимо от типа включения. Однако они не предоставили информацию о содержании серы в своей стали.

Джин и соавторы сообщили, что в кальциево-обработанной стали API X100 с 50 ppm серы оксиды вредны для водородной стойкости. Домицци и соавторы не смогли коррелировать длину сульфидов или содержание серы со стойкостью к HIC в сталях с серой 50–150 ppm. Они предлагают, что содержание серы и размер включений влияют на стойкость к водороду. Они указывают, что небольшое число сильно удлиненных включений может снизить стойкость к HIC так же, как большее число более коротких частиц. Они также подчеркивают актуальность полосообразности, которая в микролегированных сталях обычно ассоциируется с более высоким содержанием марганца.

Полосообразность также была показана критической для водородно-индуцированного отказа болтов AISI 4140 в подводных приложениях под катодной защитой. Ду и соавторы показали благоприятные эффекты генерации тонкой дисперсии оксидных и сульфидных включений через деоксидацию цирконий-титаном на стойкость к HIC по сравнению с обычной алюминиевой деоксидацией. В недавнем обзоре Охаэри и соавторы подтвердили, что включения в общем могут быть вредны для стойкости к водородной деградации, но подтвердили, что удлиненные включения, видимо, имеют более негативный эффект. Важность удлиненных сульфидов на степени водородного пузырения также продемонстрирована. Следовательно, форма, количество и тип включений играют важную роль в водородном трещиновании.

Возможное кластерирование включений, особенно зоны микроструктурной полосообразности, имеет синергетический эффект в продвижении проблем, связанных с водородом, и должно быть тщательно избегаемо. Дополнительно заметим, что Мураками продемонстрировал, что захват водорода включениями имеет значительный эффект на феномены сверхдолгоживущей усталости. Очевидно из вышеизложенного, что инженерия включений играет все более важную роль в проектировании водородостойких сталей.

Питтинг

Ранглен сообщил важность сульфида марганца как центров инициирования питтинга как в углеродистых, так и в нержавеющих сталях. Он предложил, что в углеродистых сталях атака начинается в матрице близко к сульфидному включению, которое благороднее матрицы, в то время как в нержавеющих сталях атака начинается в самом сульфидном включении. С развитием методов характеристики Райан и соавторы измерили присутствие хромобедненной области, окружающей сульфидные включения в нержавеющих сталях, и предложили, что эти области являются центрами инициирования. Однако они не предложили механизм формирования этих областей и не описали термическую историю своих образцов. Их результаты были оспорены измерениями Мэн и соавторов в различных сталях (включая оригинальный образец Райана).

Наблюдения Райана напоминают профили состава вокруг хромовых карбидов в сенсибилизированной нержавеющей стали. Хотя там существует ясное объяснение формирования хромобедненных областей в матрице вокруг карбидов при сенсибилизации, для матрицы, окружающей сульфидные включения, это не так. Недавно Уильямс и соавторы наблюдали слой железистого сульфида, окружающий сульфидные включения в нержавеющих сталях. Этот слой предпочтительно растворяется и начинает процесс питтинга. В своих заключениях они предложили, что инженерия включений может использоваться для контроля состава марганцево-железисто-хромовых сульфидов и предотвращения этого. Парк и Канг недавно пересматривали вопрос включений в нержавеющих сталях. Они обсудили процесс кристаллизации сульфидов, который может привести к ситуации, наблюдаемой Уильямсом.

Кажется ясным, что тонкие различия в химическом составе вокруг включений могут иметь первостепенное значение для питтинга нержавеющей стали. Настоящие результаты указывают, что вариации состава, вызванные при формировании сульфидов, могут играть очень важную роль. Лю и соавторы недавно продемонстрировали эффект кластеров альюмины на питтинг углеродистых сталей. Ма и соавторы показали анизотропное поведение питтинга, ассоциированное с включениями сульфида марганца. Следовательно, ясно, что включения, в частности сульфидные включения, имеют решающую роль в питтинге. Парк и Канг заметили, что присутствие оксидных включений также может играть важную роль в питтинге нержавеющих сталей.