Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситног

рией «изгнания» их из карбидов [117], что еще более усугубляет ситуацию, увеличивая концентрацию фосфо­ ра на границах и усиливая склонность к хрупкому разру­ шению.

Кроме зернограничных карбидов, важную роль в охрупчивании играет и образование внутризеренных выделений. Внутризеренные мелкодисперсные карбиды повышают прочность тела зерна, а сегрегации фосфора уменьшают прочность границ зерен, в результате чего увеличивается вероятность интеркристаллитного разру­ шения и усиливается склонность к отпускной хрупкости [39, 117, 118]. Аналогичную роль могут играть и высоко­ дисперсные частицы меди [117].

Таким образом, можно говорить о том, что «хими­ ческим условием развития обратимой отпускной хрупко­ сти сплавов на основе a -железа является наличие в них достаточного количества опасной примеси. Присутствие углерода и легирующих элементов не является необхо­ димым» [38]. Тем не менее и углерод, и легирующие элементы существенным образом влияют на условия и степень проявления отпускной хрупкости, главным об­ разом через процессы карбидообразования.

В интервале температур отпуска 450-600 °С могут проходить процессы дисперсионного упрочнения (твер­ дения). Явление дисперсионного упрочнения (твердения) наблюдается в сталях, легированных сильными карбидо­ образующими элементами: хромом, молибденом, вольф­ рамом и т.д. Упрочнение происходит в результате выде­ ления дисперсных частиц специальных карбидов в теле зерна. Аналогичное явление наблюдается в сталях, в ко­ торых упрочняющими фазами являются нитриды и ин­ терметаллиды [28,119].

Дисперсные карбидные частицы повышают предел текучести стали (твердость, временное сопротивление), так как являются эффективными препятствиями на пути движения дислокаций. Однако этот же фактор является причиной снижения ударной вязкости стали [119,123].

В отличие от обратимой отпускной хрупкости, ха­ рактерным признаком которого является межзеренное разрушение [38], при дисперсионном упрочнении на­ блюдаются преимущественно фасетки транскристаллитного скола и квазискола [65].

Эффект дисперсионного упрочнения (твердения) и связанное с ним охрупчивание в принципе не зависят от содержания углерода и могут проявляться как в сред­ неуглеродистых [119, 120], так и в низкоуглеродистых сталях [121, 122].

Склонность к хрупкому разрушению дисперсионно упрочняемых сталей зависит прежде всего от места вы­ деления дисперсных частиц. При одинаковом уровне прочности ударная вязкость будет ниже в тех сталях, где карбиды распределены неравномерно, с преимуществен­ ным выделением по границам зерен [119, 120]. Наличие фосфора в стали будет повышать степень охрупчивания и менять транскристаллитный характер разрушения на менее энергоемкий интеркристаллитный скол [124].

Таким образом, на основании анализа приведенных выше данных можно говорить о том, что основными процессами, вызывающими хрупкость стали при отпуске, являются формирование зернограничных сегрегаций и образование карбидов. Наличие фосфора даже в не­ больших количествах, характерное для сталей промыш­ ленной чистоты (порядка сотых долей процента), приво­ дит к образованию зернограничных сегрегаций и значи­ тельному уменьшению прочности границ. Миграция фосфора на границы происходит в основном во время отпуска и частично во время аустенитизации. Повышен­ ная концентрация фосфора на границах провоцирует наименее энергоемкий вид разрушения - интеркристал­ литный скол. При отсутствии фосфора охрупчивание ха­ рактеризуется транскристаллитным разрушением и кон­ тролируется процессами карбидообразования (выделение цементита или специальных карбидов). Образование

дисперсных внутризеренных частиц повышает прочность зерен, а пластинчатые или грубые выделения карбидов на границах зерен снижают межзеренную прочность. И тот, и другой процесс уменьшают сопротивление стали хрупкому разрушению, особенно сильно при наличии сегрегаций вредных примесей. Углерод и легирующие элементы могут как усиливать, так и ослаблять отпуск­ ную хрупкость в зависимости от их содержания, влияния на процессы карбидообразования и взаимодействие

сфосфором.

3.2.Механические свойства отпущенного НМ различных систем легирования

Вязкость (KCU) и количество вязкой составляющей в изломе (% В) сталей 05Х2Г, 05ХЗГ и 05ХЗН (системы хром-марганец и хром-никель) связаны с температурой отпуска немонотонными зависимостями (рис. 3.5, 3.6), а твердость (НВ) монотонно понижается с ростом темпе­ ратуры отпуска. Для получения структуры низкоуглеро­ дистого мартенсита стали закаливали в воду. Температу­ ра закалки для сталей 05ХЗГ и 05ХЗН - 950 °С, для ста­ ли 05Х 2Г-950и 1070 °С.

