1310

и 35 было равно соответственно 180 и 210 даН/мм2. Закаливание из межкритической области темпера­ тур привело к возникновению структурной неоднородности: рав­ номерному распределению мягких (структурно-свободного феррита) и жестких областей (мартенситных пакетов) и как следствие — к зна­ чительному снижению уровня со­ противления микросколу для ста­ ли 20 до 120 даН/мм2 и стали 35 до 170 даН/мм2. Интересно, в связи с отмеченным эффектом, сравнить результаты испытаний отожжен­ ных сталей 20 и 35, а также норма­

лизованной из межкритического

на перлита:

интервала стали 20 и отожженной при 1100 °С стали 45 (см. табл. 5.5—5.7). Эти пары выбраны для

сравнения по той причине, что в результате указанных обработок были получены состояния с примерно одинаковыми по размеру фер­ ритными зернами: 26 и 28 мкм для первой пары и 20 и 18 мкм для второй, по различными перлитными зернами: 10 и 26 мкм и 12 и 20 мкм. Как видно из табл. 5.5—5.7, при одинаковом по величине ферритном зерне сопротивление микросколу R MCниже в том случае, когда сосе­

дом является более прочное перлитное зерно. Причем чем тверже, прочнее соседнее зерно, тем большее снижение напряжения хруп­ кого разрушения по сравнению с расчетом. Так, на рис. 5.8 приведе­ на зависимость сопротивления микросколу R MCот ферритного зерна

при фиксированном размере перлитного зерна для отожженного и нормализованного состояний исследованных сталей. Сравнительно небольшое количество экспериментальных данных на рис. 5.8 объяс­ няется тем, что методически достаточно сложно получить на разных по содержанию углерода сталях структурные состояния с одинаковым перлитным и различным ферритным зерном. Тем не менее, анализи­ руя представленные результаты, можно сделать следующие предва­ рительные выводы: во-первых, для обоих структурных состояний наблюдается корреляция между размером зерном феррита и напря­ жением хрупкого разрушения; во-вторых, в обоих состояниях отмечается снижение R MCно сравнению с расчетом для ферритных

зерен таких же размеров (сплошная линия на рис. 5.8), но без нали­ чия перлитной составляющей, и в третьих, мы уже это отмечали выше, чем «прочнее» сосед, тем больше «эффект смешанной структуры»: при одинаковом ферритном зерне сопротивление микросколу норма­ лизованной среднеуглеродистой стали ниже, чем отожженной. В при­ веденном выше анализе использовались результаты, полученные на различных марках стали, характеризующихся разным количест­ вом второй (перлитной) составляющей. Этот фактор, не оказывая

12J

•Рис. 5.9. Структурная зависимость сопротивления микроскопу стали 35: 1 — отжиг; 2 — нормализация; 3 — расчет по (2.29).

Рис. 5.10. Влияние большего зерна на сопротивление микроскопу сталей со сме­ шанной феррито-перлитной структурой:

влияния на отмеченную корреляцию между 7?мо и величиной феррит­ ного зерна, может уменьшать сопротивление микросколу, приводя к некоторому разбросу экспериментальных точек. На рис. 5.9 при­ ведена зависимость R KC от d одной из исследованных сталей 35 в

двух состояниях: после отжига и нормализации. Причем при построе­ нии экспериментальной зависимости R m от d для каждого состояния

выбиралось зерно большего размера, независимо от того ферритное оно или перлитное. Как видим, и при постоянном количестве второй (перлитной) фазы зависимость напряжения хрупкого разрушения от размера зерна феррита (отожженное состояние) сохраняется, оста­ ваясь по-прежнему на более низком уровне, чем для гомогенного со­ стояния. Сохраняется уже отмечавшийся эффект более «прочного» со­ седа — на нормализованной структуре снижение уровня микроскола больше, чем на отожженном. Таким образом, можно сделать вывод о том, что сопротивление микросколу смешанных феррито-перлит­ ных структур определяется не столько количеством перлитной со­ ставляющей, сколько самим наличием разнопрочных соседей в струк­ туре подобных сталей. Однако по мере увеличения содержания уг­ лерода в стали возрастает вероятность образования перлитных зерен, больших, чем ферритное. По-видимому, в такой ситуации (dn > d$)

микроскол контролируется перлитным зерном. На рис. 5.10 представлена зависимость сопротивления микросколу от размера большего (ферритного или перлитного) зерна исследованных сталей после отжига и нормализации (штриховые прямые). Светлые точки соответствуют состояниям, характеризующимся большим феррит­ ным зерном, темные — перлитным. Отсюда видно: все эксперимен­ тальные данные (соответствующие одной термической обработ-

122

Рис. 5.11. Микроструктура смешанной структуры отожженной стали 50 (X 300).

