Для чего в сталь добавляют медь

Обновлено: 19.05.2024

На сегодняшний день сталеплавильные заводы могут выплавлять сотни марок сталей. Есть четыре основных параметра для их классификации:

По назначению стали могут быть конструкционными, инструментальными или специальными. Первые используют для изготовления деталей машин или элементов строительных конструкций; инструментальные оптимальны для изготовления мерительного, режущего или штампового инструмента; специальные востребованы для получения жаропрочных, коррозионностойких и прочих изделий с особыми характеристиками.
По качеству различают стали обыкновенные, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Чем выше качество, тем меньше в стали вредных примесей, ухудшающих ее свойства.
По степени раскисления стали бывают кипящими, полуспокойными и спокойными. Такое деление тоже связано с количеством вредных примесей. В первую очередь – кислорода.
По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. У первых механические свойства напрямую зависят от количества содержащегося в них углерода, у вторых – от наличия и содержания легирующих элементов.

Характеристики сталей формируются в процессе их выплавки

Какие элементы могут входить в состав сталей

Элементы, которые входят в состав сталей, можно разбить на три группы:

К первой относятся основные элементы, которые обязательно присутствуют во всех сталях: железо и углерод.
Ко второй – примеси. Их в свою очередь можно разделить еще на три группы:

Фосфор, сера, кремний и марганец по-разному влияют на свойства сталей, но всегда есть в небольших количествах, поэтому их относят к постоянным.
Кислород, водород и азот тоже есть во всех сталях, но все они нежелательны и отрицательно влияют на свойства. Их относят к скрытым.
Мышьяк, медь, цинк, свинец, олово и ряд других элементов встречаются не в каждой марке стали. Их присутствие – особенность месторождений, где добывают руду. Такие примеси считают случайными.

К третьей группе относят легирующие элементы: хром, ванадий, молибден, вольфрам и прочие. Их целенаправленно добавляют в стали для получения нужных свойств.

Как различные химические элементы влияют на свойства сталей

Химические элементы по-разному влияют на механические свойства сталей:

Основные элементы:

Углерод (С) оказывает прямое влияние на способность стали сопротивляться деформации. При увеличении его содержания возрастают твердость, прочность и упругость, но одновременно снижаются свариваемость, обрабатываемость и вязкость.

Примеси:

Фосфор (Р) оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость, обрабатываемость и прочность сталей, но ухудшает их вязкость, пластичность и повышает хрупкость при низких температурах.
Сера (S) улучшает обрабатываемость сталей резанием, но повышает их хрупкость при высоких температурах, снижает коррозионную стойкость, пластичность, истираемость, свариваемость и сопротивление усталости.
Кремний (Si) способствует повышению прочности, упругости, окалиностойкости, кислотостойкости, твердости и электросопротивления, но при содержании более 2 % делает их хрупкими при высоких температурах.
Кислород (О₂) снижает вязкость и пластичность сталей.
Марганец (Mn) считается полезной примесью: он нейтрализует вредное влияние на свойства сталей серы и кислорода. Кроме того, этот элемент повышает прочность, твердость, износоустойчивость и стойкость к ударным нагрузкам.
Водород (Н₂) увеличивает хрупкость сталей.
Азот (N₂) оказывает такое же вредное влияние на свойства сталей, как и кислород: снижает их вязкость и пластичность.
Медь (Cu) улучшает пластичность и коррозионную стойкость.
Свинец (Pb) улучшает обрабатываемость.
Цинк (Zn) повышает коррозионную стойкость сталей.
Олово (Sn) снижает пластичность и повышает хрупкость сталей.
Мышьяк повышает коррозионную стойкость, но незначительно снижает их пластичность.

