книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

структурное исследование показало, что при медленном охлаждении после субкритического нагрева карбиды рас­ полагаются в виде довольно крупных включений по границам зерен феррита, что неблагоприятно сказы­ вается на сопротивляемости стали хрупкому разрушению при низких температурах. После закалки с субкритиче­ ских температур и старения мелкие карбидные частицы

Рис. 62. Температурная зависимость работы раз­ рушения технического железа после отжига (О)', нормализации (Н) и закалки (3) с последующим нагревом до 705° С и закалочным старением (/)

или охлаждением в печи (//) [214]

оказываются равномерно распределенными внутри зерна по субзеренным границам и в ферритной матрице.

Взаимное расположение кривых температурной зави­ симости работы разрушения внутри групп с одинаковой вторичной обработкой оказалось связанным не с разме­ рами ферритного зерна, а с фрагментами внутризеренной структуры, ограниченными суверенными границами. При этом зависимость температуры перехода в хрупкое состоя­ ние от размеров фрагментов ферритной субструктуры оказалась обратной той зависимости, которая наблюдается для размеров зерен феррита. Чем мельче была субструк­ тура, тем выше температура перехода в хрупкое состояние.

В феррито-перлитных сталях, отожженных, нормали­ зованных или в состоянии после горячей прокатки, кроме размера ферритного зерна, на склонность к хладнолом­ кости оказывает также влияние структура перлита. Это

101

было показано при исследовании малоуглеродистой стали в работе [230] и подтверждено позднее на сталях с со­ держанием углерода от 0,017 до 0,78% [266].

В работе [266] структура перлита менялась в резуль­ тате изменения температуры изотермической выдержки. Эти опыты показали, что сталь с самым малым количеством углерода, в структуре которой перлит отсутствовал, не изменяла критической температуры хрупкости при испы­ тании образцов Шарли с острым надрезом в результате из­ менения температуры выдержки. В сталях с 0,24 и 0,43% С понижение температуры изотермического превращения, измельчавшее структуру перлита, приводило к снижению критической температуры хрупкости. В стали эвтектоидного состава критическая температура снижалась при измельчении перлита, если она определялась по величине ударной вязкости, относящейся к нижней части кривой, и не изменялась при определении ее по средним значе­ ниям ударной вязкости.

На сопротивляемость хрупким разрушениям феррито­ перлитных сталей может оказывать заметное влияние рас­ пределение феррита в структуре. Это показано в работе

[245]при исследовании стали, имеющей структуру перлита

стонкой замкнутой ферритной сеткой. В такой структуре распространение хрупкой трещины идет обычно по фер­ ритной сетке, непрерывность которой облегчает этот процесс.

Неполная закалка стали с сохранением в структуре наряду с мартенситом перлита, и в особенности феррита, даже если количество этих структурных составляющих

невелико, связана с повышением температуры перехода в хрупкое состояние. Появление в структуре продуктов промежуточного превращения высокой дисперсности (типа бейнита) неблагоприятно влияет на склонность стали к хрупкости при низких температурах.

Связь между дисперсностью продуктов отпуска и тем­ пературой перехода стали в хрупкое состояние менее определенна, чем для продуктов распада аустенита при охлаждении. Даже в самых простых углеродистых сталях на процессы укрупнения карбидных частиц при повыше­ нии температуры отпуска накладываются явления отпуск­ ной хрупкости, которые в основном и определяют крити­ ческую температуру после закалки и различного от­ пуска..

№

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ О ВЛИЯНИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Приведенные в главе 3 сведения о влиянии химиче­ ского состава сталей на сопротивляемость хрупкому раз­ рушению при низких температурах и данные о влиянии структуры на это свойство показывают, что термическая обработка является одним из главных факторов, опреде­ ляющих хладостойкость ста­ ли.

готовлении конструкций машин, предназначаемых для эксплуатации при низких температурах.

Нормализация может в определенных условиях привести к измельчению структуры стали и сущест­

зации бывает полезен высокий отпуск. Положительное влияние нормализации с таким отпуском показано на рис. 63.