Рис. 5.12. Электронная микроструктура стали У8 с глобулярным цементитом

(Х21 000).

ке) свидетельствуют о наличии линейной зависимости сопротивле­ ния микросколу от большего (ферритного или перлитного) зерна стали, угол наклона которой, однако, меньше, чем для гомогенных материалов. И как уже неоднократно отмечалось выше, чем более разнопрочвые соседние зерна, тем сильнее эффект снижения Дмс при равном ферритном зерне. Вследствие того что на отожженных образцах удалось получить наибольшее количество состояний с различными вариантами размеров ферритных и перлитных зерен, представляется возможным проанализировать влияние количества перлитной фазы на снижение уровня напряжения хрупкого разру­ шения смешанных феррито-перлитных структур. Наибольшее сни­ жение RKC(рис. 5.10) было отмечено на образцах отожженной стали

45 (RMC = 93 и 95 даН/мм2 при d~l/f = 7,1 и 8,2 мм—,/*). Очевидно,;

что структурное состояние именно стали 45 в максимально возмож­ ной степени отличается своей неоднородностью как от чистого фер­ рита, так и от эвтектоида стали 70 или 80. Уже на отожженных образцах стали 50, характеризующихся наличием значительно боль­ шего количества перлита (рис. 5.11), почти не наблюдается так назы­ ваемый эффект смешанной структуры — снижение R m . Эксперимен­

тальные точки хорошо совпадают с расчетом, выполненным для гомо­ генного материала. Экспериментальные значения сопротивления микросколу отожженных сталей 70 и 80, характеризующихся от­ сутствием структурно свободного феррита и обсуждавшиеся выше (гл. 4), также корректно совпадают с расчетом по (2.29).

Таким образом, рассмотренные в настоящем параграфе экспери­ ментальные данные позволяют отметить некоторые особенности хруп­ кого разрушения среднеуглеродистых сталей. Наличие структурной неоднородности приводит к заметному снижению критического на­ пряжения хрупкого разрушения акр = R Mо стали и тем большему,;

чем в большей степени выражена эта неоднородность. Эффект сниже­ ния сопротивления микросколу связан, по-видимому, с перенапряже­ нием в полосе скольжения ферритного участка, вызванным большим сопротивлением текучести жестких соседних областей (мартенситных

123

пакетов, перлитных колоний). И чем большее перенапряжение тре­ буется для реализации макротекучести такой структуры* тем значи­ тельнее снижение хрупкой прочности материала.

§ 5.3. Стали с глобулярным цементитом

Экспериментальная проверка уравнения (2.24), устанавливающе­ го взаимосвязь критического напряжения хрупкого разрушения с величиной глобулярного цементита, проводилась на сталях с содер­ жанием углерода 0,04—0,9 % [96, 97]. Сфероидизация цементита осу­

ществлялась нагревом (до 680 °С) с различным временем выдержки (от 5 мин до 24 ч) закаленных, патентированных, отожженных ста­ лей, а также маятниковым отжигом. В результате проведенных тер­ мообработок были получены состояния с размерами ферритных зе­ рен в интервале 4 -f- 5 и 80 мкм и диаметром глобулей цементита 0,42—1,9 мкм (табл. 5.9, рис. 5.12). На рис. 5.13 приведена типичная для исследованных структурных состояний (феррит + глобулярный цементит) температурная зависимость прочностных сто,2; CJb; S Hи пла­

стической ф характеристик. Почти для всех полученных состояний удалось прямым методом определить сопротивление микросколу Ямс. Как видно из рис. 5.14, экспериментально найденные значения Дыс в основном располагаются ниже расчетной зависимости (2.29) напряжения микроскола от зерна феррита и достаточно хорошо удов­ летворяют теоретической зависимости i?MC от размера цементитного глобуля по выражению (2.24) — рис. 5.15. Таким образом, в рассмот­ ренных структурных состояниях хрупкое разрушение происходит

Т а б л и ц а 5.9. Результаты структурного анализа исследованных сталей

124

Рис. 5.13. Зависимость механических характеристик стали 45 с глобулярным цементитом от температуры испытания.

Рис. 5.14. Зависимость сопротивления микросколу сталей с глобулярным цемен­ титом от размера зерна:

1 — сталь У9; 2 — сталь У8; 3 — сталь У7; 4 — сталь 45; 5 — сталь 40Х; 6 — сталь 35; 7 — сталь 20; 8 — сталь 10; 9 — сталь 08кп; сплошная линия — расчет по (2.29).

в результате развития микроскола, инициированного сколом цементитного глобуля. Возникающая при этом субмикротрещина по раз­ меру равна удвоенной величине глобуля (сгл = 2dn).

Интересный результат был получен при испытании образцов с размерами зерна феррита (k = 80 мкм и глобуля цементита dn = = 1,9 мкм из стали 45 и d3 = 40 мкм и dn = 0,65 мкм из стали У8.