Прочность и долговечность зависят от механических свойств металлопроката, которые задаются химическим составом сталей

Легирующие элементы:

Хром (Cr) увеличивает твердость, коррозионную стойкость, ударную вязкость, истираемость, жаростойкость, улучшает режущие свойства сталей, но одновременно ухудшает их теплопроводность и пластичность.
Ванадий (V) способствует росту прочности и твердости, улучшению их свариваемости.
Молибден (Мо) улучшает антикоррозионные свойства сталей, их прочность, твердость, устойчивость к ударным нагрузкам, упругость, окалиностойкость, но ухудшает свариваемость.
Вольфрам (W) увеличивает твердость, сопротивление истираемости, антикоррозионные свойства, но, как и молибден или ванадий, ухудшает свариваемость.
Ниобий (Nb) положительно влияет на коррозионную стойкость и кислотостойкость сталей.
(Ti) увеличивает пластичность, прочность, антикоррозионные свойства сталей, улучшает их обрабатываемость.
Никель (Ni) способствует увеличению упругости, прочности, коррозионной стойкости, улучшает ковкость сталей, но снижает их теплопроводность.
Кобальт (Co) положительно влияет на показатели жаропрочности, их сопротивляемость ударным нагрузкам и магнитные свойства.
Алюминий (Al) считается хорошим раскислителем. Он способствует повышению прочности, твердости, окалиностойкости и жаростойкости сталей.
Церий (Се) положительно влияет на показатели пластичности и прочности.
Неодим (Nd) уменьшает количество серы в сталях и снижает ее вредное влияние на свойства, уменьшает пористость, улучшает качество поверхности. Аналогичное влияние на характеристики сталей оказывают лантан (La) и цезий (Cs).

Заключение

Химические элементы могут ухудшать или улучшать отдельные характеристики сталей. Часть из них неизбежно оказывается в их составе, другие добавляют целенаправленно. От правильно подобранного баланса и зависят конечные свойства сталей.

Медистая сталь

Медистая сталь это сталь, легированная, наряду с др. хим. элементами, медью. Используется с конца 19 в. Различают медистую сталь конструкционную и с особыми физ. и хим. св-вами (нержавеющую сталь, коррозионно-стойкую сталь).

Что такое медистая сталь

Медь расширяет гамма-область, смещает эвтектоидную точку на диаграмме состояния железо — углерод к более низким содержаниям углерода, повышает прочность и текучесть феррита, способствует графитизации, снижает критическую скорость закалки. С понижением т-ры растворимость меди в альфа-железе уменьшается.

Если меди содержится более 0,3%, после закалки и отпуска при т-ре 400— 600° С в стали происходит дисперсионное твердение. Предельное упрочнение наблюдается, если в стали содержится более 1,0—1,5% Сu.

Свойства стали

При выплавке стали медь не окисляется, что неизбежно приводит к увеличению ее содержания. Влияние меди (более 0,2%) на сопротивление атмосферной коррозии возрастает при совместном легировании сталей марганцем, хромом, кремнием, а также фосфором.

Горячее деформирование углеродистых медистая сталь часто приводит к образованию поверхностных трещин.

Никель в таком же количестве, как и медь, устраняет образование трещин. Низколегированные низкоуглеродистые (строительные).

Медистая сталь отличаются высоким пределом текучести, стойкостью к атмосферной коррозии, хорошими свариваемостью, полируемостью и сцеплением с лакокрасочными покрытиями, высокой ударной вязкостью при низкой т-ре и теплостойкостью.

Влияние на сталь добавления меди

При толщине проката до 32 мм у стали марки 15ХСНД, содержащей 0,12—0,18% С и 0,2— 0,4% Сu, в состоянии поставки (без термообработки) предел текучести > 35 кгс/мм 2 , предел прочности на растяжение > 50 кгс/мм2, удлинение >21%, ее ударная вязкость при т-ре — 70° С равна > 3 кгс-м/см2.

После закалки и отпуска предел текучести М. с. > 50 кгс/мм 2 , предел прочности на растяжение > 60 кгс/мм 2 , удлинение > 17%, ударная вязкость при т-ре — 70° С 3 кгс-м/см 2 . В среднеуглеродистых низколегирован.

Медистая сталь (0,3—0,5% С) медь (0,4 — 1,5%) увеличивает сквозную прокаливаемость крупных поковок, а также повышает предел текучести после отпуска.