Наилучшей хладостойкостью обладают стали после улучшения — закалки с высоким отпуском. Благотворное влияние улучшения показано выше (см. рис. 5) для стали 40ХГМ. На рис. 63 это влияние демонстрируется также для стали 35ГС.

103

Горячекатаное состояние по склонности к хладнолом­ кости обычно занимает положение между отожженным и нормализованным.

В некоторых случаях детали машин должны обраба­ тываться на повышенную прочность. При этом используют закалку с отпуском при низких (200° С) и средних (400° С) температурах. В таких случаях склонность стали к хрупкому разрушению определяется в основном от­ пускной хрупкостью. Поэтому для изделий, от которых требуется высокая хладостойкость при повышенной проч­ ности материала, температуру отпуска следует выбирать очень осмотрительно, так, чтобы она не оказалась в ин­ тервале интенсивного развития отпускной хрупкости.

ХЛАДОСТОЙКОСТЬ СТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ

На склонность к хладноломкости литой стали дей­ ствуют те же факторы, что и на прокатанные или кованые

ваном виде. Термическая обработка литья по обычным режимам, весьма эффек­ тивным для пластически деформированного металла, не • может в полной мере устранить структурные особен­ ности литого металла. На рис. 64. показаны результаты

104

испытания стали 20ХГС стандартного состава одной и той же плавки в литом и кованом состояниях после одинаковой термической обработки.

В работах [106, 107] показано, что хрупкое разруше­

этому одной из специальных задач термической обработки стального литья, предпринимаемой с целью повышения

его хладостойкости, должно быть устранение этой струк­ туры или хотя бы уменьшение неоднородности химиче­ ского состава и структуры литого металла. В значитель­ ной степени это удается сделать при помощи высокотем­ пературной гомогенизации, которая для улучшения под­ готовки металла к окончательной термической обработке может заканчиваться нормализацией. При помощи пред­ варительной высокотемпературной нормализации и окон­ чательной термической обработки по наиболее рациональ­ ному для данной стали и конкретного изделия режиму удается значительно повысить хладостойкость литых ста­ лей. Эффект предварительной высокотемпературной нор­ мализации бывает настолько значительным, что литой металл оказывается способным удовлетворить довольно

105

высоким требованиям, так как при —40° С он сохраняет ударную вязкость на уровне 3—4 кГм/см2, в то время как без предварительной термической обработки такие зна­ чения не всегда удается получить и при комнатной тем­ пературе (рис. 65 и 66).

ИЗМЕНЕНИЯ ХЛАД0СТ0ЙК0СТИ СТАЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Хладостойкость конструкционных сталей может из­ меняться при эксплуатации в процессе монтажа конструк­ ций в результате наклепа металла при гибке и правке заготовок, в результате старения стали, под влиянием про­ никающей радиации, вследствие накопления усталостных повреждений структуры. В некоторых случаях во время эксплуатации возможно проникновение в сталь водорода в результате протекания на поверхности изделия процес­ сов, сопровождающихся переходом в металл водорода из окружающей среды. Обогащение стали водородом также может привести к изменению ее хладостойкости.

В основе старения большинства конструкционных ста­ лей лежит изменение распределения в феррите примесей, в основном углерода и азота. Углеродно-азотное старение развивается в два этапа. На первом этапе возникает не­ равномерное распределение примесей в твердом растворе за счет скопления примесных атомов у дислокаций. Если имеется достаточное количество примеси, то развивается второй этап старения — образование новых весьма дис­ персных включений карбидных и нитридных фаз. И до­ полнительная блокировка дислокаций скоплениями при­ месных атомов, и появление новых включений высокой дисперсности затрудняет движение осуществляющих скольжение дислокаций, снижает пластичность стали, уве­ личивает напряжения течения и повышает хладноломкость.

