lecture-20-2 (1033145), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Для сравнения на рис. 10 представлен график зависимости количества атомов трития от глубины травления на рабочей поверхности резца, который показывает,

Рис.10. Зависимость концентрации атомов трития от глубины травления на рабочей поверхности резца

что концентрация трития в зоне трения превышает его фоновую концентрацию в базовой области на 37%, Полученные результаты подтверждают излагаемую концепцию о генерации водорода и его изотопов при трении с последующим их растворением в материалах пары трения. Описанные выше результаты наводораживания стальных образцов, при таких «слабых» процессах, как трение в вакууме или даже резание стальных заготовок, специалистам [8] и металлургам могут показаться мало значимыми по интенсивности своего влияния при сравнении с такими масштабными процессами металлообработки как плавка и разливка стали, прокатка слябов и стального листа из них.

Результаты исследования процесса листопрокатки

Исследованиями процесса листопрокатки на МК «Азовсталь» Е.И Иконниковой (Буровой) [9,10] было показано, что факторами, определяющими склонность к об­разованию микрорасслоения, являются гомогенность структуры и степень чистоты по неметаллическим включениям, а наиболь­шее влияние на образование дефектов оказывают форма и твердость плоских остроугольных включений, являющиеся концентраторами высоких внутренних напряже­ний

Листопрокатчикам хорошо известно, что спе­цифические условия кристаллизации непрерывнолитой стали имеет осевую химическую неоднородность, наследуемую листом, и влияющую на образование микро­трещин через количество, тип, морфологию и распределение струк­турных составляющих дефектов, видимых в микроскоп.

При этом, по классическим представлениям [8,11] исключением является водо­род, который диффундирует к структурным областям с повышенными внутренними напряжениями. Считается, что на внутренних граничных поверхностях сульфидных включений ато­мы водорода рекомбинируют в газ, создавая высокие давления, способное вызвать растрескивание даже при отсутствии внешних на­грузок. Считается, что у неметаллических включений с острыми ребрами теоретичес­кая концентрация напряжений в 1,5 раза больше, чем у сферических. Увеличение дисперсности и однородности структурных состав­ляющих повышает сопротивление охрупчиванию за счет большей равно­мерности пластической деформации и более равномерного распределения водорода по всему объему металла. Кроме этого известно, что с повышением температуры металла сульфидные включения способны растворяться, и в связи с этим они меняют свою морфологию. Для получения данных о трансформации неметал­лических включений в процессе прокатного передела (листов непрерывнолитой стали 09Г2С) в упомянутой работе [9] было проведено исследование влияния несплошностей, на образование микротрещин.

Химический состав исследованной стали приведён в табл. 4:

Табл.4. Химический состав стали прокатываемого листа

Пятый по счёту эксперимент[10] проводился в рамках одной плавки кислородно-конвертерного цеха "Азовсталь" и состоял в том, что первая часть слябов прокатанных на стане "3000" предварительно на­гревалась до 1150°С в течение 2 час. 40 мин., вторая часть- 3 час. 55мин. , третья-, прокатанная на стане "3600" нагревалась до 1250°С в течение 4 час. 45 мин. Исследование микро расслоений проводилось на листах толщиной 11-25 мм, прошедших прокатку на станах «3000» и «3600» комбинатов им. Ильича и "Азовсталь".

Для определения влияния температур нагрева на морфоло­гию сульфидных включений и на качество получаемого листа образцы, вырезанные из осевой зоны дефектных листов, (прогретые до 1100°С и 1250°С ) охлаждались на воздухе.

Из полученных картин структуры, рис.11.12,13, видно, что изменение формы включений от пластинчатой (рис.11), к глобулярной (рис. 13), приводит к изменению характера раз­рушения образцов (полученных путём расщепления) при неизменном содержании серы в стали. Результаты микрофрактографических исследований на просвечивающем и растровом электронных микроскопах позволяют увидеть различия в морфологии сульфидных включений. В исходном образ­це вырезанном из осевой зоны дефектного листа, сульфидные включе­ния имеют преимущественно пластинчатую форму, рис. 10 вызывающую хрупкое разрушение. После на­грева до 1100°С эти пластины утончаются, рис. 12. Показано также, что нагрев до 1250°С приводит к образованию сульфидов глобулярной формы, рис. 13, что вызвано увеличением скорости диффузии молекул веществ, растворённых в обрабатываемом металле и его упрочнению, особенно, если принимать во внимание уменьшение градиента концентрации молекул растворённого водорода и исчезновение водородных пазух в зонах пластинчатых включений, являющихся причиной «водородной болезни» и стресс коррозии.

Проведённый одновременно ультразвуковой и металлографический контроль листов прогретых до 1150°С позволил, выявил большое количество микротрещин классифицируемых как микротрещины напряжений, возникающие у пластин, стимулирующих скопление атомов водорода.

Рис. 11 Лист (Азовсталь), сталь 10Г2ФБ ,Увеличение Х 3200 (Лист до нагрева)

Рис. 12. Тот же лист (Азовсталь) 10Г2ФБ после нагрева до 1100⁰ С, Увеличение Х 4000

Результаты представленных результатов микрофрактографических исследований на просвечивающем и растровом электронных микроскопах позволяют увидеть различия в морфологии сульфидных включений. В исходном образ­це вырезанном из осевой зоны дефектного листа, сульфидные включе­ния имеют преимущественно пластинчатую форму, рис. 10. После на­грева до 1100°С эти пластины утончаются, рис. 12. Показано также, что нагрев до 1250°С приводит к образованию сульфидов глобулярной формы, рис. 13, что вызвано увеличением скорости диффузии молекул веществ, растворённых в обрабатываемом металле и его упрочнению, особенно, если принимать во внимание уменьшение градиента концентрации молекул растворённого водорода и исчезновение водородных пазух, являющихся причиной «водородной болезни» и стресс коррозии.