В высоколегированных нержавеющих и коррозионностойких медистых сплавов (аустенитного, ферритоаустенитного, мартенситного и мартенситоферритного классов).

Медь (0,8—3,5%) повышает сопротивление коррозии в определенных средах, понижает склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением, приводит к дисперсионному твердению.

Легирование медью аустенитных хромоникелевых сталей

Легирование медью аустенитных хромоникелевых сталей увеличивает коррозионную стойкость в растворах серной к-ты.

Особенно эффективно одновременное легирование медью и молибденом (сталь марок 06ХН28МДТ и 03ХН28МДТ). Сталь марки 03ХН28МДТ обладает повышенной стойкостью к ножевой и межкристаллитной коррозии.

Коррозионностойкая сталь марки Х15Н5Д2Т (1,75—2,5% Сu) упрочняется вследствие дисперсионного твердения при выделении меди.

У такой стали после закалки от т-ры 940—980° С (охлаждение на воздухе) и отпуска при т-ре 600 — 625° С предел прочности на растяжение > 90 кгс/мм 2 , предел текучести > 70 кгс/мм 2 и удлинение > 10%.

При выплавке медистая сталь используют природно-легированные чугуны, медистый скрап и металлическую медь.

Как получают медистую сталь

Медистую сталь получают в мартеновских печах, конверторах и электро печах, электрошлаковым и вакуумно-дуговым переплавом.

Поставляют ее в виде листов, полос, сортового проката и швеллеров.

Применение медистой стали

Низколегированные медистые стали применяют в мосто-, судо- и турбостроении, из них изготовляют металлоконструкции для кранов тяжелого и особо тяжелого режимов эксплуатации.

Нержавеющие и коррозионностойкие медистая сталь используют для изготовления сварных конструкций, эксплуатируемых при т-ре до 80° С в серной к-те различной концентрации, арматуры повышенного качества, сварнолитых деталей и гидротурбин.

Статья на тему медистая сталь

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:

К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.

Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства

Как примеси влияют на свойства сталей

Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:

Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
Азот (N₂) и кислород (O₂) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
Водород (H₂) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.

Медистые порошковые стали

Медь - один из первых элементов, примененных для легирования порошковых материалов на основе железа. Введение меди расширяет область v-железа, т.е. повышает точку и понижает точку (рис. 3). Растворимость меди в v-железе больше, чем в a-железе. Максимальная растворимость меди в v-твердом растворе составляет примерно 9 % при 1094 С, а в а-железе - 1,4 % при 850 С. При снижении температуры растворимость меди быстро уменьшается и при комнатной температуре составляет ~ 0,2 %.

Медь является графитизирующим элементом и при введении в сталь способствует разложению цементита на феррит и углерод отжига (графит). Она уменьшает критическую скорость закалки, увеличивая прокаливаемость стали. При введении в сталь медь уменьшает обезуглероживание и увеличивает количество перлита в структуре, замедляет диффузию углерода в железо, препятствует образованию структурно-свободного цементита.

Как некарбидообразующий элемент медь главным образом упрочняет феррит, и ее влияние на механические свойства стали проявляется более эффективно при низком содержании углерода. Так, если в низкоуглеродистой медистой стали твердость и предел прочности примерно на 30 % выше, а удлинение на 30 % ниже, чем у простой углеродистой стали, то при содержании углерода 0,9 % разницы в механических свойствах углеродистой стали и медистой стали почти не наблюдается.

Медь является одним из самых важных в порошковой металлургии легирующих элементов, в то время как в производстве литой стали она играет второстепенную роль. Это связано с особенностями порошковых сталей, обусловливающими различия в целях легирования литых и порошковых сталей.

