ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 4, с. 79-87
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.15'24'28'-194:546.22:620.186.1
СПОСОБЫ ОПИСАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СУЛЬФИДОВ В ТОЛСТОЛИСТОВОЙ СТАЛИ
© 2004 г. А. Г. Глебов, Е. И. Кузько, Г. В. Пантелеев, М. А. Штремель
Московский институт стали и сплавов, 117936 Москва, Ленинский пр., д. 4 Поступила в редакцию 28.05.2003 г.; в окончательном варианте - 24.09.2003 г.
Для 21 плавки мартеновской стали с 0.008-0.022% S из металлографических измерений найдено кумулятивное распределение сульфидов крупнее 2 мкм: P(x) = P0x-(a + blogx). Оно не сводится ни к логарифмически нормальному (для которого а = 0), ни к распределению Парето (соответствующему b = 0). Каждый сульфид крупнее, чем 14-33 мкм, давал пятно серного отпечатка, диаметр которого превышает длину сульфида под ним вдвое и более. Трети пятен (наиболее крупных) соответствуют группы сульфидов. Из координат пятен вычислимы характеристики неоднородности размещения крупных сульфидов: макро- по толщине листа и мезо- их "отталкивания" и объединения в цепочки.
Пластичность и вязкость стали во многом зависят от количества и характера распределения сульфидов в прокате и поковках. Для прогноза свойств необходимо количественное описание не только общего объема включений, но и распределения частиц по размерам, и неоднородности их размещения в макро- и мезоструктуре. Для этого есть три метрологически разнородных источника информации: а) серый отпечаток от темплета в масштабе 1 : 1; б) классификация полей зрения на нетравленом шлифе по визуально опознаваемому баллу сульфидов (по шкалам ГОСТ 1778, при увеличении х100); в) гистограммы размеров включений сульфидов (измеряемые на анализаторах типа Квантимет при увеличениях до х1000).
В некоторых стандартах на металл балл остается сдаточный характеристикой (хотя корреляция нормируемых свойств с баллом доказана лишь в редких случаях). Но опознавание балла довольно субъективно и не документируемо, а оценка металла по совокупности баллов полей не всегда состоятельна статистически. Объективная же оценка поля зрения баллом - нерешенная пока задача распознавания образов (различная для включений разного типа). Так, наилучший из алгоритмов, опознавая балл строчечности сульфидов и силикатов в стали по 11-мерному критерию, ошибался на 15% полей [1].
Два других метода дают более объективный и документированный результат. Их информатив-
ность и взаимосвязи анализируются ниже по изменениям, выполненным для 35 плавок стали типа 30Н4МДФА.
МЕТОДИКА
Для 21 мартеновской плавки (группа М на рис. 2 и 6 и в табл. 1-3) технология была номинально одинаковая. Для остальных 14 плавок (группа М + В) полупродукт, выплавленный в той же мартеновской печи, подвергали дегазации в ковше и раскислению углеродом в вакууме, десульфурации специальным шлаком и затем легировали до заданного состава. В обеих группах окончательное раскисление было одинаково: в ковш последовательно давали алюминий (300 г/т) и мишметалл (1000 г/т). Но в варианте М сера оставалась в сульфиде МиБ (из-за угара степень усвоения редкоземельных элементов едва ли превышала 35%). В варианте М + В большинство включений -оксисульфиды церия (по данным микрозондового анализа).
Плавки группы М разливались в слитки массой 14 т, разные плавки группы М + В - в слитки массой от 11.5 до 25.5 т. При прокатке в лист толщиной 70 мм 14-тонный слиток получал суммарное утонение 11 при уширении 2. Утонение других слитков было от 7.5 до 11.
На середине ширины и толщины вырезали компактные образцы на внецентренное растяже-
Таблица 1. Диапазоны содержания примесей и суммарной плотности частиц
Способ выплавки [S], 10-3 % [O], 10-3 % vs, 10-3 % P0, шт/мм2 Q0, шт/мм2
M 8-22 3-11 28-96 25-80 1.7-3.0
M + B 2-10 3-7 14-46 13-41 0.9-2.9
Рис. 1. Разрезка образца после испытания на внецентренное растяжение:
1 - половина образца; 2 - излом (фрактография); 3 - нетравленый шлиф (неметаллические включения в продольном сечении); 4 - пробы на химический анализ (8, Р, К, О); 5 - темплет (серный отпечаток, макротравление - продольное сечение); 6 - травленый шлиф (микроструктура в поперечном сечении).
ние по ГОСТ 25.506-85 толщиной 25 мм. Чтобы оценивать наихудшую вязкость, место в листе выбрано в нижней, наиболее загрязненной части слитка, а образец имел "ориентировку 8-Ь": разрушение шло по срединной плоскости листа вдоль его длины.
На продольной боковой поверхности образца (в направлении прокатки) после определения вязкости разрушения К1с делался серный отпечаток по Бауману [2], край которого находился на оси листа. Отпечаток отображал распределение сульфидов на 75-86% толщины листа (исключая подповерхностный слой). Из этого же образца вырезали пробу для химического анализа на серу и кислород.
