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. 2.12). На многих сталях охрупчивание наблюда­ется и по снижению ударной вязкости (рис. 2.13). Однако изменение температуры перехода является более надеж­ным критерием склонности стали к отпускной хрупкости. Различают два рода отпускной хрупкости (рис. 2.13).

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. 2.13).Напрактике для исключения охрупчивания стали избегают проведения отпуска в области опасных температур.

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 аустенистных 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 (ожеспектроскопия, 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. 2.13). 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.

Контрольные вопросы

1. Какое влияние оказывают легирующие элементы на полиморфные превращения в железе, положение характерных точек диаграммы железо–углерод?

2. Какое влияние оказывают легирующие элементы на диффузию углерода и самодиффузию железа, кинетику перлитного и бейнитного превращений, температурный интервал и кинетику мартенситного превращения и морфологию мартенсита?

3. Назовите основные механизмы упрочнения сталей и сплавов.

4. Как классифицируются легированные стали по структуре в отожженном и нормализованном состояниях?

5. Какими свойствами обладает легированный феррит?

6. Какими свойствами обладает легированный аустенит?

7. Как протекает перекристаллизация в углеродистых и легированных сталях с исходной неупорядоченной и упорядоченной структу­рой при нагреве и охлаждении?

8. Какие факторы оказывают влияние на рост зерна аустенита?

9. Как влияют легирующие элементы на устойчивость переохлажденного аустенита?

10. Какие процессы протекают при отпуске? Что называется вторичной твердостью, дисперсионным твердением и дисперсионным упрочнением?

11. Обратимая и необратимая отпускная хрупкость, причины ее обусловливающие, методы предотвращения.