Обратимая отпускная хрупкость

Характерным для обратимой  отпускной хрупкости легированных сталей является то, что хрупкое  разрушение стали в охрупченном состоянии распространяется, как правило, по границам бывших аустенитных зерен. В свое время это послужило причиной многочисленных предположений о протекании процессов, приводящих к ослаблению межзёренной связи при развитии отпускной хрупкости, не в α-фазе (или не только в ней) в процессе охрупчивающей обработки, а на более ранней стадии, т.е. при аустенитизации под закалку или нормализацию, предшествующую высокому отпуску и охрупчивающей обработке. Роль последней при такой трактовке сводится лишь к созданию условий, в которых может проявиться возникшее в γ-фазе ослабление межзеренных границ аустенитных зерен.

Однако результаты более  поздних работ показали, что разрушение по границам именно аустенитных зерен не имеет принципиального характера и не является обязательным признаком обратимой отпускной хрупкости. Охрупченные образцы разрушаются и по границам ферритных зерен, если, например, одновременно с высоким отпуском, предшествующим охрупчиванию, происходит рекристаллизация в α-фазе и границы бывших аустенитных зерен не сохраняются, или если охрупчиванию подвергается сплав, вообще не имеющий α-γ-превращения, например, кремнистое железо (содержащее примесь фосфора) с ОЦК решеткой во всей температурной области существования в твердом состоянии .

Поскольку развитие обратимой  отпускной хрупкости сопровождается увеличением доли межзёренного хрупкого разрушения, но не связано с общим повышением начального сопротивления сдвиговой деформации (предела текучести), были высказаны предположения о связи отпускной хрупкости со снижением сопротивления отрыву по границам зерен. Причиной этого снижения могло быть как присутствие большого количества высокодисперсных включений или тонких плёночных выделений вторичных фаз на межзеренных границах, так и изменение состава твердого α-раствора в приграничных зонах зерен.

Установлено, что на поверхности  межзёренного излома наблюдается примерно равное число карбидных частиц и ямок — отпечатков от тех частиц, которые остались на другой половине разбитого образца. Это означает, что интеркристаллитная трещина, встречая на своем пути карбидные включения, не раскалывает их, а обходит по внешнему контуру. А это, в свою очередь, означает, что хрупкость таких включений сама по себе не определяет межзеренного разрушения. Более того, на поверхности нетравленного межзеренного излома стали в состоянии отпускной хрупкости видны только такие (по размерам и форме) карбидные частицы, какие наблюдаются на поверхности протравленного шлифа на границах зерен. Никаких других, более мелких частиц или двумерных фаз типа пленок, лежащих на обнаруженной поверхности зерна, обнаружить с помощью электронной микроскопии не удалось, несмотря на различные методические ухищрения.

В тех случаях, когда на поверхности хрупкого излома улучшенных (с быстрым охлаждением после  высокого отпуска) образцов встречались  отдельные участки межзеренного разрушения, они выглядели совершенно так же, как и на поверхности изломов образцов в состоянии отпускной хрупкости.

Таким образом, исследования строения поверхности межзеренных изломов показывают, что развитие в стали обратимой отпускной хрупкости не связано с появлением специфических выделений какой-либо фазы.

Что касается второй из указанных  возможных причин снижения сопротивления отрыву по границам зерен, - изменения состава твердого раствора в приграничных зонах зерен, - то отсутствие достаточно локальных прямых методом определения концентрации элементов в тонких приграничных зонах в течение длительного времени не позволяло достаточно определенно установить наличие таких изменений. Локальный рентгеноспектральный анализ и авторадиография не дали положительного результата. Качественные подтверждения обогащения приграничных зон зерен в стали некоторыми элементами были получены с использованием травления поверхностей излома с последующим анализом отработанного травителя, а также путем моделирования предполагаемых гальванических микроэлементов, работающих на поверхности шлифа при его травлении. После появления в 1967-1969 гг. первых сообщений о разработке и использовании для изучения природы отпускной хрупкости одного из наиболее локальных методов анализа - электронной спектроскопии - были установлены основные качественные и количественные закономерности происходящего при развитии обратимой отпускной хрупкости обогащения границ зерен элементами, ослабляющими межзёренное сцепление. Важные для понимания природы межзёренной хрупкости данные об изменении химического состава приграничных зон зерен при охрупчивании стали и сплавов железа получены также с использованием методов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рассеяния высокоэнергетических ионов, просвечивающей электронной микроскопии, внутреннего трения и других методов.