Все стали в закаленном состоянии (температура на­ грева под закалку 950 °С) имеют повышенный уровень ударной вязкости (KCU = 0,8-1,05 МДж/м2), который ос­ тается неизменным и после отпуска при 200 °С, характер излома преимущественно ямочный, что свидетельствует о вязком микромеханизме разрушения.

Отпуск при температуре 350 °С приводит к сниже­ нию ударной вязкости, повышению порога хладноломко­ сти, о чем свидетельствует уменьшение доли вязкой составляющей в изломе, и смене микромеханизма раз­ рушения на преимущественно хрупкий транскристаплитный скол и квазискол. При этом наблюдается некото­ рое увеличение твердости.

Т отпуска, °С

Рис. 3.5. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость, твердость и долю вязкой составляю­ щей в изломе (% В) стали 05Х2Г, закаленной с раз­ ных температур: 1 - закалка 950 °С, вода; 2 - закал­ ка 1070 °С, вода

Повышение температуры отпуска до 500 °С ведет к разупрочнению и хромомарганцевых, и хромоникеле­ вой сталей. При этом на кривых изменения ударной вяз­ кости и доли волокна в изломе в композиции Cr-Мп на­ блюдается второй провал или площадка, а в композиции

0

2,0

1,6

1,2

0,8 S

0,4

Т отпуска, °С

Рис. 3.6. Влияние температуры отпуска на удар­ ную вязкость, твердость и долю вязкой состав­ ляющей в изломе (%В) сталей 05ХЗН и 05ХЗГ (закалка 950 °С, вода): 1 - сталь 05ХЗН; 2 - сталь 05ХЗГ

Cr-Ni эти характеристики остаются на низком уровне. В сталях 05Х2Г и 05ХЗГ доминирует вязкий ямочный микромеханизм разрушения, а в центральных участках излома, где пластическая деформация затруднена, на­ блюдаются фасетки транскристаллитного скола и мно­ жество вторичных межзеренных трещин. В изломе ста-

ли 05ХЗН сохраняется преимущественно транскристаллитный скол, как после отпуска при 350 °С, однако до­ полнительно появляются вторичные трещины и отдель­ ные фасетки интеркристаллитного скола. Появление вто­ ричных межзеренных трещин, а особенно фасеток интеркристаллитного скола свидетельствует об ослабле­ нии границ зерен. Дальнейшее повышение температуры отпуска приводит к резкому увеличению ударной вязко­ сти при существенном снижении твердости.

Увеличение температуры нагрева под закалку до 1070 °С (см. рис. 3.6) несколько повышает общий уро­ вень ударной вязкости в закаленном состоянии при меньшей твердости, по сравнению с закалкой от 950 °С, и видоизменяет зависимости свойств стали 05Х2Г от температуры отпуска. Так, KCU после отпуска при 350 °С снижается очень незначительно, минимального значения достигает только после отпуска при 500 °С и резко увеличивается при дальнейшем повышении тем­ пературы отпуска. Незначительная разница в твердости перегретой и нормально закаленной стали в исходном состоянии полностью исчезает после отпуска при 350 °С, а процессы разупрочнения в перегретой стали начинают­ ся при более высоких температурах.

Анализ полученных экспериментальных данных по­ зволяет говорить о том, что в низкоуглеродистых низко­ легированных сталях систем Cr-Мп и Cr-Ni возможны два вида охрупчивания: «низкотемпературное» (после отпуска при 350 °С) и «высокотемпературное» (после отпуска при 500 °С).

Причиной «низкотемпературного» охрупчивания является образование частиц цементита. Это подтвер­ ждает, во-первых, повышение твердости (см. рис. 3.5- 3.6), а во-вторых, транскристаллитный характер разру­ шения. Повышение температуры нагрева под закалку способствует более полной гомогенизации твердого рас­ твора, а следовательно, затрудняет процессы карбидооб­

разования при отпуске (разупрочнение начинается при более высоких температурах отпуска). В результате сте­ пень охрупчивания перегретой стали значительно мень­ ше, чем после нормальной закалки (сталь 05Х2Г, см. рис. 3.5). Увеличение содержания хрома в твердом растворе (стали 05Х2Г и 05ХЗГ) понижает подвижность атомов углерода даже при пониженных температурах (350 °С) и затрудняет карбидообразование. Хром, диф­ фузионная подвижность которого при данных темпера­ турах отпуска еще низка, удерживает около себя атомы углерода и тем самым замедляет образование цементитных частиц, а значит, уменьшает степень охрупчивания. Подобным образом действует и марганец в стали 05ХЗГ по сравнению со сталью 05ХЗН (см. рис. 3.6). Введение в состав стали 1 % Ni взамен 1 % Мп, при прочих равных условиях, облегчает подвижность атомов углерода [28], следовательно, ускоряет процессы карбидообразования и тем самым способствует снижению ударной вязкости.

