Структура литой и деформированной колесной стали марки 2

 

       Национальный  Исследовательский  Технологический  Университет «МИСиС» 
 
 
 

       Кафедра физического материаловедения 
 
 
 

       Курсовая  Научно-Исследовательская  Работа

«Структура  литой и деформированной  колесной стали марки 2» 
 
 

       Выполнил: Сонц А.В.

       Группа: МФ-06-1 

       Научный руководитель:

       доц., к.т.н. О.А.Ушакова 
 
 
 

Москва, 2011 

       Содержание: 

1. Задание на КНИР;
2. Постанова задачи исследования;
3. Материалы и приборы;
4. Структура литой и деформированной стали;
5. Неметаллические включения в литой и деформируемой колесной стали марки 2;
6. Выводы;
7. Планы дальнейшей работы;
8. Список литературы.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задание на КНИР.

       1.Составить  обзор литературы по структуре  и свойствам колесной стали  марки 2 в литом и деформированном  состоянии

       2.Освоить  методики приготовления шлифа  для выявления неметаллических включений и наблюдения структуры

       3.Освоить  методы количественной оценки  неметаллических включений (программа  IMAGE EXPERT). 

 

        Постановка задачи.

       Ежегодное производство стали для колесных пар в России исчисляется сотнями тысяч тонн. Качество таких ответственных изделий влияет не только на экономическую эффективность перевозок, но и на безопасность. Требования по механическим свойствам и методы оценки качества стали определяются условиями эксплуатации колес. Механические свойства колесной стали определяются ее структурным состоянием. Существует несколько структурных факторов, определяющих качество колесной стали. Среди них следует выделить неметаллические включения [1, 2], поскольку их наличие может перечеркнуть все усилия, затраченные на разработку состава стали, технологии производства стали и обработки колес.

       Распределение неметаллических включений в литой стали, их химический состав, механические и физические свойства оказывают существенное влияние на результат пластической деформации при производстве колес, а именно на структуру и текстуру материала изделия, а также на свойства.

       Изучение и систематизация факторов, ответственных за формирование структуры и свойств стали, служащей для изготовления колес, является важной задачей, поскольку позволяет оптимизировать составы и параметры термической обработки для улучшения свойств.

       Поэтому целью настоящей работы является систематизация и количественное описание включений в литой и деформированной колесной стали. 
 
 
 
 
 
 

 

        Материалы и приборы. 

       Для оценки количества неметаллических включений колесной стали марки 2 использовалась выплавка № 6195 партии 101180 Выксунского Металлургического Завода (ВМЗ). Основным методом ислледования является оптическая микроскопия.

       Подсчет неметаллических включений проводили на оптическом микроскопе Zeiss при увеличении х200 при помощи программы обработки изображения ImageExpert Pro 3.5 фирмы Nexsys.

       Микроструктуру стали выявляли травлением образцов 4% раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе Zeiss.

       Химический состав стали приведен в таблице 1.

       Таблица 1

       Химический  состав выплавки №6195

       *остальное - Fe 

       По  ГОСТ 10791-2004  химический состав марок колесной железнодорожной стали стали следующие:

Таблица 2

       *остальное - Fe 

       Результаты исследования. 

       Структура литой и деформированной колесной стали марки 2.

       Металл образца находится в нормализованном состоянии. В стали присутствуют 2 фазы – пластинчатый перлит, а также феррит, выделившийся по границам зерен перлита.

       С помощью оптического микроскопа были получены следующие снимки:

       

         Рис. 1 – Микроструктура колесной стали марки 2.  

       На неметаллическое включение при формировании железнодорожного колеса действуют нормальнее сжимающие напряжения от давления деформирующего инструмента, передающиеся через стальную матрицу, продольные сдвиговые напряжения, возникающие в матрице при ее течении, а также напряжения трения на поверхности раздела включение-матрица [1-3]. Поскольку формирование колеса проходит в несколько стадий обработки давлением, отличающихся схемами деформации, изменяется и схема напряженного состояния вблизи неметаллического включения. В первую очередь это связано с общими схемами главных деформаций и главных напряжений [6]. Соотношения между величинами напряжений в разных схемах различны. Пластичность и сопротивление деформации включений зависят от схемы главных деформаций, которые определяют характер перераспределения недеформируемых включений в пластичной матрице и изменения формы пластичных включений в процессе деформирования. Главным образом включения перераспределяются с образованием строчек в направлении положительных деформаций [1-3]. Очевидно, что на разных стадиях пластического формирования колеса, отличающихся не только способом деформации, но и температурой, скоростью и степенью деформации, а также величиной деформирующих усилий, пластичные неметаллические включения проявляют различную пластичность, а хрупкие включения изменяют склонность к разрушению и характер перераспределения в стальной матрице.

       Основными видами неметаллических включений, присутствующих в колесной стали, являются оксиды (FеО, МnО, Аl₂O₃, ТiO, FеО-МnО, ТiO₂, шпинели FеО*Аl₂O₃, МnО-Аl₂O₃,); силикаты (FеО*SiO₂, МnО*SiO₂); сульфиды (FеS, МnS, ТiS,), карбонитрид ТiCN [3]. Следует отметить, что многие из перечисленных неметаллических включений представляют собой твердые растворы, например (Fе,Мn)O, (Fе,Мn)О*Аl₂O₃, (Fе, Мn)S, TiCN. Кроме того, существуют двух- или многофазные частицы, которые образуются, если включение, появившееся первым, служит подложкой для кристаллизации новой неметаллической фазы в виде сплошной или прерывистой оболочки. Например, оксидная фаза Аl₂О₃ в сульфидной оболочке (Fе,Мn)S или включение, состоящее из силикатной фазы МnO*SiO₂, в которой распределены оксиды МnО*Аl₂O₃. Сульфидные, оксидные, окси-сульфидные, сульфосиликатные и некоторые силикатные эвтектические включения имеют эндогенное происхождение. Эвтектические включения экзогенного происхождения, как правило, являются частицами шлаков, подавшими в сталь при выплавке, разливке и затвердевании и представляют собой силикатные эвтектики сложного состава.