СПОСОБЫ БОРЬБЫ С  ОБРАТИМОЙ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТЬЮ

 

Поскольку на развитие обратимой  отпускной хрупкости существенно  влияют химический состав стали, в частности, содержание как примесных, так и легирующих элементов, и ее термическая обработка, меры борьбы с охрупчиванием включают воздействие на эти факторы и состоят соответственно этому из трех основных групп:

1. контроля и ограничения содержания примесных элементов;

2. специального легирования и ограничения концентраций легирующих элементов;

3. ослабления отпускной хрупкости методами термической обработки.

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 Мo (0,2-0,4 %) или его аналогом W (0,6-1,2%.) уменьшает, а иногда полностью подавляет склонность стали к обратимой отпускной хрупкости; при более высоком содержании этих элементов хрупкость вновь усиливается. Так же способствовало снижению обратимой отпускной хрупкости ускоренное охлаждение (вода или масло) после высокого отпуска или снижение содержания вредных примесей, особенно фосфора.

Контроль и ограничение  содержания примесных элементов предполагают такие меры как использование чистых шихтовых материалов при выплавке стали с целью снижения концентраций традиционных охрупчивающих примесей — фосфора, сурьмы, олова, мышьяка; применение углеродного раскисления в вакууме и специальных методов переплава для снижения содержания кремния и марганца в сталях, не легированных этими элементами специально; использование эффектов конкурентной сегрегации, т.е. микролегирование сплавов примесями, вытесняющими в результате их зернограничной сегрегации охрупчивающие элементы с границ зерен, но не вызывающими ослабления межзеренной когезии.

Нагартовка устраняет отпускную хрупкость стали или предупреждает ее развитие (при пластической деформации, проводимой до возникновения отпускной хрупкости).

Необходимо также отметить, что применение вместо обычной закалки  высокотемпературной термомеханической  обработки (ВТМО) позволяет подавить склонность, как к необратимой, так  и к обратимой отпускной хрупкости. 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.

 

ВЫВОДЫ

 

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.

От отпускной хрупкости  можно избавиться, если после отпуска  производить быстрое охлаждение. Но с практической точки зрения это  возможно только для небольших изделий  из легированной конструкционной стали.

В крупных изделиях из кованной стали отпускная хрупкость является серьезной проблемой термообработки. После отжига такие изделия быстро охлаждаются снаружи и значительно медленнее внутри, к тому же скорость охлаждения ограничена возникновением внутренних напряжений. Вследствие особенностей охлаждения изделий из кованной стали легко возникают сегрегации примесей и легирующих элементов, что способствует охрупчиванию изделий. Так как по мере укрупнения деталей к их качеству предъявляются и более высокие требования, то проблема отпускной хрупкости таких деталей становится еще более серьезной.

Многие детали машин высокого давления работают в области температур соответствующих охрупчиванию. И в этом случае отпускная хрупкость является серьезным ограничением в применении легированных сталей при создании специализированного оборудования.

Необходимо учитывать  склонность легированных сталей к охрупчиванию при создании машин, работающих при низких температурах, так как отпускная хрупкость выражается, прежде всего, в повышении температуры вязко - хрупкого перехода, которая является важнейшим критерием работоспособности деталей машин в этих условиях.

Поэтому более эффективное  использование сталей в условиях, например, Западной Сибири возможно только с учетом явления обратимой отпускной  хрупкости (ООХ).

Степень охрупчивания коррелирует с количеством равновесных сегрегаций фосфора и кремния в границах зерен. С усилением охрупчивания увеличивается количество сегрегаций фосфора и кремния. При постоянном количестве примесей в границах зерен охрупчивание связано с кинетикой карбидообразования.

Установлено, что степень  охрупчивания сталей усиливается с увеличением длительности и с понижением температуры изотермических выдержек. При каждой температуре выдержки наступает максимальное охрупчивание, после которого снижение Тк не наблюдается, и чем выше температура выдержки, тем быстрее достигается максимум.

Сталь 45 после высокого отпуска определенного режима имеет признаки обратимой отпускной хрупкости, т.е. температура хрупкого перехода повышается с увеличением длительности пребывания стали в интервале температур 550-450 °С степень охрупчивания усиливается от стали 45 к сталям 40Х и ЗОХГС А при одинаковых режимах отпуска.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Новиков И. И. Теория  термической обработки металлов.-4-е  изд.- М.: Металлургия, 1986, -480с.

2. Устиновщиков Ю. И., Банных О. А. Природа отпускной хрупкости сталей. М.: Наука, 1984.

3. Утевский Л. М., Гликман Е. Э., Карк Г. С. Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа. М.: Металлургия, 1987.

4. Забильский В. А. Проблема отпускной хрупкости конструкционных легированных сталей (Обзор) / МИТОМ. 1987. N1, с.24-32.