Есть два состояния, которые особенно благоприятны для развития процессов старения. Повышенной склон­ ностью к старению обладают стали после ускоренного ох­ лаждения с субкритических температур (650—700° С), когда в твердом растворе сохраняется неравновесной избыточное количество углерода и азота. Этот вид старе­ ния получил название закалочного. Вторым обстоятель­ ством, способствующим старению, является предваритель­ ная холодная пластическая деформация. Эта деформация

106

образует новые дислокации, которые становятся центрами концентрации атомов примесей и на втором этапе старе­ ния — местами выделения дисперсных включений кар­ бидов и нитридов. Старение, развивающееся после пла­ стической деформации, называют деформационным. При­ рода его такая же, как и закалочного старения.

Время старения, необходимое для максимального из­ менения свойств стали, зависит от температуры. При температуре около 200° С старение происходит за несколь­ ко десятков минут, а при климатических температурах растягивается на сотни суток. Лоу старение при комнат­ ной температуре наблюдал в течение трех лет. При этом критическая температура хрупкости, определяемая при испытании образцов Шарли на ударную вязкость, для полуспокойной стали с содержанием около 0,2% С по­ вышалась на 40° С.

Наклеп, предшествующий собственно старению, сам по себе оказывает некоторое влияние на хладостойкость сталей. Характер этого влияния до конца не выяснен. По-видимому, он зависит от исходной структуры стали и величины наклепа. Так, в работе [35] при исследовании малоуглеродистой стали было показано, что критическая температура хрупкости при увеличении степени наклепа сначала повышается, затем стабилизируется и при весьма большой степени наклепа (более 50%) снижается. В этой работе уменьшение температуры перехода в хрупкое со­ стояние после значительной предварительной пластиче­ ской деформации связывается с увеличением сопротивле­ ния отрыву в результате дробления и разориентировкй внутризеренной блочной структуры.

При исследовании малоуглеродистой кипящей и спо­ койной сталей мартеновского производства было показано, что даже небольшое абсолютное изменение степени на­ клепа существенно влияет на хладостойкость стали.

Небольшое, около 15° С, повышение температуры пере­ хода в хрупкое состояние в результате малого наклепа малоуглеродистой стали наблюдалось в работе. Н. Н. Давиденкова и П. С. Сахарова. Повышение степени обжатия при волочении более 5% сопровождалось понижением кри­ тической температуры хрупкости. При обжатии около 20% эта температура равнялась —80° С, а после увели­ чения обжатия до 200% снизилась до —190°:С. Некоторое понижение критической температуры хрупкости, наблю­

107

дающееся иногда в результате наклепа, не может рассма­ триваться как фактор, повышающий хладостойкость стали в изделии, потому что благоприятное влияние наклепа со временем компенсируется значительно большим небла­ гоприятным влиянием старения.

В работе [228] исследовали влияние старения при тем­ пературах от 24 до 650° С после деформации растяжением или сжатием на 10% трех углеродистых сталей. Перед деформацией стали подвергали нормализации с 900° С. Испытания на ударную вязкость производили на нестан­ дартных призматических образцах с острым надрезом типа Шарли. Продолжительность старения при 24 и 230° С достигала 25-103 ч. Критическую температуру хрупкости определяли по уровню работы разрушения 1,4 кГм1см2. Старение весьма существенно повышало критическую температуру хрупкости всех исследованных сталей. Осо­ бенно сильно повлияло старение на хладостойкость стали, выплавленной бессемеровским способом и не подвергав­ шейся раскислению кремнием и алюминием в печи. Эта сталь имела самое высокое содержание азота.

В работе [130] исследовали влияние старения при 250° С в течение 2 ч после деформации растяжением на 10% на хладостойкость двух проб малоуглеродистой кипящей стали. Одна из них представляла собой стандартную мартеновскую сталь Ст.Зкп (А), вторая (Б) имела химиче­ ский состав, соответствующий стали Ст.Зкп, но содержала очень много азота, что дает основание предполагать вы­ плавку в конверторе на воздушном дутье. Ударные испы­ тания производили на цилиндрических образцах диаме­ тром 11 мм с кольцевым надрезом того же профиля, что и надрез стандартного образца типа I. За критическую температуру принимали такую, при которой все образцы снижали ударную вязкость до минимального для данной стали уровня (1 кГм!см2 и менее). Старение производили в горячекатаном состоянии и после закалки с 900° С и

щийся старением, может вызвать повышение критической температуры перехода стали в хрупкое состояние. Для сталей с 0,14—0,15% С и 1,25% Мпили1% № и0,45% Мо увеличение критической температуры хрупкости после такой обработки составляло около 10° [247].

