Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа

Отпускной хрупкостью стали и сплавов железа называют происходя­щее в результате пребывания стали (закаленной, или высокоотпущенной, или даже отожженной) в температурном интервале 600—400°С снижение прочности межзеренной связи, которое обнаруживается обычно по повышению температуры хрупковязкого перехода, сопровождае­мому увеличением доли межзеренного разрушения в хрупкой состав­ляющей излома. Хрупкость этого вида называют обратимой, посколь­ку при нагреве стали в состоянии отпускной хрупкости до температур выше интервала охрупчивания хрупкость может многократно устра­няться и возникать вновь при последующей выдержке или медленном охлаждении в опасном интервале температур.

Первоначально отпускная хрупкость была обнаружена при отпуске сталей. Но, как ясно сейчас, термин "отпускная" не соответствует фи­зической сущности явления, поскольку развитие отпускной хрупкости вовсе не обусловлено процессом отпуска продуктов закалки: отпуск­ная хрупкость вполне отчетливо развивается в сталях, предварительно стабилизированных после закалки длительным высоким отпуском или отожженных, не сопровождаясь какими либо изменениями суб- и мик­роструктуры [1—3].

Термические условия развития отпускной хрупкости обусловливают большое практическое значение этого явления. Многие крупногабарит­ные массивные детали из легированных сталей во избежание возникно­вения неблагоприятных внутренних термических напряжений охлажда­ют после высокого отпуска с очень низкой скоростью, и поэтому они длительное время (десятки или даже сотни часов) находятся в опасном диапазоне температур 600-400°С. Кроме того, температуры, при кото­рых эти изделия эксплуатируют, также могут попадать в опасный ин­тервал, что с течением времени будет приводить к охрупчиванию стали и снижению сопротивления детали и конструкции в целом. Наблюдае­мое в результате охрупчивания при замедленном охлаждении и при длительных изотермических выдержках повышение температуры хруп­ко-вязкого перехода стали может достигать сотен градусов [1,4, 5]. Так, при снижении скорости охлаждения после выского отпуска до 2,5—5°С/ч (рис. 1) температура хрупко-вязкого перехода промышлен­ной плавки роторной стали типа 25ХНЗМФА повышается на 80—90°С [2], а для промышленной плавки дисковой стали типа 35ХН4МА значе­ние ΔΓκ при таких скоростях охлаждения составило 200—230°С [4]. В процессе длительной (3—5 тысяч ч) изотермической выдержки при 450—480°С (рис. 2) критическая температура хрупкости сталей типа

15ХНЗМФА [2], 35ХНЗМФ [5], 20Х2М [6] повышается на 120-200°С. С увеличением длительности изотермического охрупчивания при 450°С до 35000 ч повышение критической температуры хрупкости достигает для стали типа 35ХНЗМФА, предварительно закаленной и отпущенной на предел текучести около 10 3 МПа, 530°С [5].

Иногда разделяют понятия отпускной и тепловой хрупкости, пони­мая под тепловой, в отличие от отпускной, хрупкость, возникающую в условиях эксплуатации стали под влиянием длительных выдержек при температурах, лежащих ниже температур появления отпускной хрупко­сти.

Однако многие внешние проявления обоих видов хрупкости и фак­торы, их вызывающие, практически идентичны, особенно если прочно­стные свойства и структура стали предварительно стабилизированы вы­соким отпуском достаточной продолжительности, и не изменяютcя в процессе пребывания стали при более низких температурах. Поэтому часто оба вида охрупчивания рассматривают как одно явление, имею­щее общие основные признаки, качественно характеризующее охрупченное состояние стали и процесс охрупчивания и отличающие его от других видов хрупкости. Известны следующие общие признаки, харак­терные как для отпускном, так и для тепловой хрупкости:

1) температурные условия развития хрупкости (кажущиеся отличия в критических температурных интервалах обусловлены длительностью охрупчивающего воздействия) ;

2) обратимость — возможность устранения хрупкости и повторного охрупчивания без изменения других свойств;

3) отсутствие изменений почти всех физических и механических свойств, кроме склонности стали к хрупкому разрушению;

4) увеличение доли межзеренного разрушения в хрупкой составляю­щей излома;

5) усиление травимости границ зерен специальными травителями при неизменной микроструктуре.

К общим признакам можно отнести также обнаруженную и иссле­дованную в последние годы, благодаря в основном развитию Оже-электронной спектроскопии, зернограничную сегрегацию ряда примес­ных и легирующих элементов [5, 7, 8], развивающуюся как при от­пускной, так и при тепловой хрупкости.

В связи с этим в большинстве опубликованных в последние годы работ, посвященных изучению хрупкости (возникающей как при за­медленном охлаждении после высокого отпуска, так и при длительных выдержках в этом же интервале температур) оба вида охрупчивания определяют одним термином — обратимая отпускная хрупкость.

Рассмотрим основные внешние проявления обратимой отпускной хрупкости.

Температурные условия развития хрупкости

Обратимая отпускная хрупкость развивается в определенных тем­пературных условиях, причем кинетика охрупчивания зависит от тем­пературы. Температурный интервал, в котором развивается обрати­мая отпускная хрупкость, в свою очередь, зависит от длительности процесса охрупчивания, снижаясь с увеличением продолжительности термического воздействия [9, 10]. Как правило, нижняя граница тем­пературного интервала развития обратимой отпускной хрупкости низ­колегированных сталей лежит около 400—500°С, причем при достаточ­но длительных выдержках охрупчивание вблизи нижней границы мо­жет быть значительным. Так, выдержка закаленной и высокоотпущенной стали типа 35ХНЗМФ в течение 3500 ч при 400°С приводит к по­вышению температуры хрупко-вязкого перехода на 110°С [5] при на­личии основных признаков обратимой отпускной хрупкости: полно­стью межзеренного излома в условиях хрупкого разрушения, обога­щения границ зерен примесями и т.д.

Температурный интервал возникновения обратимой отпускной хруп­кости со стороны своей нижней границы может несколько перекры­ваться с интервалом развития необратимой отпускной хрупкости, или (как ее часто называют в зарубежной литературе) хрупкости отпущен­ного мартенсита (250-400°С). Однако, если сталь стабилизирована до­статочно длительным высоким отпуском, то необратимая отпускная хрупкость, связанная с распадом мартенсита [273], не возникает, и нижняя граница температур, при которых развивается охрупчивание, действительно, характеризует температурный интервал обратимой от­пускной хрупкости.