![](/user_photo/_userpic.png)
книги / Основы физики и механики разрушения
..pdf![](/html/65386/197/html_QnZsD3Lf1Y.CdA_/htmlconvd-UR0eaz141x1.jpg)
ластях, а также в сорбите, полученном при отпуске, низкая (рис. 3.2, б). В результате коагуляции карбидов они укрупняются и округляются
(рис. 3.2, в).
Рис. 3.2. Тонкая структура стали 09Г2С. Закалка 920 °С, вода + отпуск 650 °С: а – общий вид; б – дисперсный сорбит отпуска; в – сорбит отпуска
Необходимо различать два вида сорбита при отпуске закаленной стали:
–дисперсный сорбит отпуска, в котором еще сохраняется созданная закалкой субструктура (рис. 3.2, б);
–сорбит отпуска, в котором в результате сильно развитых рекристаллизационных процессов субструктура исчезает (рис. 3.2, в).
Среднеуглеродистая сталь 35 (С = 0,32…0,40 %). Основной структурой закаленной стали 35 является также реечный мартенсит.
Наблюдается не более 8–10 % частично двойникованного мартенсита (рис. 3.3, а). При отпуске в температурном интервале 200–400 оС субграницы, полученные в процессе закалки, полностью сохраняются, что подтверждается постоянным средним размером мартенситных кристаллов (см. табл. 3.1).
Изменение характеристик механических свойств в данном интервале температур отпуска связано с процессами, протекающими внутри реечных кристаллов α-фазы. Эти процессы состоят в перераспределении и аннигиляции дислокаций, в результате чего уменьшается плотность дислокаций, а также в выделении цементитных карбидов в теле мартенситных кристаллов.
141
![](/html/65386/197/html_QnZsD3Lf1Y.CdA_/htmlconvd-UR0eaz142x1.jpg)
Рис. 3.3. Тонкая структура стали 35. Закалка 860 °С, вода: а – отпуск 200 °С; б – отпуск 500 °С; в, г – отпуск 650 °С
При отпуске до 500 °С реечная структура мартенсита сохраняется, но плотность дислокаций заметно уменьшается. Продолжается выделение цементитных карбидов, причем при этой температуре они образуются преимущественно по границам реек. В отдельных случаях могут наблюдаться зародыши рекристаллизации (рис. 3.3, б).
При отпуске до 650 °С протекают процессы полигонизации и формируется структура дисперсного сорбита отпуска – относительно удлиненные ферритные ячейки с небольшой плотностью дислокаций внутри них и цементитные карбиды, основная часть которых располагается по границам ферритных ячеек. В этой части микрообъе-
142
мов, где по границам наблюдается непрерывная цепочка карбидов, сохраняется реечная субструктура. Относительно реже могут наблюдаться небольшие области сорбита отпуска (не более 10 % от объема), в которых прошла рекристаллизация и реечно-ячеистая субструктура отсутствует (рис. 3.3, в и г). Таким образом, электронно-микроскопи- ческие исследования показывают, что среднеуглеродистая сталь 35 менее склонна к рекристаллизации по сравнению с низкоуглеродистой сталью 09Г2С. Причиной этого прежде всего является барьерный эффект, который вызывает появление цементитных карбидов, которые выделяются в большом количестве по субграницам и препятствуют их миграции.
Высокоуглеродистая сталь 80 (С = 0,77…0,85 %). При закалке стали 80 образуется главным образом пластинчатый мартенсит, частично или полностью двойникованный. Он составляет 60–70 % общего объема (рис. 3.4, а). Этот тип мартенсита характеризуется повышенной склонностью к хрупкому разрушению не только из-за упрочнения твердого раствора (большие деформации решетки и полное закрепление дислокаций атмосферами Котрелла), но и в результате особенностей его формирования. В этом случае максимальное перемещение атомов в решетке при образовании мартенсита создает участки с высоким уровнем микронапряжений на конце (вверху) мартенситной пластины при завершении ее роста. К объемному эффекту добавляется динамический, вызванный высокой скоростью, с которой образуются мартенситные пластины [5]. Максимальные пиковые напряжения будут возникать при образовании крупной пластины мартенсита, которая прорезает целиком тело аустенитного зерна и останавливается на его границе. Эти напряжения могут достигнуть таких высоких значений, в результате которых возникают приграничные микротрещины. Если они добавятся к напряжениям, которые возникают в кончике созданной магистральной трещины, то они могут вызвать транскристаллитное или интеркристаллитное разрушение.