Причиной «высокотемпературного» охрупчивания является зернограничная сегрегация фосфора. Основным доказательством этому служит появление фасеток интеркристаллитного скола и вторичных трещин, так как по­ вышение концентрации фосфора на границах ведет к ос­ лаблению межзеренной связи. Увеличение размера зерна ведет к формированию более мощных зернограничных сегрегаций фосфора по сравнению с мелкозернистой структурой, а следовательно, к более сильному охрупчи­ ванию, что и наблюдается в стали 05Х2Г после перегре­ ва. По литературным данным [38, 60, 78, 80, 91] никель является элементом, который в наибольшей степени про­ воцирует охрупчивание при 500-550 °С. Этим можно объяснить низкую ударную вязкость стали 05ХЗН после отпуска при 500 °С, по сравнению с композицией Сг-Мп. В сталях 05Х2Г и 05ХЗГ охрупчивание, вызванное зер­ нограничными сегрегациями фосфора, проявляется в за­ медлении темпа прироста ударной вязкости и в появле­

нии хрупких участков и вторичных межзеренных трещин в центральных участках излома.

На рис. 3.7, 3.8 представлено влияние температуры отпуска на ударную вязкость (KCU), твердость (НВ) и количество вязкой составляющей в изломе (% В) ста­ лей 05X3НЗ (закалка 950 и 1070 °С, вода) и 05Х2НЗ (за­ калка 950 °С, вода).

Э

У

6

в

к

X

I

£

Рис. 3.7. Влияние температуры отпуска на удар­ ную вязкость, твердость и долю вязкой состав­ ляющей в изломе (%В) стали 05X3НЗ, закален­ ной с разных температур: 1 - закалка 950 °С, во­ да; 2 - закалка 1070 °С, вода

Рис. 3.8. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость, твердость и долю вязкой составляющей в изло­ ме (% В) сталей 05ХЗНЗ и 05Х2НЗ: /-сталь 05ХЗНЗ; 2 -сталь 05Х2НЗ

Повышение содержания никеля до 3 % (стали 05X3НЗ и 05Х2НЗ) уменьшает степень охрупчивания по­ сле отпуска при 350 °С, но усиливает охрупчивание по­ сле отпуска при 500 °С, по сравнению с низколегирован­ ными сталями. В данном случае испытания при комнат­

ной температуре не выявили существенного снижения ударной вязкости после отпуска при 350 °С, но наблюда­ лось уменьшение доли волокна в изломе, что свидетель­ ствует о повышении порога хладноломкости. Такое про­ явление «низкотемпературного» охрупчивания-, связан­ ное с образованием цементита, можно объяснить тем, что никель, при содержании 3 %, не только значительно об­ легчает подвижность углерода, но и способствует его бо­ лее равномерному распределению в объеме металла. Это, в свою очередь, ведет к более равномерному распределе­ нию карбидов и к более высокому уровню ударной вязкости.

Значительное снижение ударной вязкости в стали 05ХЗНЗ после отпуска при 500 °С (см. рис. 3.7), вероят­ но, вызвано тем, что на охрупчивание, связанное с зерно­ граничными сегрегациями фосфора, дополнительно накладывается охрупчивание, связанное с выделением карбидной фазы. При подобном легировании и данной температуре отпуска возможно образование карбидов хрома, которые выделяются как в теле зерна, так и на границах зерен, и при этой же температуре на границах зерен концентрируется фосфор. В результате наложения этих двух факторов межзеренная связь существенно уменьшается, и происходит катастрофическое охрупчи­ вание, особенно в перегретой стали. Разрушение полно­ стью хрупкое интеркристаллитное, в изломе наблюда­ лось большое количество вторичных межзеренных трещин.

В стали 05Х2НЗ содержания хрома еще недостаточ­ но для образования собственных карбидов, поэтому здесь фактором, способствующим охрупчиванию, явля­ ется только зернограничная сегрегация фосфора. При этом уровень минимальной ударной вязкости сущест­ венно выше, чем в стали 05ХЗНЗ (см. рис. 3.8), а в изло­ ме при доминирующем интеркристаллитном характере разрушения наблюдалась значительная доля транскристаллитных фасеток и отдельные ямки.