Для обоих состояний напряжение микроскола одинаково хорошо удовлетворяет соотношениям (2.29) и (2.24). Это обстотельство сви­ детельствует о том, что для данных структурных состояний размеры субмикротрещин, возникающих на границах зерен и в результате среза (скола) цементитных частиц, одинаковы и микроскол равнове­

роятен как от одних, так и от дру­ гих. Легко рассчитать, при каком

Рис. 5.15. Зависимость сопротивления микросколу от дисперсноси; цементитных глобулей; сплошная линия — расчет по (2.24),

Рис, 5.16. Микроструктура стали У8 (Х900),

125

размере ферритного зерна растрескивание цементита не сможет вызвать общее разрушение из-за того, что зародышевая субмикро­ трещина, возникающая на границе ферритного зерна, окажется боль­ ше субмикротрещины в цементите и потому контролирующая функ­ ция в разрушении перейдет к зерну. Условие перехода от зеренного к цементитному механизму микроскола уже рассматривалось в гл. 2 в виде отношения зерна феррита dq и диаметра цементитного гло-

чески условие смены источника микроскола. Действительно, для тех случаев, когда экспериментальные значения Ямс хорошо удовлетво­ ряют уравнению (2.29) (рис. 5.14), отношение cUdD больше крити­

ческого (см. табл. 5.9, 1 и 3), когда же разрушение контролируется дисперсностью цементитной фазы (рис. 5.15), dJdL^ <С 52 (табл. 5.9).

При термообработке углеродистых сталей нередки случаи реали­ зации структурных состояний, характеризующихся наличием как глобулярного, так и пластинчатого цементита (рис. 5.16). Наличие нового источника субмикротрещин вызывает необходимость установ­ ления еще одного условия смены микромеханизмов разрушения. Из равенства уравнений (2.22) и (2.24) легко установить критическое соотношение между размером глобуля и толщиной пластинки цемен­ тита:

Естественно, что из трех возможных уровней критического напряже­ ния разрушения по (2.29), (2.22) или (2.24) должен реализоваться тот, который соответствует большей зародышевой субмикротрещине и, следовательно, меньшему значению напряжения микроскола. Экс­ периментальная проверка этого вывода производилась на образцах из сталей 45 и У8. В результате предварительных термообработок были получены состояния, характеризующиеся наличием как гло­

<ц = 0,028 мкм. Тогда отношение dnltn для образцов из стали 45 рав­

но 19 и стали У8 — 7. Следовательно, исходя из (5.1) в первом слу­ чае микроскол должен инициироваться растрескиванием глобулей* а во втором — пластинок цементита. Действительно, расчетные зна­ чения Ямс Для стали 45 по (2.24) и стали У8 по (2.22), равные соот­ ветственно 79 и 147 даН/мм2, практически совпадают с эксперимен­ тальными (рис. 5.14).

Таким образом, анализ критических отношений (2.18), (2.21) и (5.1) уже на стадии структурных исследований позволяет установить структурный параметр, контролирующий хрупкое разрушение мате­ риала и тем самым по соответствующим уравнениям — (2.29), (2.24) или (2.22) — прогнозировать критическое напряжение хрупкого раз­ рушения. Ранее, в § 5.1, отмечалась характерная особенность темпе­ ратурной зависимости напряжения разрушения, связанная с типом реализуемого источника микроскола. Так, если микроскол вызыва­ ется субмикротрещйнощ возникающей на границе действительного

126

Рис. 5,17. Влияние морфологии цементита на характер температурном зависи­ мости механических характеристик углеродистой стали:

о — глобулярный цементит; б — пластинчатый цементит.

зерна стали, в области температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое наблюдается резкий спад разрушающего напряжения до уровня предела текучести (или прочности). Если же источником микроскола является растрескивание цементита, аномальное изменение напряжения разрушения не отмечается (рис. 5.17, б). Оказывается, однако, (рис. 5.17, а) если присутствующий в стали цементит находит­

ся в глобулярной форме, то и при условии реализации цементитного источника микроскола напряжение разрушения испытывает такое же снижение вблизи температуры хладноломкости, как и при зеренном микромеханизме микроскола. Этот эффект связан, по-видимому, с особенностями кристаллографии среза (скола) цементита разной формы. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в следующей главе.

Итак, на рассмотренном в настоящей главе экспериментальном материале достаточно убедительно продемонстрирована роль второй фазы — цементита в формировании одной из фундаментальных ме­ ханических характеристик стали — сопротивления микросколу i?MC. Исходя из модельных представлений (экспериментально это бы­ ло подтверждено) удалось установить критические отношения раз­

микроскол в соответствии с тео-

127

Рис. 5.18. Сопоставление расчета с экспериментальными значениями сопротивле­ ния микроскопу сталей с различным содержанием углерода:

<1 — 0,04 %; б — 0,08 %; в — 0,13 %; г — 0,21 %.