В результате отпуска при 400 °С структура, полученная после закалки, сохраняется. Наблюдается выделение дисперсных карбидов как по границам, так и в теле α-пластин. Плотность дислокаций внутри пластин уменьшается, при этом начинает исчезать контраст от двойни-
ков (рис. 3.4, б).
143
![](/html/65386/197/html_QnZsD3Lf1Y.CdA_/htmlconvd-UR0eaz144x1.jpg)
Рис. 3.4. Тонкая структура стали 80. Закалка 820 °С, вода: а – без отпуска; б – отпуск 400 °С; в – отпуск 500 °С; г – отпуск 650 °С
При отпуске до 500 °С границы пластин α-фазы прослеживаются еще отчетливее. Во внутренних объемах пластин активно протекает полигонизация, которая формирует ячеистую субструктуру (рис. 3.4, в). Наибольшие ячейки ограничены от окружающей их матрицы высокоугловыми границами и превращаются в рекристаллизационные зародыши. Одновременно наблюдается рост и изменение формы цементитных карбидов: если при отпуске до 400 °С карбиды имели пластинчатую форму, то при отпуске при 500 оС они приобретают форму эллипсоидов. Структура, которая формируется при отпуске при 650 °С, может классифицироваться как дисперсный сорбит отпуска (рис. 3.4, г).
144
На основе статистического анализа, результаты которого приведены в табл. 3.1, можно сделать следующие выводы. В закаленном состоянии и после отпуска при низких температурах размеры микроструктурных элементов (размер аустенитного зерна, размер пакетов
всталях 09Г2С и 35, поперечный размер мартенситных кристаллов) имеют близкие значения. Наиболее существенная разница наблюдается
вувеличении части объема, занятого пластинчатым мартенситом, –
встали 09Г2С 0 %, в стали 35 около 10 % и в стали 80 до 70 %.
После отпуска при высоких температурах средний размер ферритных ячеек и карбидных частиц для трех исследованных сталей имеет очень близкие значения (см. табл. 3.1). Разница в плотности дислокаций внутри ячеек также незначительна. Следовательно, разница в структуре сталей 09Г2С, 35 и 80 после высокотемпературного отпуска состоит в различной доле карбидов, которая увеличивается при повышении содержания углерода (1,0–1,2 % в стали 09Г2С, 4,5–4,7 % в стали 35 и 9,5–10,0 % в стали 80) и в количестве сорбита, полученного в результате отпуска (часть рекристаллизованной α-фазы), которая уменьшается с увеличением содержания углерода (50 % в стали 09Г2С, 10 %
встали 35 и практически 0 % в стали 80).
3.2.Микромеханизмы разрушения при однократном нагружении углеродистых и низколегированных сталей с различным содержанием углерода, закаленных и отпущенных
вшироком температурном интервале
Мы исследовали ряд низколегированных сталей с различным содержанием углерода после закалки и отпуска в широком температурном интервале. Наряду с традиционными механическими свойствами определяли предел трещиностойкости IC при статическом нагружении
и трещиностойкость КСТ при ударном трехточечном изгибе
(ГОСТ 9454–78).
На основании результатов, полученных при ударных испытаниях, определяли критическую температуру ТKар12 при значении ар ≡ КСТ =
= 12 Дж/см2. Результаты, полученные при изучении механических свойств, представлены в табл. 3.2 и на рис. 3.5.