Согласно Айзенкольбу, при введении меди повышается прочность спеченного железа, а при содержании меди около 2 % усадка практически отсутствует, что позволяет получать детали с точными размерами. При содержании меди выше 2 % происходит рост спеченных брикетов. Максимальный рост отмечен при содержании 8 % меди (рис. 4). Механизм роста исследуется уже более 30 лет. Первые результаты этих исследований были обобщены Бокштигелем, Бернером и другими. Несмотря на многочисленные исследования, точный механизм роста до сих пор не ясен, так как на изменение размеров одновременно влияет несколько процессов. Однако некоторые общие черты роста хорошо известны: при температуре выше точки плавления меди скорость роста увеличивается; величина роста увеличивается по мере добавления меди и достигает максимума примерно при 8 % меди; дополнительные легирующие компоненты (например, углерод) влияют на изменение размера брикета.

Предложены две теории для объяснения механизма роста брикетов при спекании: а) расширение решетки железа в результате растворения меди и б) пенетрация кристаллической границы и распростанение жидкой меди.

Согласно первой теории, предложенной Кузмиком, Гуммесоном и Эллиотом, расширение решетки железа вследствие образования твердого раствора меди в железе является причиной роста, поэтому максимальный рост ожидается при максимальной растворимости меди в аустените (около 8 %). Трудел и Анжере обнаружили, что диффузия меди частично балансирует усадку, которая имеет место во время 30-мин спекания при температуре 1120 С. Рост образцов наблюдается даже после очень коротких (10 мин) периодов спекания. Такая высокая скорость роста объясняется тем, что диффузия по границам зерен является регулятором этой скорости. В этом отношении можно заметить, что хотя кристаллические границы действуют как каналы для быстрого распространения растворенного вещества, конечная скорость гомогенизации регулируется объемной диффузией. Модель диффузии была критически исследована Бернером и др. и они отметили, что даже при идеальных условиях полного увлажнения жидкой медью твердый раствор меди в железе не может быть причиной увеличения скорости роста.

Согласно второй теории, рост брикетов при спекании происходит вследствие пенетрации кристаллической границы и распространения жидкой меди. Жидкая фаза проникает через кристаллическую границу в том случае, если межповерх-ностная свободная энергия на границе твердой и жидкой фаз (vSL) меньше свободной энергии кристаллической границы (vgb) более чем на половину. Это как раз возможно в системе железо - медь. Таким образом, при 2vSL < vgb жидкая медь проникает сквозь границы, распределяется отдельно от частиц железа, вследствие чего и происходит увеличение размеров. Эта теория удовлетворительно объясняет высокую скорость роста, наблюдаемого при температурах выше точки плавления меди.

Добавление других легирующих элементов к системе железо - медь оказывает влияние на рост брикетов, усиливая или ослабляя его. Так, углерод уменьшает рост. Свенсен обнаружил, что рост, вызванный медью, можно компенсировать добалением никеля в сплавы, содержащие не более 2 % меди, но при большем содержании меди никель не противодействует росту.

Рост железомедных брикетов зависит от температуры. Бернер показал, что максимальный рост наблюдается при температуре 1150 С.

Между этими двумя теориями есть взаимосвязь. Как в первой, так и во второй теории немаловажная роль отводится смачиваемости. Чем меньше краевой угол смачивания, тем легче жидкая фаза растекается вдоль границы между отдельными частицами. При этом, с одной стороны, усиливается эффект пенетрации, так как расплавленный металл равномерно распределяется по всему объему прессовки, растекаясь по кристаллическим границам. С другой стороны, по мере улучшения условий смачивания увеличивается контактная поверхность раздела между жидкой и твердой фазами, что ускоряет процессы диффузии.

Железомедные сплавы имеют склонность к дисперсионному твердению, что может быть использовано как один из видов термической обработки сплавов. Согласно исследованиям, проведенным Фадке и Дэвисом, максимальный эффект дисперсионного твердения достигается на основе Fe - 2 % Cu после закалки и старения при 500 С. Твердость при этом возрастает со 100 до 155 единиц по Бринеллю.

Способ введения меди оказывает существенное влияние на структуру и свойства материала. В работе исследовали железомедные материалы, полученные механическим смешиванием порошков, и материалы на основе железа, частицы которого были покрыты пленкой меди путем омеднения в подкисленном растворе сернокислой меди.

