Отпускная хрупкость первого рода (необратимая отпускная хрупкость)

Явление резкого снижения вязкости закаленного металла с мартенситной структурой после отпуска в интервале 250-400⁰С (рис. 1) получило название отпускная хрупкость первого рода (необратимая отпускная хрупкость). При этом увеличение скорости охлаждения металла с температуры отпуска не влияет на степень его охрупчивания. Это явление существенно затрудняет получение высокопрочных стальных изделий с использованием термообработки, которые эксплуатируются при низких температурах и циклических нагрузках.

Это связано с тем, что основная масса стальных изделий (из углеродистых и легированных сталей), подвергаемых термической обработке с целью получения высокопрочного состояния, проходит отпуск в интервале температур 350-450⁰С для получения максимальных значений пределов упругости, пропорциональности, текучести. Этот температурный интервал отпуска для сталей, у которых упрочнение происходит за счет выделения цементита (или легированного Ц), обеспечивает наибольших прирост прочности за счет максимального закрепления дислокаций дисперсными частицами вторичной фазы. И поэтому явление охрупчивания закаленных сталей после отпуска в этом интервале температур не позволяет в максимальной степени использовать возможности сталей, заставляя термистов делать либо отпуск при более высокой температуре, либо при температуре, ниже интервала отпускной хрупкости.

При этом отмечается такая особенность в поведении металла. Если сталь, охрупченную при отпуске в интервале 250-400⁰С, подвергнуть дополнительно отпуску при более высоких температурах (например, 550-600⁰С), то металл будет иметь высокую вязкость и низкий порог хладноломкости. Если после такого высокого отпуска эту же сталь еще раз отпустить при температурах необратимой отпускной хрупкости, то явления охрупчивания уже не будет.

Из причин, вызывающих снижение вязкости отпущенного мартенсита, наиболее интересны следующие:

· снижение вязкости закаленной стали при отпуске объяснялось распадом остаточного аустенита при отпуске (работы Садовского В. Д, Чупракова Н. П. и др.):

· проявление необратимой отпускной хрупкости связано с процессами карбидообразования при отпуске закаленной стали (Шейнин Б. Е., Миркин И. Л., Грязнов И. М., Завьялов А. С. и др.):

· падение вязкости при таком охрупчивании связано с проявлением межзеренного разрушения (Брайент К.Л., Бенерджи С.К):

· охрупчивание объясняется началом выделения цементита, при котором выделяющиеся карбиды имеют вытянутую пластинчатую форму и образуются преимущественно по границам зерен:

· охрупчивание во многом объясняется сегрегацией примесей к границам зерен. Установлено, что сера, фосфор, азот являются наиболее мощными охрупчивателями.

Теоретическое объяснение механизма необратимой отпускной хрупкости в работах отечественных и зарубежных исследователей сформулировано следующим образом, объединив все достоверно установленные факторы охрупчивания.

При нагреве до температур аустенитизации происходит сегрегация примесей к границам зерен. При отпуске закаленного металла (>300⁰С) вдоль границ зерен образуются пластинчатые выделения цементита. Они блокируют движение дислокаций, вызывают образование длинных плоских дислокационных нагромождений. В связи с ослаблением границ зерен сегрегациями, дислокационные нагромождения вызывают зарождение межзеренной трещины прежде, чем пластическое течение начнется в следующем зерне. При более низких (<300⁰С) температурах отпуска сплошных выделений карбидной сетки по границам нет, т.к. образуется только мелкодисперсные перовидные выделения e-карбида, повышающие вязкость металла. А при повышении температуры отпуска выше температур охрупчивания карбидные выделения приобретают сфероидальную форму, занимающую меньшую часть площади границ и вязкость металла повышается:

Таким образом принято теоретическое обоснование, объединяющее наиболее важные факторы охрупчивания - совокупность сегрегации примесей при аустенитизации с образованием карбидных выделений в процессе отпуска ответственна за межзеренное разрушение металла малой энергоемкости.

Охрупчивание металла в указанных условиях еще больше усиливается при повышенном содержании водорода.

Исследованиями было установлено, что фосфор является одним из элементов, наиболее часто вызывающих этот вид отпускной хрупкости металла, и даже такая низкая его концентрация как 0,01% (по массе) может вызвать значительное снижение вязкости. При этом отмечается, что при температурах отпуска ниже 350⁰С, 1 час, фосфор не сегрегирует (точнее скорость диффузии низка) и только при повышении температуры отпуска происходит дополнительное, по отношению к сегрегации при аустенитизации, повышение зернограничной концентрации фосфора.

Сера является более мощным охрупчивателем, но в связи с тем, что она во многих сталях присутствует в связанном виде (сульфиды), сера не может свободно сегрегировать к границам зерен. И здесь уже важным фактором является температура аустенитизации, которая определяет степень растворения сульфидов. Установлено, что если сера выделяется в виде сульфидов хрома, то охрупчивания не наблюдается после аустенитизации при 1000⁰С и ниже. Повышение температуры выше этого уровня приводит к растворению сульфидов и сегрегации серы к границам зерен. Если сера в металле связана в сульфиды марганца, их растворение происходит при гораздо более высоких температурах аустенитизации.

Азот обычно присутствует в металле в виде нитридных выделений и не дает вклада в охрупчивание при отпуске в рассматриваемом интервале температур. Но при ускоренном охлаждении металла относительно небольшой толщины азот будет оставаться в твердом растворе. В технической литературе приводятся данные, что уже при охлаждении металла со скоростью ³0,1⁰С/с азот находится в твердом растворе и выделяется при последующем отпуске.

Олово и сурьма не сегрегируют в процессе аустенитизации и не вызывают необратимой отпускной хрупкости.

Отмечается также, что большинство общеупотребительных легирующих элементов не сегрегируют при аустенитизации, но могут воздействовать на степень охрупчивания металла через изменение той химической связи с фосфором или серой, в которую они вступают на границах зерен.

Установлено многими исследователями, что добавки молибдена и вольфрама снижали охрупчивание, вызванное фосфором, тогда как добавки марганца при отпуске выше 200⁰С увеличивают охрупчивание металла и только после отпуска выше 400⁰С повышают работу разрушения.

Добавки молибдена в сталь с целью уменьшения охрупчивания металла эффективны только в том случае, когда молибден растворен в твердом растворе, а не связан в частицы вторичной фазы.

В литературе приведены данные о влиянии кремния и хрома на температурный интервал необратимой отпускной хрупкости, из которых следует, что у легированной стали с содержанием кремния 1-1,5% охрупчивание смещается до температур отпуска 300-320⁰С. Такое же смещение отмечено и для стали с содержанием хрома 1,5-2,0%. Одновременное легирование этими элементами в указанных концентрациях еще больше смещает температурный интервал охрупчивания (до 350-370ºС).

Таким образом, анализ данных по межзеренному разрушению сплавов на основе железа показывает, что бороться с необратимой отпускной хрупкостью можно используя как металлургические факторы ( чистота металла по фосфору, сере, газам, добавки редкоземельных элементов, соответствующий подбор легирующих элементов ), так и технологические ( измельчение зеренной структуры металла за счет оптимальных технологических параметров).

Снижение значений ударной вязкости закаленного металла заготовок большого сечения в исследуемом интервале температур отпуска может происходить еще и в связи с недостаточной интенсивностью закалочного охлаждения крупногабаритных изделий, что приводит к получению в структуре значительного количества бейнита, а соответственно и остаточного аустенита. Именно возникновением существенной неоднородности по углероду при таком структурном состоянии объясняется Садовским В. Д. и Фокиной Е. А. снижение вязкости и хладостойкости металла. Для устранения этого явления необходимо повысить мартенситную прокаливаемость металла изделий.

Дата добавления: 2014-10-23