       Поведение включений при обработке стали давлением, в частности, их пластичность, определяется многими факторами, такими как температура их плавления или размягчения, способ деформации стали, температура и степень деформации, соотношение физико-механических свойств включения и матрицы, которое также определяется температурой и т. д [1,3]. Сопротивление деформации включений и матрицы в зависимости от температуры изменяется в разной степени. У сульфидов сопротивление деформации снижается медленнее, чем у стали, и поэтому при высоких температурах деформация сульфидов по сравнению с деформацией матрицы уменьшается. Напротив, сопротивление деформации силикатных включений падает с повышением температуры быстрее, чем у матрицы, и поэтому пластичность силикатных включений сравнительно мала при низких температурах и велика при высоких температурах деформации.

       В данной работе необходимо исследование следующих неметаллических включений в литом состоянии, а также при горячей деформации колесной стали: шпинелей MnО*Аl₂O₃, FеО*Аl₂О₃, оксидов А1₂О₃, SiO₂, (Fе, Мn)O, FeO, TiO, TiO₂, силикатов MnO*SiO₂, FeO*SiO₂, сульфидов FeS, (Fе, Мn)S, карбонитрида TiCN, двухфазных включений оксид (шпинель)-сульфид (силикат).

       При горячей прокатке в интервале температур 1250 - 900° включения большинства оксидов и шпинелей пластически не деформируются и располагаются в виде строчек в направлении прокатки. Часть таких включений хрупко разрушается. Осколки включений располагаются в строчки как самостоятельные включения. Вследствие течения стали при деформации осколки включений поворачиваются вдоль оси прокатки, острые края осколков при этом сглаживаются в результате сил трения на поверхности раздела. Некоторые включения окиси железа проявляют слабую пластичность. По-видимому, это происходит на конечных этапах деформации при температурах 900°С и ниже, так как окись железа увеличивает пластичность при понижении температуры [4] .

       Силикаты ведут себя как пластичная фаза в стали (рис. 1). Встречаются отдельные включения, несколько включений одно за другим в виде строчки в направлении прокатки и идущие параллельно несколько строчек. Иногда силикаты, после пластического удлинения включения на последних стадиях деформации, разрушались, что связано с резким падением их пластичности [1-3]. Пластичные силикатные включения, простираясь на значительные расстояния, нарушают сплошность матрицы, способствуют анизотропии свойств колесной стали.

       

       Рис. 1 – силикат после деформации. 

       Пластичность железо-марганцевых сульфидов при горячей деформации различна и связана с различным соотношением в них марганца и железа [1-3].

       Оксиды титана и карбонитрид титана, пластически не деформируются, разрушаются, а осколки включений выстраиваются в цепочки вдоль направления деформации. Двухфазные включения, состоящие из оксидов и карбонитрида титана в разных сочетаниях и соотношениях, при прокатке не деформируются. Наблюдается разрушение через фазы, либо вдоль раздела фаз во включении.

       Двухфазные включения, состоящие из силиката (сульфида) и оксида или шпинели, проявляют неоднородную пластичность. Силикатная или сульфидная фаза хорошо деформируется, вытягиваясь в направлении деформации (рис.2), а корунд или шпинель, находясь в пластичной силикатной или сульфидной матрице, не деформируется, но и не разрушается, как было в случае однофазных включение.  
 

       

       Рис. 2 – двухфазное включение после деформации.

       Возможно разрушение силикатной фазы на последних стадиях прокатки. Иногда включения разрушались по границе раздела фаз. Многофазные шлаковые включения проявляют неоднородную пластичность в зависимости от природы фаз. Эти включения представляют мобой частицы оксидов или шинелей, заключенные в силикатную или алюмо-силикатную матрицу, которая пластически деформируется совместно с металлической матрицей стали, а частицы оксидов и шпинелей не дефорормируются, поворачиваются в силикатной матрице в направлении её течения. Частицы, разрушенных огнеупоров, попавшие в сталь при выплавке, в процессе горячей процессе горячей прокатки хрупко разрушаются.

       Следует отметить, что закономерности развития процессов пластической деформации, рекристаллизации, ползучести во включениях те же, что и в металлах или металлических сплавах при учете гомологических температур [3]. Затрудненность развития пластической деформации в тугоплавких аключениях обусловлена расположением атомов неметалла в промежутках между слоями атомов металла, что препятствует легкому скольжению; склонностью атомов неметалла располагаться на дислокациях и границах зерен и субзерен; отклонениями от стехиометрии, порождающими различные искажения в решетке; возможностью образования направленного характера межатомных связей. Относительно низкая подвижность дислокаций во включениях, по сравнению с металлами, обусловлена особенностями строения в фазах внедрения ядер дислокаций и ограничениями при движении последних, связанными с работой против электростатических сил и разрывом сил связи металл-неметалл, требованиями синхронности сдвига по отношению к разноименным атомам [5].