Ответы на вопросы № 1-21 к экзамену по дисциплине "Термическая обработка сталей и сплавов" (Вредные примеси сталей и сплавов. Источник теплоты при вакуумно-дуговом переплаве), страница 2

Чем крупнее зерно, тем больше под нагрузкой концентрация напряжений у его границ и тем при меньшем напряжении σзг начнется разрушение по границе при том же содержании сг фосфора на ней. Поэтому в околошовной зоне сварки фосфор опаснее, чем в других областях, так как зерно в зоне вырастает при нагреве, а сегрегации образуются при медленном охлаждении.

4. Вредное влияние фосфора заключается в зернограничной хрупкости, но в сталях разных классов оно проявляется при различных обстоятельствах:

а) в сравнительно мягкой низкоуглеродистой стали – в охрупчивании зоны сварки, а также в усилении хладноломкости. В этом случае физический предел текучести достигает уровня σт(Т) = σзг после достаточного охлаждения. Хладноломкость из-за сегрегации фосфора отличается от «классической» тем, что излом является зернограничным в отличие от скола по объему зерна;

б) улучшаемые среднеуглеродистые стали средней прочности (типа конструкционной 38ХН3МФА или штамповой 4ХНМ) охрупчиваются после высокого отпуска (600–650оС), пока изделие медленно остывает в интервале 550–450 оС (выступ с-образной диаграммы сегрегации). Эта отпускная хрупкость наиболее опасна в крупных изделиях (роторы турбин и генераторов, валки, штампы), сердцевину которых невозможно охладить быстро.

Поскольку необходимое напряжение σзг достигается лишь после пластической деформации (иногда довольно большой), работа разрушения (в частности, ударная вязкость) понижается по мере сегрегации фосфора постепенно. Постепенно смещается вверх и порог хладноломкости;

в) тепловая хрупкость наступает, когда сталь (типа 12Х1М1Ф) работает годами при тех же температурах охрупчивания (в частности, трубы паропроводов электростанций и нефтеперегонной аппаратуры);

г) зернограничную хрупкость высокоуглеродистой и высокопрочной стали (для режущего инструмента, пружинной проволоки) вызывает сегрегация фосфора еще в аустените (предел текучести σт высокий, и, если σзг< σт , зернограничное разрушение произойдет без наступления пластической деформации);

д) в агрессивных средах (газопроводы для транспортировки газа, содержащего сероводород; высокопрочные болты в промышленной атмосфере) фосфор на границах усиливает водородное охрупчивание.

Предельно необходимое содержание фосфора во всех этих случаях не достигнуто и неясно, существует ли вообще. Нормы же обоснованы лишь экономически как компромисс между сегодняшними возможностями выплавки и эффектом, полученным при эксплуатации. Предел достигнутого в мировом крупнотоннажном производстве для перечисленных категорий стали примерно такой:

– в трубных сталях для магистральных газопроводов (типа 13ГФА, 10Г2НМФБ, 37ГФБЮ) за норму приняли ≤ 0,008 % Р. С ростом содержания фосфора от 0,012 % до 0,020 % их ударная вязкость KCV–60 падала с 2,0 до 1,45МДж/м2. Когда в подобной стали 07Г2ФБ было 0,012 % Р, излом в крупнозернистой околошовной зоне был зернограничный.

В аустенитных нержавеющих сталях (типа Х18Н9) фосфор охрупчивает границы в околошовной зоне, нагретой до 750 оС. Для хорошей свариваемости необходимо, чтобы сумма [P] + [S] < 0,02…0,035 %. После достижения температуры 750 оС ударная вязкость KCU–196 (при температуре жидкого азота) с увеличением содержания фосфора с 0,02 до 0,09 % понизилась в 10 раз;

– если у стали 54Г2 с 0,010 % Р после выдержки в течение 5 суток при 500 оС ударная вязкость упала на 12 %, то при 0,025 % Р – на 50 %. После 15 суток нагрева в интервале отпускной хрупкости стали 25Х2МФ порог хладноломкости Т50 при 0,006 % и 0,040 % Р отличался на 40 оС;

– в теплостойкой стали обычно < 0,010 % Р;

– кордную проволоку, в частности, «пружинящий каркас» для шин, выпускали с ≤ 0,007 % Р;

– в трубной стали для работы в среде сероводорода и при температуре - 60 оС нормировали 0,005 % Р. Сталь для криогенной техники 06Н9 выплавляли в конвертерах из дефосфорированного чугуна с 0,015 % Р, получая 0,003 % Р