рией. Из §5.2 видно, что разрушение малоуглеродистых и среднеугле­ родистых сталей со смешанной (феррит + пластинчатый перлит) струк­ турой не подчиняются установленным для однородных структур закономерностям. Аналогичная ситуация может наблюдаться и в случае зернистого цементита. В сталях с глобулярным цементи­ том возможны состояния, когда выполняется условие d3/da < 52,

т. е. критическое напряжение хрупкого разрушения должно опре­ деляться дисперсностью цементитной фазы, однако сопротивление мнкросколу зависит от размера зерна феррита. Рассмотрим резуль­ таты специально поставленных экспериментов8. Исследовались стали с содержанием углерода 0,04; 0,08; 0,13; 0,21 % (рис. 5.18, а—а).

Образцы подвергали термической обработке таким образом, чтобы во всех случаях выполнялось условие djd^ <С 52. Результаты струк­

турных исследований приведены в табл. 5.10, а механических испы­ таний — на рис. 5.18, а—а. Отсюда видш^ что ни для одной из испы-

0 Эксперимент проведен А. В. Шевченко.

428

денные прямым методом) сталей 45, У7, У8 и У9, характеризую­ щихся примерно таким же отношением djd^ (табл. 5.9, п. 8,9,14, 15),

меньшим критического. Совпадение расчета по (2.24) с эксперимен­ том свидетельствует о том, что разрушение этих сталей инициирует­ ся сколом (срезом) глобулей цементита. Оказывается, таким образом, что реализация цементитного микромеханизма микроскола (речь идет о глобулярном цементите) зависит не только от соотношения раз­ меров зерен феррита и цементитных глобулей, но и от содержания углерода в стали. По имеющимся в настоящее время данным трудно строго определить количество углерода, при котором цементит может являться источником микроскола. Заштрихованная на рис. 5.19 область указывает лишь на некоторый переходный интервал содер­ жания углерода. Это критическое количество второй фазы опреде­ ляется, по-видимому, вероятностью скола (среза) цементитных глобулей в условиях макротекучести. При небольшом содержании углерода в стали (0 ,2 ч- 0,3 %) при их малом количестве потенци­ ально опасные глобули (<djd ц 52, табл. 5.10) очевидно, не претер­

певают скол при напряжении течения, в результате чего источниками микроскола могут служить лишь субмикротрещиныt возникаю­

щие на границах ферритных зерен. С увеличением содержания угле­ рода (более 0,4 %) размер цементитных частиц приобретает перво­ степенное значение в формировании комплекса механических свойств стали.

Г Л А В А 6

ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ МИКРОСКОЛУ

§ 6.1. Деформация ж елеза и малоуглеродистых сталей

Очевидно, что пластическая деформация, вызывая существенные структурные изменения в деформируемом металле, должна приводить х изменению сопротивления микросколу в процессе формоизменения* поскольку, как мы уже имели возможность убедиться, Я мс материала определяется его структурным состоянием. В то же время в угле­ родистых сталях при определенных условиях может реализоваться одна из двух возможностей микромеханизмов разрушения — зеренного или цементитного. Поэтому все экспериментальные данные по влиянию пластической деформации на сопротивление микросколу разбиты на три части, в каждой из которых подобраны материалы

содним из упомянутых микромеханизмов микроскола.

Внастоящем параграфе рассмотрены результаты исследований, проводившцхея па образцах^з/^рмко-железа и сталей с содержанием углерода (1^08—0,15 Щ 10. /Сопротивление микросколу определялось

рительной термической обработке для получения зерна феррита нужного размера, а затем пластической деформации волочением. Здесь приведем первичные результаты испытаний: температурные за­ висимости прочностных характеристик исследованных материалов.! Они имеют характерный вид, аналогичный приведенному на рис." 4.12. Проанализируем влияние пластической деформации на сопро­ тивление микросколу.^ В исследованном интервале размеров зерен феррита 40—130 мкм на начальных стадиях деформации наблюда­ ются почти линейные зависимости Ямс от степени деформации, пере­ ходящие в кривые с максимумом (рис. 6 .1 )^7 Этметим, что не всегда, в частности на образцах, подвергнутых большой степени деформа­ ции, достигается температура хладноломкости, и, следовательно, не удается прямым методом экспериментально определить Ямсе. Поэ­ тому не все кривые на рис. 6 .1 имеют ярко выраженный максимум. Анализ деформационной зависимости сопротивления микросколу i?MCматериалов с различной исходной структурой (размером зерна) удобнее проводить по изменению не i?Mсе, а соотношения R m JR w

10 Эксперименты проведены Т, Н, Сердитовой,

130