Рис. 13. Лист, сталь 10Г2ФБ, после прогрева до 1000⁰С с последующим охлаждением на воздухе, увеличение Х 2100 (образец с индексом «Маг 142», архива ЦЗЛ предприятия АзовСталь )

Проведённое исследование формы включений [9,10] показало, что в большинстве слу­чаев в дефектных листах сульфиды имеют остроугольную пластинчатую форму, в то время как в бездефектных листах большая часть сульфидов имеет глобу­лярную и овальную форму, рис 12, которая отражает благоприятное качество металла, зависящее от использованных режи­мов прокатного передела. Было показано, большее количество дефектов выявляется при самой короткой выдержке(2 час. 40 мин,), что объясняется сохранением максимального градиента концентрации водорода у границ сульфидных включений. Извесно [11] что сульфиды являются косвенной причиной водородного «заболевания» и растрескивания металла листа. В работе. [10] было показано что. процесс диффузии атомов водорода от их скоплений (являющихся ограниченным источником диффузии), ведущий к уменьшению градиента концентрации водорода у микро границ сульфидных включений, не всегда успевает реализовываться полностью, т.к. это зависит от тепловых режимов прокатки.. Так, в листах, прогретых до 1250°С было обнаружено незначительное количество единичных микротрещин, из-за наличия структурных составляющих промежуточного превращения повышенной твердости, что связанно с меньшим водородным охрупчиванием матрицы.

Указанный процесс диффузии атомов из ограниченного источника водорода или его изотопов, дающий резкое снижение (на 1-1,5порядка) концентрации атомов водорода по сравнению с концентрацией атомов водорода у «источника» на примере дейтерия был проверен и доказан авторами с участием к.т.н.Коновалова В.В [12] экспериментально, рис.14. .Этот рисунок показывает, что в зоне у поверхности включения, являющейся источником атомов водорода с исходной концентрацией С_0Н = 10²² (график d1 в нулевой области, слева) после теплового воздействия водород, двигающийся от поверхности слева в толщу металла перераспределяется в этой толще, со снижением концентрации до уровня

С_0Н = 10¹⁸ и меньше, что характеризует упрочнение металла (листа, в случае листопрокатки) что совпадает с заключением Иконниковой [10] .

Одной из задач данной публикации является доказательство того, что даже 5-10 минутный процесс трения (при прокатке листа) является причиной наводораживания и, охрупчивания, т.е. начала разрушения листа и валков прокатных станов. «Очевидное» отсутствие источников водорода в этом процессе, как и высокие температуры не является убедительными аргументами для излагаемой концепции, т.к. валки постоянно охлаждаются водой, а для процесса наводораживания достаточно наличие одного (!) монослоя водорода, из диссоциировавших молекул воды на нагретых поверхностях валков и листов.

Д ля определения коэффициента заполнения поверхностей пар трения атомами водорода в первом моно молекулярном слое воспользуемся уравнением, полученном [1] специально для пар трения :

(2)

Где:

V – скорость скольжения (валка по листу); L – среднее расстояние между вершинами микронеровностей, t₀ – постоянная времени, связанная с периодом колебаний атомов на поверхности,с; Е_a – энергия десорбции, Дж/м2; Т_f – максимальная температура («вспышки») поверхности, вышедшей из контакта , К; Та – средняя температура перед новым контактированием на нано уровне, К; a - коэффициент прилипания; k – постоянная Больцмана; d₀ – диаметр молекулы сорбата; m – масса молекулы сорбата, (водорода)кг ,R – универсальная газовая постоянная;

По представленным в работе [12] экспериментально полученным результатам, эта величина составляет 0.35 , т.е. около одной трети сплошного монослоя , состоящего из молекул водорода (в работе даны данные по дейтерию) и покрывающего поверхности , участвующие в трении. Объёмная концентрация этих молекул водорода (или его изотопов)на поверхностях составляет С_0Н = 10²³ ат/см³ Вспомним, что обычная концентрация атомов водорода в толще металла валков или прокатываемых листов имеет величину С_Н = 10¹⁷ - 10¹⁹ ат/см³ т.е. на 5-8 порядков меньше. Из этого соотношения следует, что атомы водорода интенсивно диффундирующие в толщу металла листа (валков) и, накапливаясь в приповерхностной зоне, стимулируют начало её «водородного заболевания» и разрушения.

Так, результаты простых физических расчётов, выполненные по формуле (1) и представленные на рис.15 показывают, что после 5-10 минутного процесса прокатки ( и длительности процесса диффузии атомов водорода) при разных температурах функции распределения концентрации атомов водорода дают значения увеличенной в 200-300 раз концентрации водорода, являющиеся причиной приповерхностного растрескивания как валков, так и обрабатываемого листа на глубинах до 3,5 мм

Рис.15 Диаграммы распределения концентраций водорода у поверхности листа из стали 09Г2С

Характеристики

Список файлов лекций