Для сталей с низким содержанием углерода (С < 0,2 %) увеличение температуры отпуска от 200 до 650 °С снижает статическую трещиностойкость IC , в то время как трещиностойкость при ударном нагруже-
145
![](/html/65386/197/html_QnZsD3Lf1Y.CdA_/htmlconvd-UR0eaz146x1.jpg)
нии КСТ непрерывно растет. Фрактографический анализ (рис. 3.6, а и рис. 3.7, а) свидетельствует, что доминирующей рельефной составляющей в изломах после отпуска при низких температурах являются ямки (Я). При повышении температуры отпуска появляются значительные по размеру, бесструктурные по характеру, гладкие, с низкой энергоемкостью плоские ямки (рис. 3.7, б, в), называемые плато (П) [6]. В литературе этот рельеф известен еще как площадки расслоения по плоскостям скольжения [7].
Рис. 3.5. Влияние температуры отпуска на изменение характеристик статической трещиностойкости для углеродистых и низколегированных сталей (сплошная линия – IC, пунктирная линия – KIС): а – низкоуглеродистые стали;
б– среднеуглеродистые стали; в – высокоуглеродистые стали
Сповышением температуры отпуска до 650 °С средний размер плато достигает 15–25 мкм, в то время как их площадь занимает 45–50 % от общей поверхности излома (рис. 3.7, в).
146
![](/html/65386/197/html_QnZsD3Lf1Y.CdA_/htmlconvd-UR0eaz147x1.jpg)
Таблица 3 . 2 Характеристики механических свойств сталей 09Г2С, 35 и 80
Марка |
Режим |
|
Механические свойства |
|
||||
σв |
σ0,2 |
δ |
ψ |
КСТ, |
TKар12 , |
IC , |
||
стали |
термообработки |
|
|
|
|
Дж/см2 |
оС |
МПа·м1/2 |
МПа |
% |
|||||||
09Г2С |
Закалка 920оС, вода |
1260 |
1060 |
9,0 |
33 |
14 |
–64 |
78 |
|
Закалка + отпуск |
1270 |
1080 |
9,0 |
35 |
16 |
–70 |
80 |
|
200 оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
1170 |
1030 |
7,0 |
36 |
14 |
–40 |
– |
|
300 оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
1010 |
960 |
7,0 |
38 |
16 |
–78 |
78 |
|
400 оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
820 |
780 |
11,0 |
41 |
25 |
–82 |
71 |
|
500 оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
700 |
600 |
19,0 |
53 |
36 |
–91 |
57 |
|
650 оС |
|
|
|
|
|
|
|
Сталь |
Закалка 880 оС, |
710 |
710 |
0 |
0 |
– |
– |
– |
35 |
вода |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
1590 |
1460 |
3,0 |
19 |
10 |
+119 |
56 |
|
200 оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
1340 |
1250 |
6,5 |
23 |
10 |
– |
60 |
|
300 оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
1100 |
1020 |
10,0 |
38 |
19 |
+30 |
69 |
|
400 оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
950 |
880 |
12,5 |
42 |
30 |
–20 |
100 |
|
500 оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
710 |
680 |
30,0 |
56 |
54 |
–54 |
84 |
|
650 оС |
|
|
|
|
|
|
|
Сталь |
Закалка 820 оС, вода |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
21 |
80 |
+ отпуск 200 оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
1560 |
1450 |
2,5 |
6,5 |
– |
– |
32 |
|
400 оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
1190 |
1050 |
6,0 |
13,5 |
– |
– |
62 |
|
500 оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка + отпуск |
960 |
855 |
12,0 |
28,0 |
– |
– |
98 |
|
650 оС |
|
|
|
|
|
|
|
Для среднеуглеродистых сталей (С = 0,3…0,5 %) предел трещиностойкости IC имеет максимальные значения после закалки и отпуска
в интервале 500–600 °С. Дополнительное повышение температуры отпуска приводит к известному снижению IC . При этом чем выше со-
держание углерода, тем при более высокой температуре отпуска наблюдается этот максимум.