Отжиг плакированного железного порошка при 850 и 900 С в течение 30 мин позволил зафиксировать 2,0 и 2,5 % Cu в твердом растворе, что соответствует предельной растворимости меди в железе при этих температурах. Исследование структуры и свойств показало, что сплавы из омедненного железного порошка более гомогенны и имеют более стабильные свойства.

При получении медистой порошковой стали большое влияние на свойства оказывает углерод, который обычно вводят в композицию перед прессованием. При одновременном введении меди и графита твердость и прочность повышаются сильнее, чем это можно ожидать при использовании каждого из этих элементов в отдельности. Введение графита в железомедистую композицию уменьшает рост при спекании, а присадка меди к брикетам уменьшает обезуглероживание. Введение меди в железографитовый материал способствует получению более однородной структуры, уменьшает усадку, стабилизирует размеры деталей, увеличивает твердость. Это приводит соответственно к получению более высокого уровня свойств медистых сталей по сравнению с железографитом (табл.1).

Модуль упругости спеченных медистых сталей зависит от их пористости. Так, для стали Fe - 2 - 3,5 % Cu - 1,1 - 1,5 % С при пористости 13 - 16 % модуль упругости составляет (10 - 14,7)*10в3 МПа, а для стали Fe - 8%Cu - 2%C при значениях пористости 15, 20 и 30 % - соответственно (12 - 14)*10в3; (10 - 12)*10в3 и (5,7 - 7,8)*10в3 МПа. По данным ИПМ АН Украины нелегированный железографит с мелкозернистой перлитной структурой имеет худшую прирабатываемость, меньшую износостойкость и более высокий коэффициент трения, чем серый чугун, содержащий графитовые включения.

Введение в железографит 2 % Cu повышает его износостойкость вследствие образования твердого раствора и протекания процессов дисперсионного твердения.

В период приработки железомедьграфитовый материал достиг, а в период установившегося изнашивания превзошел серый чугун по износостойкости в 1,5 раза, но уступал хромированному чугуну. Характерными для железомедьграфитового материала является наличие процессов кратковременного схватывания, проявляющихся в виде микровсплесков на кривых изнашивания, что, очевидно, вызвано содержанием в материале включений структурно-свободной меди. Процессы схватывания обусловили увеличение времени стабилизации коэффициента трения и повышенный в сравнении с серым чугуном износ контртел железо-медьграфитовым материалом.

Для улучшения свойств материалов в железную основу вводят не чистую медь, а сплавы на ее основе (например, бронзовый порошок). Порошок можно вводить либо путем механического смешивания компонентов, либо путем омеднения частиц железного порошка с последующим нанесением на них слоя олова. Полученную тем или иным способом шихту прессуют и спекают. В процессе часть меди растворяется в железе, упрочняя его, а часть растворяет в себе олово, образуя оловянистую бронзу, обладающую высокими антифрикционными свойствами. Полученные материалы по свойствам не уступали литым бронзам.

В работе исследована ползучесть спеченной медистой стали как материала, которой может быть использован в качестве жаропрочного. Сталь содержала 0,8 % углерода и 2 % меди. Образцы прессовали при давлении 650 МПа. Плотность после спекания составляла 6,8 г/см3. Авторы выделяют две стадии ползучести. Первоначальная ползучесть может быть описана тем же степенным законом, который часто используется для обычных металлов в диапазоне 0,2-0,7 Tпл:

Во время вторичной ползучести деформация линейно возрастает со временем. Даже при сравнительно низких напряжениях зависимость скорости вторичного крипа от напряжения лучше всего представлена экспоненциальным законом

где А и в - коэффициенты.

Для компактных металлов это уравнение, как правило, применимо в случае высоких внутренних напряжений. Для спеченных сталей этот закон, по-видимому, применим в случае небольших напряжений, потому что при общем низком уровне напряжений вокруг пор концентрируются локальные высокие микронапряжения.

Температурная зависимость скорости вторичного крипа, по мнению авторов работы, может быть выражена в терминах энергии активации крипа, которая отождествляется с энергией активации самодиффузии даже когда температура значительно ниже 0,5 Тпл. Это по-видимому, объясняется тем, что поры в спеченных металлах являются прекрасным источником вакансий.

