Отпускная хрупкость стали

Конструкционные стали, подвергаемые закалке и отпуску, имеют склонность к отпускной хрупкости.

После отпуска при определенных температурах и условиях наблюдается повышение температуры вязко-хрупкого перехода (рис. 31). На многих сталях охрупчивание наблюдается и по снижению ударной вязкости (рис. 32). Однако изменение температуры перехода является более надежным критерием склонности стали к отпускной хрупкости. Различают два рода отпускной хрупкости (рис. 32).

Отпускная хрупкость I рода, или необратимая, проявляется при отпуске около 300°С, и отпускная хрупкость II рода, или обратимая, обнаруживается после отпуска выше 500°С.

Необратимая отпускная хрупкость (I рода) присуща практически всем сталям, углеродистым и легированным, после отпуска в области температур 250-400°С. Повторный отпуск при более высокой температуре (400-500 °С) снимает хрупкость, и сталь становится к ней не склонной даже при отпуске вновь в район опасных температур. В связи с этим эта хрупкость получила название необратимой. Этот род хрупкости не зависит от скорости охлаждения после отпуска.

Легирующие элементы, за исключением кремния,невлияют существенно на развитие хрупкости I рода. Кремний сдвигает интервал развития хрупкости в область более высоких температур отпуска (350-450°С). Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) уменьшает склонность к отпускной хрупкости (см. рис. 32).Напрактике для исключения охрупчивания стали избегают проведения отпуска в области опасных температур.

Рис. 31 - Влияние температуры испытанияна переход стали 37ХНЗА из вязкого состояния в хрупкое: 1 - закалка; сталь склонна к отпускной хрупкости; 2 - ВТМО; сталь не склонна к отпускной хрупкости

Рис. 32 - Влияние температуры отпуска стали 37ХНЗА на ударную вязкость и твердость: 1 - закалка; сталь склонна к отпускной хрупкости; 2 - ВТМО; сталь не склонна к отпускной хрупкости

Хотя природа необратимой отпускной хрупкости стали окончательно не установлена, считается, что наиболее вероятной причиной охрупчивания является выделение карбидных фаз по границам зерен на начальных стадиях распада мартенсита. Вследствие этого создается неоднородное состояние твердого раствора, возникают пики напряжений, и сопротивление разрушению по границам заметно меньше, чем по телу зерна, происходит межкристаллитное разрушение.

Обратимая отпускная хрупкость (II рода) в наибольшей степени присуща легированным сталям после высокого отпуска при 500-650 °С и медленного охлаждения от температур отпуска. При быстром охлаждении после отпуска (в воде) вязкость не уменьшается, а монотонно возрастает с повышением температуры отпуска. Отпускная хрупкость усиливается, если сталь длительное время (8- 10 ч) выдерживается в опасном интервале температур.

Отпускная хрупкость II рода может быть устранена повторным высоким отпуском с быстрым охлаждением и вызвана вновь высоким отпуском с последующим медленным охлаждением. Поэтому такую отпускную хрупкость называют обратимой. Развитие обратимой отпускной хрупкости не сопровождается какими-либо изменениями других механических свойств, а также видимыми при световой и электронной микроскопии структурными изменениями. Лишь при травлении шлифов поверхностно-активными реактивами наблюдается повышенная травимость по границам аустенитных зерен. По этим границам происходит и межзеренное хрупкое разрушение.

Легирование стали Сr, Ni, Мn усиливает отпускную хрупкость. Особенно сильно охрупчивается сталь при совместном легировании Сr+Ni, Сr+Мn, Сr+Мn+Si и др.

Введение до 0,4-0,5 % Мo и до 1,2-1,5 % W уменьшает, а иногда полностью подавляет склонность стали к обратимой отпускной хрупкости; при более высоком содержании этих элементов хрупкость вновь усиливается.