147
![](/html/65386/197/html_QnZsD3Lf1Y.CdA_/htmlconvd-UR0eaz148x1.jpg)
Рис. 3.6. Рельеф поверхности изломов низкоотпущенных сталей после испытаний на статическую трещиностойкость:
а– сталь 09Г2С; б – сталь 35; в – сталь 80
Сповышением температуры отпуска во всем температурном интервале от 200 до 650 °С динамическая трещиностойкость КСТ непрерывно растет. Кроме того, как следует из литературных данных [8], температура отпуска, при которой реализуются максимальные значения статической трещиностойкости, существенно зависит и от легирования стали. При наличии сильных карбидообразующих элементов, таких как ванадий и титан, этот максимум перемещается в область более высоких температур отпуска. Другими словами, такая экстремальная зависимость статической трещиностойкости характерна для углеродистых низколегированных сталей со средним содержанием углерода, в состав которых не входят элементы-карбидообразователи.
Исследование микромеханизма разрушения среднеуглеродистых сталей после закалки и низкотемпературного отпуска показывает, что основ-
ными рельефными составляющими являются субтранскристаллитные итранскристаллитные фасетки (рис. 3.6, б и рис. 3.8, а). С повышением
148
![](/html/65386/197/html_QnZsD3Lf1Y.CdA_/htmlconvd-UR0eaz149x1.jpg)
температуры отпуска этот хрупкий механизм развития трещины сменяется более вязким, и при достижении максимальных значений статической трещиностойкости вместо хрупких фасеток появляются энергоемкие ямки (рис. 3.8, б). Снижение трещиностойкости при еще более высоких температурах отпуска (см. рис. 3.5, б) связано с образованием известного количества площадей, занятых плато (рис. 3.8, в).
Рис. 3.7. Рельеф поверхности изломов стали 09Г2С после испытаний на статическую трещиностойкость: а – отпуск 200 °С;
б– отпуск 400 °С; в – отпуск 650 °С
Всталях с высоким содержанием углерода (С > 0,5 %) с повышением температуры отпуска статическая трещиностойкость увеличивается (рис. 3.5, в). Фрактографически (см. рис. 3.6, в) этот процесс выражается
вобразовании при низких температурах отпуска очень хрупких транскристаллитных и интеркристаллитных фасеток. С повышением температуры отпуска до средних температур начинают образовываться относительно более энергоемкие субтранскристаллитные фасетки. При высоких температурах образуется характерный энергоемкий ямочный рельеф.
149
![](/html/65386/197/html_QnZsD3Lf1Y.CdA_/htmlconvd-UR0eaz150x1.jpg)
Рис. 3.8. Рельеф поверхности изломов стали 35 после испытаний на статическую трещиностойкость. КС – квазискол, Я – ямки, П – плато:
а – отпуск 200 °С; б – отпуск 500 °С; в – отпуск 650 °С
Изломы исследованных материалов, полученные при динамическом нагружении, имеют фрактографические особенности, аналогичные полученным при статическом нагружении.
3.3. Закономерности изменения трещиностойкости при статическом нагружении закаленных и отпущенных углеродистых
и низколегированных сталей
Диаграмма максимальной трещиностойкости [8] (рис. 3.9).
На диаграмме в зависимости от содержания углерода в стали показано, при каких температурах отпуска реализуется максимальное значение статической трещиностойкости. При построении диаграммы, кроме собственных, использованы данные и других авторов [8, 9–12].
Диаграмма предельной трещиностойкости. На рис 3.10 получен-
ные результаты исследований обобщены в виде диаграммы предельной трещиностойкости [13, 14]. Значения предела трещиностойкости IC пред-
ставлены в зависимости от предела текучести σ0,2. Из представленных
150