Количественная оценка склонности стали к отпускной хрупкости
По величине ударной вязкости, измеренной при одной, обычно комнатной температуре, нельзя оценивать склонность стали к отпускной хрупкости. Необходимо измерять ударную вязкость при разных, в том числе отрицательных температурах, т. е. строить так называемые сериальные кривые.
Если сталь не находится в состоянии отпускной хрупкости, то у нее все равно при понижении температуры наступает известный для хладноломких металлов переход от вязкого разрушения к хрупкому, сопровождающийся резким снижением ударной вязкости в узком интервале температур (кривая 1 на рис. 2). Развитие отпускной хрупкости смещает интервал перехода от вязкого к хрупкому разрушению в область более высоких температур (кривые 2-4).
Рис.2. Зависимость ударной вязкости стали с 0,42% С, 0,77% Сг, 0,76% Мn и 0,036% Р от температуры испытаний после часового отпуска при 620° С с охлаждением в воде (1) и со скоростями охлаждения 660 (2), 100 (3) и 9° С/ч (4)
Если склонность стали к отпускной хрупкости оценивать по результатам испытаний только при одной температуре, то можно встретиться со следующими случаями (рис. 3). При температуре испытания Т2 значения ударной вязкости в двух состояниях сильно различаются (именно этому случаю соответствуют условия испытаний на рис. 1). При температуре же испытания Т1, которая может быть и комнатной, по величине ударной вязкости вообще нельзя выявить склонность к отпускной хрупкости, хотя в действительности эта хрупкость имеется (кривая 2 на рис. 3 смещена вправо по сравнению с кривой 1). Нельзя выявить отпускную хрупкость и испытаниями при низкой температуре Т3. Таким образом, хотя приводимые в справочной литературе графики зависимости ударной вязкости при 20°С от температуры отпуска и представляют значительный интерес, отсутствие провалов ударной вязкости на таких графиках не может свидетельствовать, об отсутствии склонности стали к отпускной хрупкости.
Рис.3. Схема зависимости ударной вязкости от температуры испытания стали, не склонной к отпускной хрупкости (1), и стали в состоянии отпускной хрупкости (2)
Для оценки условной температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое (Тх), называемой также критической температурой хрупкости и порогом хладноломкости, используют разные критерии: температуру достижения определенного уровня ударной вязкости (например, 30 Дж/см2), верхнюю границу или температуру середины переходного интервала, температуру, при которой 50% излома занято вязкой (волокнистой) составляющей, и др.
Закономерности развития отпускной хрупкости
Ниже рассмотрены основные закономерности развития обратимой отпускной хрупкости.
1. Углеродистые стали, содержащие менее 0,5% Мn, не склонны к обратимой отпускной хрупкости. Эта хрупкость проявляется только у легированных сталей. Легирующие элементы по-разному влияют на склонность к отпускной хрупкости. К сожалению, именно наиболее широко используемые легирующие элементы хром, никель и марганец, способствуют развитию отпускной хрупкости. Раздельно эти элементы действуют слабее, чем при совместном введении в сталь. Наиболее сильно отпускная хрупкость проявляется у хромоникелевых и хромомарганцевых сталей. Небольшие добавки молибдена (0,2-0,3%) ослабляют отпускную хрупкость, а при большем его содержании отпускная хрупкость усиливается. С уменьшением содержания углерода в стали отпускная хрупкость ослабевает, но не исчезает полностью.
2. Важнейшим является тот факт, что легированные стали очень высокой чистоты совершенно не склонны к отпускной хрупкости, которая вызывается присутствием в промышленных сталях разных примесей, прежде всего фосфора, олова, сурьмы и мышьяка. Если в очень чистую сталь раздельно добавлять эти примеси, то по убыванию силы воздействия на склонность к отпускной хрупкости (∆Тх) в расчете на 0,01 % они располагаются в следующий ряд: Sb, P, Sn, As. С увеличением содержания каждой вредной примеси ∆Тх возрастает.
3. Скорость и степень развития отпускной хрупкости зависят от температуры и времени выдержки стали в опасном температурном интервале (450-600° С). Эта зависимость изображается С-кривыми достижения определенных значений (рис. 4) *. При некоторой температуре отпуска (550°С на рис. 4) начальные стадии охрупчивания наступают значительно быстрее, чем при более высоких или низких температурах.
Рис.4. С-кривые достижения заданных значений температурного порога хрупкости (Тх) при отпуске стали с 0,39% С, 0,77% Сг, 1,26% Ni. 0,79% Мn и 0,015% Р (по данным Джаффи и Баффума). Цифры на кривых - температура Тх, °С
При температурах несколько выше носа С-кривой у многих сталей с увеличением времени выдержки степень охрупчивания проходит через максимум.
4. Независимо от степени развития отпускной хрупкости, кратковременный (несколько минут) повторный нагрев до температур выше 600°С с последующим быстрым охлаждением может полностью ее устранить.
5. Сталь в состоянии отпускной хрупкости имеет структуру состоящую из феррита и карбида, а разрушение при ударных испытаниях происходит преимущественно по границам исходных аустенитных зерен. Чем крупнее исходное аустенитное зерно тем при прочих равных условиях больше ДГ, в результате раз вития отпускной хрупкости.
6. Охрупчивание в интервале температур 450-600°С свойственно не только закаленным на мартенсит сталям. Это охрупчивание - довольно общее явление. Оно, хотя и в меньшей степени проявляется у сталей с бейнитной структурой и еще слабее - у сталей с перлитной структурой, причем во всех случаях охрупчивание обратимо. Стали с высокой склонностью к отпускной хрупкости рекомендуется и при отжиге ускоренно охлаждать в опасном интервале температур.
* -кривые охрупчивания ничего общего, кроме формы, не имеют с известными С-кривыми фазовых превращений.