Параллельно темплету для серного отпечатка (по схеме рис. 1 - на расстоянии 8 мм) делался шлиф. На нем на полях общей площадью 160 мм2 анализатором Квантимет при увеличении х1000 определяли объемную долю сульфидов V, (по суммарной площади частиц) и измеряли количество частиц сульфидов, классифицируя их по наибольшему размеру в 5 групп: сС = 2-4 мкм; 4-8 мкм;
8-16 мкм; 16-32 мкм; >32 мкм. На каждом шлифе измерено (2-12) х 103 частиц и определены кумулятивные значения плотности частиц (штук на мм2): Р0 - все частицы крупнее С0 = 2 мкм, Р1 - крупнее 4 мкм, Р2 - крупнее 8 мкм, Р3 - крупнее 16 мкм, Р4 - крупнее 32 мкм. Из этих данных находили кумулятивную плотность распределения р(х), где х = = С/С0 - безразмерная величина частиц, а р(хк) = = Рк/Р0 - доля частиц крупнее хк.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА СУЛЬФИДОВ
На рис. 2 для каждой плавки показано содержание кислорода [О], серы [8], плотность сульфидов Р0 и их объемная доля V,. Диапазоны их изменения приведены в табл. 1. Внутри каждой группы плавки выстроены на рис. 2а-2е и рис. 6а-6д в одном и том же порядке - по убывающей концентрации серы.
Для зависимости объемной доли сульфидов V, (об. %) - от содержания серы [Б] (мас. %) в 35 плавках (рис. 3 а) метод наименьших квадратов дал линейное соотношение vs ~ (3.4 ± 0.3) [Б]. Это ниже, чем ^п8/[8] = 5.2, ожидаемое из сопоставления
Таблица 2. Параметры распределения размеров пятен серного отпечатка и соответствующих им сульфидов (Ь,
Способ выплавки Ь Рх Р2/Р1 е(4)/е<) мкм ¿5, мкм
М 0.17-0.31 0.18-0.37 1.9-3.3 0.19-0.46 14-33 60-163
О, % 0.012
0.010
0.008
0.006
0.004
0.002
0
(а)
Б, % 0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0
(б)
м
м + в
м
м + в
уМПБ, % 0.1210.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0
а 3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
(в)
м
м + в
(Д)
11
10
м
15 20 25
30
м + в
35
р0,
80 60 40 20 0
ь 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
шт/мм2
(г)
м
м + в
(е)
I
5 10
м
15 20
25 30
м + в
35
Рис. 2. Количество примесей и характеристики их распределения для 35 плавок стали (М - обычная плавка, М + В - с внепечным вакуумированием):
а - содержание кислорода; б - содержание серы; в - объемная доля сульфидов у^; г - плотность Р0 сульфидов крупнее 2 мкм; д, е - параметры распределения (3) сульфидов по размерам.
0
5
0
плотностей сульфида МпБ и железа [3]. Но и в крупносортовом прокате стали 38ХН3МФА семи разных способов выплавки при 0.003-0.014% Б измерения анализаторами "Квантимет" давали отношение уМпБ/[Б] = 1.35-3.67 (наименьшее значение 1.35 - для основной мартеновской стали с 0.011% Б) [3]. Как видно, содержание сульфидов
по металлографическим измерениям их площади оказывается существенно меньше, чем ожидается по содержанию серы. Помимо того, что анализаторы упускают частицы мельче 2 мкм, а иногда и оксисульфиды, причиной могут быть также систематические ошибки от настройки опознавания границ включений.
Таблица 3. Параметры пространственного распределения пятен серного отпечатка
Способ выплавки ^шах/^шт С1 С2 Сэ
м 1.1-2.9 1.09-1.34 1.05-1.16 1.05-1.12 1.74-1.92
м + В 1.4-2.6 1.06-1.19 1.03-1.13 1.02-1.10 1.85-2.01
МпБ, об.%
0.12 г
0.10 -
0.08 -
0.06 -
0.04
♦ $ ♦
0.02
0 0.005
Р0, шт/мм2
90 г
80 -
70 -
60 -
50 -
40 -
30
20 _ ♦
10 _ ♦ 1
(а)
или распределением Парето
р (х) = 0; при х < 1; р (х) = х~т; при х > 1.
♦ ♦♦♦
*
0.010 0.015
(б)
0.020 0.025 [Б], мас.%
♦ ♦
♦ ♦ ♦
♦ V ♦
♦
►
♦
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
МпБ, об.%
Рис. 3. Связь объемной доли сульфидов ^ с содержанием серы (а) и плотностью Р0 сульфидов крупнее 2 мкм (б).
Зависимость общей плотности Р0 включений от их объемной доли V (рис. 36) линейная. Это указывает на однотипность распределения р(х) сульфидов по размерам.
Распределение частиц по размерам часто аппроксимируют логарифмически нормальным
р(х) ~ ехр[-(1пх)2/(1пхд)2],
(1)
Так были распределены сульфиды в шарикоподшипниковой стали [4] в диапазоне размеров 20-120 мкм (х < 6). В нашем случае диапазон шире (х < 16) и отклонения и от (1), и от (2) были статистически значимы.
Для прогноза "выбросов" - редких больших значений х - распределение Парето либо "надставляют" выше некоторого порога хМ другой функцией [5], либо обрезают [6] (положив р(х) = 0 при х > хМ). И эту функцию, и сам порог хМ находят по "хвосту" наблюдаемого распределения р(х) -вблизи х ~ хм.
Для более гибкого представления р(х) во всем диапазоне наблюдений полагают показатель т в распределении (2) некоторой функцией т(а) от параметра а, распределение которого q(а) жестко связано с т(а). Такое мультифрактальное представление [7, 8] переходит в р(х) ~ х~т в пределах больших х и малых х, где достигаются предельные значения ттах и тт1п. К мультифрактальному распределению примеси в пространстве ведет, в частности, "бесконечное ветвление" дендритов, если при образовании ветвей любого порядка примесь делится между их осями и межосьями в неизменной пропорции [7].
Практически же для мультифрактального описания структур [8, 9] часто вычисляют множество значений некоторой функции от экспериментальных данных и задаваемого переменного параметра, после чего из линейных "хвостов" этой функции методом наименьших квадратов находят предельные значения ттах и тт1п. Недостаток в том, что значения построенной функ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.