2.2.1 Влияние кислорода

Содержание кислорода в стали зависит от способа раскисления. Кислород в стали может быть связан в химические соединения (окислы) и находиться в состоянии твердого раствора внедрения. Влияние кислородных включений на свойства сталей изучено достаточно хорошо. Однако действие его как примеси, находящейся в состоянии твердого раствора, исследовано мало. Известно, что повышенное содержание кислорода в нераскисленном железе является причиной возникновения кислородной хрупкости, тогда как в сталях этого явления не наблюдается.

Однако есть результаты, которые позволяют относить кислород к числу примесей, влияющих на склонность к задержанному разрушению, относится кислород. Сталь, раскисленная алюминием и содержащая 0,0046% кислорода (плавка 1), менее склонна к задержанному разрушению, чем раскисленная кремнием и содержащая 0,0066% кислорода (плавка 2). После закалки от 950⁰С пороговое напряжение для стали, раскисленной алюминием, составляет 0,6 предела прочности, а для стали, раскисленной кремнием , - 0,4 предела прочности. Закалка с изотермической выдержкой при 860° стали, раскисленной кремнием, увеличивает скорость стабильного роста трещины.

С другой стороны нет оснований считать, что снижение сопротивления замедленному разрушению в стали, раскисленной кремнием, вызывается только повышением содержания в ней кислорода, находящегося в твердом растворе, поскольку кислородная хрупкость в сталях не наблюдается.

Не исключено, что кремний в стали уменьшает эффект взаимодействия углерода с кислородом. Последнее может быть одной из причин усиления вредного влияния кислорода на границах зерен в стали, раскисленной кремнием.

Раскисление металлов — процесс удаления из расплавленных металлов (главным образом стали и других сплавов на основе железа) растворённого в них кислорода, который является вредной примесью, ухудшающей механические свойства металла. Для раскисления применяют элементы (или их сплавы, например ферросплавы), характеризующиеся большим сродством к кислороду, чем основной металл.

2.2.2 Влияние водорода

Насыщение стали водородом может вызвать склонность к замедленному разрушению в таком структурном состоянии, когда сталь в отсутствии водорода практически не склонна к этому виду хрупкого разрушения (например, в отпущенном состоянии).

Склонность к замедленному разрушению, вызванному водородом, зависит от его диффузионной подвижности, которая определяется его взаимодействием с дефектами кристаллического строения - водородными ловушками. Возможны различные по энергии связи с атомами внедрения, легирующими элементами, дислокациями, частицами фаз и другим. С точки зрения возможности зарождения трещин водородные ловушки, по-видимому, могут быть опасными и неопасными.

Для образования трещины при замедленном разрушении стали при насыщении ее водородом необходимо протекание микродеформации, как первой стадии предразрушения. В результате микродеформации в структуре металла возникают эффективные водородные ловушки – OOP – НАИБОЛЕЕ ОПАСНЫЕ. Диффузия водорода в OOP под нагрузкой, по-видимому, приводит к повышению уровня локальных микронапряжений в окрестности OOP. Образование трещины при насыщении стали водородом под напряжением происходит при достижении критической концентрации водорода в ловушках. Обогащение водородом OOP, накопление упругих напряжений и исчерпание их релаксации пластическим путем, вероятно, является основными причинами образования микротрещин в OOP и замедленного разрушения стали при насыщении ее водородом в условиях воздействия внешних упругих напряжений. Опасными водородными ловушками являются также частицы интерметаллидов, частично или когерентно связаннее с матрицей, выделяющиеся при нагреве мартенситностареющих сталей. Водород увеличивает степень трехосности напряжений в этих местах, способствуя образованию микротрещин.

Установлено, что неравномерное распространение стабильной трещины связано с неоднородным распределением водорода вдоль направления ее продвижения. Участки замедления ее распространения совпадают с локальной концентрацией

Исследования показали, что отпуск при 200⁰С закаленной стали 20С2Г3Н2Х2Ф в присутствии водорода резко усиливает её склонность к задержанному разрушению. Отдых и низкий отпуск увеличивают водородопроницаемость и эффективный коэффициент диффузии водорода в стали. Отдых стали после закалки увеличивает подвижность водорода и уменьшает его растворимость, что является следствием релаксации упругих напряжении в OOP. Низкий отпуск ослабляет сопротивление водородной хрупкости в результате повышения подвижности водорода в стали, что облегчает диффузионное перемещение водорода в вершину трещины и способствует её распространению.

Распространение трещины при водородной хрупкости сталей связывают с диффузионным перемещением растворенного в решетке водорода в вершину трещины и с достижением его критической концентрации, вызывающей разрушение.

Замедленное разрушение в сварных соединениях

Особенно опасно явление задержанного разрушения при многослойной сварке высокопрочных сталей. Замедленный характер разрушения соединений мартенситно-стареющей стали 08Х15Н5Д2Т, выполненных многослойной ручной дуговой сваркой, обусловлен протеканием процессов накопления дислокации и вакансий у межфазных границ матрица-включение, наличие локальных напряжений вокруг включений, сварочных напряжений 1-ого рода и в условиях насыщения водородом. Повышение содержания водорода в зонах растяжения матрицы вокруг включений уменьшает критическую длину микротрещин и способствует их раскрытию.

Как правило, при задержанном разрушении многослойных швов трещины располагаются в области границ зерен.

Выводы

1) Остаточные напряжения в закаленных на мартенсит сталях повышают склонность стали к замедленному разрушению.

2) Отпуск и отдых закаленных на мартенсит сталей понижают склонность к замедленному разрушению

3) Склонность к задержанному разрушению существенно зависит от склонности примесей к образованию сегрегаций на границах зерен аустенита перед закалкой. Фосфор наиболее склонен, сурьма и олово в меньшей степени.

4) Наличие кислорода как примеси в твердом растворе повышает склонность стали к замедленному разрушению.

5) Насыщение стали водородом может вызвать склонность к замедленному разрушению в таком структурном состоянии, когда сталь в отсутствии водорода практически не склонна к этому виду хрупкого разрушения.

6) Области объемного растяжения – наиболее опасные ловушки водорода.

7) Отдых и отпуск в присутствии водорода увеличивают склонность стали к замедленному разрушению.

8) Замедленный характер разрушения соединений мартенситно-стареющих сталей, выполненных многослойной ручной дуговой сваркой, обусловлен протеканием процессов накопления дислокаций и вакансий у межфазных границ матрица-включение, наличием локальных напряжений в условиях насыщения водородом.