108

Результаты исследований влияния химического со­ става малоуглеродистых сталей на их склонность к дефор­ мационному старению дают основание считать, что одним из путей уменьшения этой склонности является снижение содержания азота в твердом растворе. Это подтвер­ ждается рядом специальных исследований, в частности, ра­ ботой [276], в которой изучалось влияние содержания азота на критическую температуру перехода в хрупкое состояние нелегированных сталей, содержащих до 0,1 % С.

Имеются сведения об уменьшении склонности мало­ углеродистых сталей к деформационному старению при введении в них значительных добавок фосфора. Рассмо­ трены некоторые возможные механизмы влияния фосфора на склонность стали к деформационному старению: по­ нижение растворимости углерода в феррите в присутствии фосфора и уменьшение энергии взаимодействия между дислокациями и положительными ионами углерода. По­ следнее возможно при переходе квазисвободных электро­ нов атомов фосфора на незаполненные d-оболочки атомов железа. В результате такого перехода снижается кон­ центрация свободных электронов в твердом растворе и уменьшается электрическое взаимодействие между дисло­ кациями и ионами углерода.

Деформационное старение наблюдается и в сталях со значительным содержанием углерода, в том числе в сталях типа рельсовых. При сравнении склонности к деформа­ ционному старению рельсовой стали мартеновского и бес­ семеровского производства было показано, что деформа-

109

ция изгибом повышает верхний порог хладноломкости, но не влияет на нижний порог [129]. Старение после деформации приводит к дальнейшему повышению склон­ ности рельсовой стали к хладноломкости.

Приведенные в главе 2 результаты обследования влия­ ния продолжительности эксплуатации на частоту поломок башенных кранов при низких температурах, некоторые сведения о повышении частоты разрушений кораблей и других конструкций с увеличением продолжительности их службы дают основание предполагать наличие связи между дефектами усталостного происхождения и темпе­ ратурой перехода стали в хрупкое состояние. Наиболее очевидно неблагоприятное влияние на хладостойкость конструкции, возникшей в эксплуатации усталостной тре­ щины как острого концентратора напряжений.

Влияние продолжительности эксплуатации, выражен­ ной количеством пропущенного груза, на критическую температуру хрупкости рельсовой стали было непосред­ ственно определено в работе 1118]. Критическую темпера­ туру хрупкости определяли как верхнюю границу зоны рассеяния значений ударной вязкости. Эта температура после пропуска 4-108 т груза повышалась с —40 до 60° С. Такой же сдвиг критической температуры наблю­ дался при лабораторном испытании на ударную вязкость рельсовой стали после предварительного усталостного на­ гружения круговым изгибом при напряжениях, превы­ шающих предел усталости на 22%, и числе циклов 1,5 • 105 [116, 117]. Неблагоприятное влияние предварительного циклического нагружени'я на склонность стали к хлад­ ноломкости было обнаружено для различных конструк­ ционных сталей также в работах [1, 49, 144, 242, 255, 257]. Данные, характеризующие это влияние для разных сталей, способов циклического нагружения и способов оценки склонности стали к хладноломкости, были различ­ ными, сдвиг критической температуры оценивался зна­ чениями от 5 до 100° С.

В работах [78, 134] приведены результаты иссле­ дования влияния предварительного циклического нагруже­ ния растяжением—сжатием с частотой 20 кгц надрезан­ ных образцов на хладостойкость трех марок стали. Тех­ ническое железо испытывали после вакуумного отжига, сталь Ст.Зкп — в горячекатаном состоянии, сталь 38ХА — после улучшения. Критическую температуру хрупкости

ПО