Влияние ряда факторов на ударную вязкость

Дислокационные механизмы зарождения трещин как источников разрушения определяют и трактовку влияния других факторов на ударную вязкость.

Наиболее благоприятным легирующим элементом в стали с точки зрения повышения вязкости и снижения температуры хрупко-вязкого перехода является никель. Никель способствует снижению блокировки дислокаций углеродом, делает дислокации более подвижными, что обеспечивает его положительное влияние на эти свойства.

Снижение содержания углерода в стали способствует по этой же причине повышению уровня ударной вязкости (пример: мартенсито-стареющие стали).

Аустенитные стали являются более вязкими, чем ферритные или мартенситные стали. Это обусловлено большей вязкостью, присущей ГЦК кристаллической структуре.

Увеличение количества остаточного аустенита в малоуглеродистых сталях способствует повышению их вязкости, так как аустенит является более мягкой и вязкой фазой по сравнению с мартенситом. В то же время в высокоуглеродистых сталях остаточный аустенит может ухудшать вязкость материала, например, в том случае, когда он имеет неблагоприятное расположение (по границам зерен) и претерпевает g ® a_m превращение в процессе деформации.

Примеси, находящиеся в металлах и сплавах, способствуют хрупкому разрушению. Примеси не только вызывают блокировку дислокаций, но и сегрегируют по границам зерен, снижая энергию сцепления между зернами до значений меньших, чем эффективная поверхностная энергия скола. Граница становится траекторией распространения трещины. В этом случае происходит хрупкое межкристаллитное разрушение. Для железа и его сплавов это кислород, сурьма, фосфор, сера.

Если содержания элементов достаточно для образования в сплаве второй фазы, то большое значение имеет форма и распределение этих частиц, а также их ориентировка относительно действующего напряжения. Выделения пластинчатой формы – более опасные концентраторы напряжений, чем глобулярные. Например, графитные прожилки и структуре серого чугуна делают его хрупким и резко снижают прочность. Ковкий чугун с шаровидными и хлопьевидными включениями графита обладает значительно большей вязкостью и прочностью.

Как примеси, так и компоненты сплавов могут влиять на склонность к хрупкому разрушению не только механизмом блокировки движущихся дислокаций, но и влиянием сопротивления решетки их движению. Повышая предел текучести, легирующие элементы повышают и температуру хрупко–вязкого перехода. Так, в частности, действуют в феррите – основной фазе конструкционных сталей – такие компоненты, как ванадий, кремний, хром после превышения некоторого их содержания.

Очевидно, что термическая обработка сплавов, приводя к образованию различного рода фаз и перераспределению примесей и компонентов между ними, а также и изменению зеренной структуры, может изменить характер разрушения. Одним из подтверждений этому является обратимая или необратимая отпускная хрупкость.

Необратимая отпускная хрупкость присуща углеродистым и легированным сталям после отпуска в область температур 250...400°С. Повторный отпуск при более высокой температуре (400...500°С) снимает хрупкость, и сталь становится к ней не склонна даже при повторном отпуске в район опасных температур. Наиболее вероятной причиной охрупчивания является выделение карбидных фаз по границам зёрен на начальных стадиях распада мартенсита.

Обратимая отпускная хрупкость присуща легированным сталям после высокого отпуска при 500...600 °С и медленного охлаждения от температур отпуска. Она может быть устранена повторным высоким отпуском с быстрым охлаждением и вызвана вновь высоким отпуском с последующим медленным охлаждением. Легирование стали Cr, Ni, Мn усиливает отпускную хрупкость, так как легирующие элементы значительно увеличивают термодинамическую активность примесей и их приток к границам. Обратимая отпускная хрупкость связана с обогащением границ зерен примесями, в первую очередь фосфором и его химическими аналогами: сурьмой, мышьяком, а также оловом.

Таким образом, разрушение – это, как правило, не свойство данного материала, а способность к его проявлению при определенном сочетании внешних факторов (низкая температура, большая доля растягивающих напряжений, высокая скорость приложения нагрузки и т.д.), факторов структуры и фазового состава.

Типичными примерами роли термообработки в снижении склонности к хрупкому разрушению могут быть: гомогенизирующий отжиг, устраняющий ликвационную неоднородность; перекристаллизационный отжиг, исправляющий структуру литой и перегретой стали; регулирование скорости и температуры охлаждения при отпуске с целью избежать проявления необратимой или обратимой отпускной хрупкости и многие другие.