При исследовании характера разрушения при ползучести установлено, что процесс разрушения подобен разрушению при растяжении в исследованных сталях и что оба происходят в результате соединения пор. He удивительно, что деформация ползучести подобна удлинению при растяжении.

При очень хорошей корреляции между установившейся скоростью ползучести и энергией активации для получения эталонной кривой ползучести - разрушения в спеченной стали может быть использован параметр ОSD (времени, компенсированного температурой), так как время ползучести-разрушения обратно пропорционально скорости вторичной ползучести. Во всем диапазоне напряжений и температуры, применяемых в экспериментах, предел ползучести является линейной функцией выражения (IntR - АНс/RT), являющегося логарифмом OSD параметра. Здесь tR - время разрушения, AHc - энергия активации ползучести, R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура.

Эталонная кривая может быть также построена с помощью параметра Ларсана - Миллера (LM параметра), который выводят из допущения, что скорость устойчивого крипа выражается уравнением

где E - константа; Q(b) - энергия активации, зависящая от напряжения. Время ползучести-разрушения обратно пропорционально скорости устойчивого крипа, так что

Исходя из этого предел прочности на разрыв bR, согласно Ларсону и Миллеру, можно представить уравнением

где С - константа, которая для широкого ряда металлов приблизительно равна 20.

Проведенные исследования показали, что коэффициент корреляции для разрушающего напряжения как функции OSD параметра составляет 0,991, a LM параметра 0,992, т.е. существенной разницы нет. Тем не менее, учитывая, что энергия активации крипа по расчетам авторов работы близка к энергии активации самодиффузии железа и что наклон эталонной кривой разрушающего напряжения, построенной с использованием OSD параметра, соответствует точно предсказанному значению из данных устойчивого крипа, авторы работы считают, что OSD параметр является более предпочтительным. Именно этот параметр они использовали для предсказания средних значений предела прочности на разрыв при ползучести спеченной стали, содержащей 0,77 % С и 2 % Cu. Согласно полученным результатам, эти значения составляют гораздо меньшую долю от прочности на растяжение при комнатной температуре по сравнению с данными для прокатанной пластины из стали, содержащей 0,13 - 0,2 % С и 1,02 - 1,54 % Mn. Так, например, спеченная сталь при 450 °С выдерживает нагрузку 100 МПа в течение 100 ч, что составляет 26 % от предела прочности на растяжение при комнатной температуре, в то время как прокатанная пластина выдерживает при этой температуре нагрузку 240 МПа, что составляет 51 % от предела прочности на растяжение при комнатной температуре. При ползучести в течение 10000 ч при 450°С эти значения соответственно составляют 20 МПа (5 %) для спеченной стали и 130 МПа (28 %) для прокатанной пластины.

Более низкие значения предела прочности на разрыв спеченных металлов авторы связывают с влиянием пор, которые могут начать увеличиваться немедленно после приложения нагрузки без какого-либо предварительного крипа до образования пустот. Поскольку предел ползучести зависит от деформации, следует ожидать, что более пластичные металлы должны обладать высокой прочностью.

Спеченные стали из-за наличия пористости окисляются быстрее компактных. Так, авторы работы показали, что через 28 дней при температуре 450 °С толщина оксида на поверхности образцов из спеченной медистой стали примерно в два с половиной раза превышает толщину оксидного слоя на образцах из компактной стали того же состава. Рост толщины оксидного слоя подчиняется соотношению

где v - коэффициент; t - время.

Хотя толщина поверхностного слоя оксидов растет с увеличением времени, внутреннее окисление идет менее активно и толщина слоя оксидов на внутренних порах превышает 0,5 мкм. Это объясняется тем, что окисление внутри пор блокирует их и приводит к сокращению открытой пористости, предупреждая дальнейший доступ воздуха. Окисление вызывает некоторое снижение прочности на растяжение в спеченных сталях, обусловленное уменьшением площади поперечного сечения.

Читайте также: