научная статья по теме ПОДАВЛЕНИЕ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ СТАЛИ ПРИ МЕЖКРИТИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ПОДАВЛЕНИЕ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ СТАЛИ ПРИ МЕЖКРИТИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКЕ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2008, том 106, № 2, с. 199-205

_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^

ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

ПОДАВЛЕНИЕ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ СТАЛИ ПРИ МЕЖКРИТИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКЕ

Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

Поступила в редакцию 12.03.2008 г.

Рассмотрены методы ослабления отпускной хрупкости закаленных сталей, предложенные акад. В.Д. Садовским с сотрудниками, на основе изучения природы и особенностей проявления отпускного охрупчивания. Показаны разнообразные способы снижения чувствительности сталей к развитию хрупкости за счет новых технологий выплавки металла, особенностей проведения термической и термомеханической обработки. Подробно изучено влияние закалки стали из межкритического интервала температур нагрева на развитие обратимой отпускной хрупкости стали.

При изучении научного наследия академика В.Д. Садовского можно заметить, что на протяжении всей своей научной деятельности время от времени он возвращался к наиболее любимым и важным проблемам металловедения. Эта периодичность была связана как с накоплением новых экспериментальных данных, так и с появлением тонких методов исследования, развития плавильной техники, а также разработки новых способов обработки металлов. И в первую очередь это относится к изучению явления охрупчивания при отпуске закаленных углеродистых и легированных сталей, а также нахождению новых методов борьбы с проявлением этого вида хрупкости.

Отпускная хрупкость известна давно, и проблеме ее развития было посвящено огромное количество экспериментальных и теоретических работ, что нашло отражение в многочисленных публикациях. Тем не менее следует отметить основные особенности проявления хрупкости для того, чтобы можно было проследить за логикой постановки экспериментов и интерпретации результатов. Различают два вида отпускной хрупкости - необратимая и обратимая, которые имеют свои температурные интервалы развития. Необратимая хрупкость наблюдается при отпуске в интервале 300-400°С и присуща всем конструкционным сталям, независимо от их основного химического состава. Обратимая хрупкость возникает как при отпуске 500-600°С, так и во время замедленного охлаждения от 650°С. Высокий отпуск полностью устраняет ее, но повторный нагрев в температурный интервал охрупчивания или медленное его прохождение вновь приводит к появлению хрупкости. Этот вид хрупкости наблюдается только в легированных сталях и отсутствует в простых углеродистых.

Оба вида хрупкости сопровождаются появлением почти 100% межзеренного блестящего излома. Все исследователи отмечали, что при развитии хрупкости излом всегда блестящий, и это определение приводится не случайно, поскольку оно отражает механизм разрушения. Как показали фрактографические исследования, распространение трещины происходит по границам зерен аустенита без каких-либо следов пластической деформации и представляют собой ровные гладкие плоскости. Никаких отличий в механизме разрушения для этих двух видов хрупкости не наблюдается.

Для обратимой отпускной хрупкости характерны следующие основные признаки: межзерен-ный излом; сильное смещение порога хладноломкости в область положительных температур по отношению к вязкому состоянию; хрупкость проявляется только при динамических испытаниях (при статическом растяжении никакие свойства на охрупчивание не реагируют); для стали в состоянии обратимой отпускной хрупкости отмечается усиление травимости границ зерен специальными реактивами при неизменной микроструктуре.

Рассмотрим наиболее важные и интересные результаты, полученные В.Д. Садовским и его учениками, при изучении природы отпускной хрупкости и способов снижения чувствительности к охрупчиванию.

Одним из первых и знаменательных результатов в поиске механизмов подавления отпускной хрупкости является цикл работ по влиянию высокотемпературной термомеханической обработки на ударную вязкость конструкционных сталей [1, 2]. Проведение горячей пластической деформации в аустенитном состоянии в режиме, исключающем рекристаллизацию деформированной структуры, при совмещении с закалкой создает особое струк-

Температура отпуска, °С

Рис. 1. Зависимость твердости и ударной вязкости стали 37Х2Н4 от температуры отпуска (выдержка 2 ч): 1 - недеформированное состояние; 2 - ВТМО (прокатка при 830°С, обжатие 30%).

турное состояние, при котором отпускная хрупкость не проявляется (рис. 1). При этом металлографически наблюдается локализация деформации в приграничных областях и образование извилистых ("зубчатых") границ аустенитных зерен. Такая конфигурация зерен препятствует распространению межзереннной трещины, что способствует повышению ударной вязкости в зонах развития хрупкости при отпуске. Несмотря на очевидное положительное влияние термомеханической обработки, существуют определенные ограничения промышленного использования этого метода для подавления хрупкости на крупных поковках из-за неравномерного распределения деформации [3].

Подобная ситуация в отношении границ наблюдается и при восстановлении зерна аустенита в сталях, склонных к структурной наследственности. Многократно и подробно было описано [4], что при повторном медленном нагреве предварительно закаленной стали исходное крупное зерно аустенита восстанавливается, а границы зерен принимают извилистую форму. Как и в случае ВТМО, при испытаниях стали в охрупченном состоянии трещина переходит с границ на тело зерна [5]. Также основным условием эффекта восстановления зерна на подавление отпускной хрупко-

Температура отпуска, °С

Рис. 2. Зависимость твердости и ударной вязкости моно - (1) и поликристаллических (2) стали 37ХНЗА от температуры отпуска.

сти остается отсутствие в процессе превращения рекристаллизации (в данном случае от фазового наклепа). Однако следует отметить, что наблюдаемые эффекты положительного влияния геометрии границ зерен на подавление хрупкости стали после ВТМО или восстановления зерна справедливы только для обычного содержания примесей, ответственных за проявление охрупчивания (Р, БЪ). При повышенном содержании примесей, например фосфора (

0.03%), наличие зубчиков не предотвращает развитие межзеренного разрушения.

Поскольку охрупчивание стали связано с ослаблением границ зерен аустенита представляло интерес изучить возможность развития хрупкости на стали, в которой такие границы отсутствуют, т.е. на монокристалле. Как только была разработана и освоена технология получения стальных закаленных монокристаллов [6], одним из первых экспериментов на них и было изучение отпускной хрупкости. Оказалось, что в отсутствие большеугловых границ межзеренный излом стали в охрупченном состоянии не наблюдается, хотя значения ударной вязкости и не велики (рис.2). Однако увеличение продолжительности охрупчивающего отпуска приводит к повышению температуры хрупко-вязкого перехода, что означает развитие хрупкости. Авторы [6] приходят к выводу, что отпускная хрупкость в отсутствие большеугловых границ может развиваться

рекристаллизованные монокристаллы (вязкая разновидность)

рекристаллизованные монокристаллы о (хрупкая разновидность)

-200 -160 -120 -80 -40 0 +40 Температура испытания, °С

Рис. 3. Зависимость ударной вязкости от температуры испытаний рекристаллизованных монокристаллов.

на малоугловых границах ячеистой субструктуры, существовавшей в аустените перед закалкой.

Как уже отмечалось, возникновение хрупкости связано с границами аустенитных зерен, на которых и развиваются процессы, ослабляющие межзеренное сцепление. С помощью монокристаллов было показано, что охрупчиваться при отпуске могут не только границы аустенита, но и границы зерен феррита. После холодной деформации монокристаллы подвергали рекристаллиза-ционному отжигу при температурах ниже температуры начала фазового превращения, т.е. в фер-ритном состоянии. Проведение обработки при температурах в зоне развития обратимой отпускной хрупкости показало, что хрупкость развивается и на большеугловых границах рекристаллизованных ферритных зерен со всеми признаками, присущими обратимой отпускной хрупкости (появление межзеренного излома и повышение порога хладноломкости) (рис. 3). Отсюда следует важный вывод о том, что процессы, вызывающие обратимую отпускную хрупкость, протекают в ферритном состоянии, хотя и охрупчивают границы зерен аустенита.

Предположения о решающей роли вредных примесей в развитии отпускной хрупкости нашли убедительное экспериментальное подтверждение благодаря применению оже-спектроскопии и исследованию высокочистых сталей. В синтетических сталях, выплавленных на основе высокочистых легирующих элементов и спектрально чистого графита, содержание примесей находилось

на уровне десятитысячных долей процента. Сравнительные испытания сталей одного состава по легирующим элементам, но стали, свободной от примесей, и стали промышленной выплавки, показали, что в чистых сталях ударная вязкость находится на высоком уровне без провалов в зонах развития необратимой и обратимой отпускной хрупкости (рис. 4), тогда как промышленная подвержена обоим видам хрупкости. Это же подтверждают и сериальные кривые, полученные при понижении температуры испытаний на динамический изгиб (рис. 5). Если для промышленной стали в состоянии обратимой отпускной хрупкости порог хладноломкости смещается примерно на 120° в область положительных температур по сравнению с высо-коотпущенным состоянием, то для высокочистой стали кривые для таких же видов обработки практически сливаются.

Применение высокочистых сталей для изучения природы отпускной хрупкости позволило оценить влияние отдельных примесей за счет введения контролируемых добавок. Было показано, что для предотвращения появления хрупкости при отпуске содержание вредных примесей, прежде всего, фосфора и сурьмы (наиболее сильно охрупчи-вающих элементов), не должно превышать 0.001%.

Изучая межзеренную хрупкость закаленных высокочистых сталей с контролируемыми добавками примесей и легирующих элементов, удалось установить, что обогащение границ зер

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.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