В последние годы достоверно установлена связь обратимой отпускной хрупкости с обогащением границ зерен примесями, в первую очередь фосфором и его химическими аналогами: сурьмой, мышьяком, а также оловом. По степени влияния на охрупчивание элементы располагаются в ряд Sb, Р, Sn, Аs, где наиболее сильное влияние оказывает сурьма. Так, содержание сурьмы 0,001 % уже вызывает значительное развитие хрупкости, повышая порог хладноломкости после окрупчивающего отпуска почти на 100 °С. При таких же содержаниях фосфор смещает порог хладноломкости на 40 °С. С помощью методов электронной микроскопии (Оже-спектроскопия, метод обратного расстояния быстрых ионов) проведена оценка сегрегации указанных примесей на границах зерен. Установлено, что сегрегация примесей в приграничных участках превышает объемную концентрацию этих элементов в 100-1000 раз, а толщина приграничного слоя сегрегации составляет лишь несколько атомных слоев (до 1-2 нм).

Исследованиями этими же методами выявлена значительная сегрегация на границах зерен легирующих элементов (Cr, Ni, Mn и др.), которые значительно увеличивают термодинамическую активность примесей и их приток к границам. Мо и W при оптимальных содержаниях не сегрегируют к границам. Вследствие падения поверхностной энергии межзеренного сцепления более чем на порядок происходит разрушение стали по границам аустенитных зерен.

Разработаны и нашли широкое практическое применение методы борьбы с обратимой отпускной хрупкостью:

1. Легирование стали молибденом (0,2-0,4 %) илиегоаналогом вольфрамом в количестве 0,6-1,2%.

2. Ускоренное охлаждение (вода или масло) после высокого отпуска.

3. Снижение содержания вредных примесей, особенно фосфора.

Необходимо также отметить, что применение вместо обычной закалки высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) позволяет подавить склонность, как к необратимой, так и к обратимой отпускной хрупкости (см. рис. 32). Причина такого влияния ВТМО состоит в том, что при такой обработке увеличивается протяженность границ благодаря образованию зубчатых большеугловых границ и развитой структуры, вследствие чего уменьшается сегрегация примесей и возрастает прочность межзеренного сцепления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гольдштейн М.И. Специальные стали: Учеб. для вузов / М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. - М.: Металлургия, 1985. - 408 с.

2. Ляхович Л.С. Специальные стали: Учеб. пособие для вузов / Л.С. Ляхович. - Минск: Высш. шк, 1985. - 208 с.

3. Меськин В.С. Основы легирования стали / В.С. Меськин. – М.: Металлургиздат, 1959. - 688 с.

4. Гудремон Э. Специальные стали: В 2 т. / Э. Гудремон. - М.: Металлургиздат, 1959. - Т. 1. - 1938 с.; 1960. -Т. 2. - 1638 с.

5. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов / А.П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

6. Курдюмов Г.В. Превращения в железе и стали / Г.В. Курдюмов, Л.В. Утевский, Р.И. Энтин. - М.: Наука, 1977. – 237 с.

7. Лившиц Б.Г. Металлография: Учебник для вузов / Б.Г. Лившиц. – М.: Металлургия, 1990. – 236 с.

8. Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов / С.З. Бокштейн. – М.: Металлургия, 1971. – 494 с.

9. Винокур Б.Б. Легирование машиностроительной стали / Б.Б. Винокур, Б.Н. Бейнисович, А.Л. Геллер, М.Э. Натансон. – М. – Металлургия, 1977. – 200 с.

10. Браун М.П. Микролегирование стали / М.П. Браун. – Киев: Наук. думка, 1982. – 303 с.

11. Вязников Н.Ф. Легированная сталь /Н.Ф. Вязников. – М.: Металлургиздат, 1963. – 271с.

12. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов: Учебник для вузов /И.И. Новиков. – М.: Металлургия, 1986. – 480с.

13. Блантер М.Е. Теория термической обработки: Учебник для вузов /М.Е. Блантер. – М.: Металлургия, 1984. – 328с.

14. Садовский В.Д. Структурная наследственность в стали / В.Д. Садовский. – М.: Металлургия, 1973. – 208с.

Дата добавления: 2014-01-11