книги / Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов

в исследуемых сталях примерно одно и то же количество остаточного аустенита Аост, но с различным уровнем его нестабильности. В проведенных исследованиях относительная термическая нестабильность (ОТН) определяется выражением

где Aî+20ñò – количество аустенита при комнатной температуре; Aî−ñò196 – количество аустенита после обработки в жидком азоте.

T аблица 6 . 2 Характеристики механических свойств кремнистых сталей

Очевидно, для данного типа аустенита чем меньше ОТН, тем больше относительная термическая стабильность (ОТС).

Как было показано в п. 6.3, Аост, полученный при более низких температурах изотермической закалки (370 оС), имеет более высокую стабильность. Это видно (см. табл. 6.2) из сравнения количества Аост при комнатной температуре (20 оС) и сохранившегося Аост после охлаждения в жидком азоте (–196 оС).

Разница в стабильности Аост оказывает незначительное влияние на прочность σв материала. Предел текучести σ0,2 в сталях с нестабильным Аост в 1,5 раза ниже по сравнению со сталями со стабильным Аост. Стабильность Аост оказывает наибольшее влияние на ударную вязкость и трещиностойкость. Так, для стали 38ХС со стабильным Аост статическая трещиностойкость Iñ в два раза, а дина-

мическая KСТ – в 4–5 раз выше, чем при нестабильном состоянии Аост. Разница в ударной вязкости – порядка четырех раз. Для стали 60С2 остаточный аустенит, полученный при изотермической закалке при 420 оС, обладает более высокой стабильностью по сравнению с Аост в стали 38ХС, полученным при аналогичной термообработке, так как степень его превращения после охлаждения в жидком азоте меньше. По этой причине ударная вязкость и трещиностойкость стали 60С2 после изотермической закалки при 420 оС выше, чем стали 38ХС (см. табл. 6.2).

Приведенные на рис 6.3 результаты показывают, что с повышением относительной термической стабильности Аост ударная вязкость KCU и статическая трещиностойкость Iñ повышаются.

Результаты сериальных испытаний для определения динамической трещиностойкости стали 38ХС (рис. 6.4) подтверждают положительную роль сохранения бóльших количеств Аост для получения более высоких значений KСТ (зависимость 1). Однако с понижением температуры испытания в области отрицательных температур значения KСТ резко падают.

Рентгеноструктурный анализ поверхности изломов показывает, что высокие скорости деформирования, которые реализуются при ударном нагружении, способствуют распаду Аост и появлению пластинчатого мартенсита.

362

Рис. 6.3. Влияние термической нестабильности остаточного аустенита на ударную вязкость (1) и статическую трещиностойкость (2)

сталей 38ХС и 60С2

Рис. 6.4. Сериальные кривые динамической трещиностойкости стали 38ХС: 1 – изотермическая закалка 370 °С, 20 мин (стабильный Аост); 2 – закалка 920 °С, масло + отпуск 200 °С; 3 – изотермическая закалка 420 °С, 20 мин (нестабильный Аост); 4 – изотермическая закалка 370 °С, 24 ч

363

Из проведенных фрактографических исследований видно (рис. 6.5), что когда в процессе ударного нагружения нестабильный Аост полностью превращается в пластинчатый мартенсит, то разрушение протекает целиком по хрупкому механизму с образованием характерных для этого случая фасеток (рис. 6.5, а). Когда Аост относительно стабилен, при развитии трещины часть структуры разрушается вязко, путем образования ямок, которые окружают хрупкие фасетки, полученные путем скола (рис. 6.5, в).

Рис. 6.5. Рельеф поверхности разрушения стали 38ХС после испытаний на динамическую трещиностойкость при температуре +20 °С: а – изотермическая закалка 370 °С, 24 ч; б – изотермическая закалка 420 °С, 20 мин; в – изотермическая закалка 370 °С, 20 мин

На рис. 6.6 представлены диаграммы усталостного разрушения стали 38ХС после различных режимов термообработки. Независимо от стабильности Аост пороговые значения ∆Кth практически совпадают и находятся в границах 11,5–11,7 МПа·м1/2. Эти значения примерно в 3–4 раза больше значений, получаемых после закалки и отпуска среднеуглеродистых сталей с такой прочностью. Следовательно, пороговые значения циклической трещиностойкости кремнистой стали 38ХС со структурой бескарбидного бейнита очень высоки и не зависят от стабильности Аост.

364

Рис. 6.6. Диаграммыциклическойтрещиностойкостистали38ХС:

1 – изотермическаязакалка370 °С, 20 мин; 2 – изотермическаязакалка420 °С, 20 мин; 3 – изотермическаязакалка370 °С, 24 ч

365

Влияние стабильного Аост начинает проявляться при ∆Κ ≥ 13– 14 МПа·м1/2. Наиболее высокую трещиностойкость имеют структуры с относительно стабильным Аост (зависимость 1). В случаях когда Аост нестабилен, скорость усталостной трещины в два раза выше (зависимость 2). Если в структуре стали 38ХС вместо Аост образовалась карбидная фаза, усталостная трещина развивается в 4 раза быстрее (зависимость 3).

В высокоамплитудной области (участок 3) эта разница становится еще больше. Если в случае стабильного Аост эта стадия не достигается и при ∆Κ = 72 МПа·м1/2, то при наличии нестабильного Аост она начинается при ∆Κ = 50 МПа·м1/2, а когда в структуре образуется карбидная фаза, ускоренное развитие трещины начинается уже при

∆Κ = 38–40 МПа·м1/2.

Фрактографический анализ показывает, что в припороговой области (∆Κ ≈ ∆Κth) на поверхности усталостных изломов, независимо от стабильности Аост, наблюдаются в основном фестоны с субтранскристаллическими бороздками. При этом форма фестонов соответствует морфологии α-фазы бескарбидного бейнита. Если α-фаза имеет реечный вид (изотермическая закалка при 370 оС), то фестоны имеют удлиненную форму (рис. 6.7, а). Эта картина сильно напоминает полученную при циклическом разрушении низкоуглеродистого мартенсита. В случае когда α-фаза имеет сфероидальную форму, субтранскристаллические бороздки развиваются по площадкам более округлой формы (рис. 6.7, б).

Переход от околопорогового участка к Парисову не приводит к смене микромеханизма роста трещины в стали со стабильным Аост. Более того, фестоны с СТБ в этом случае наблюдаются до Κ = 26−28 МПа·м1/2, что соответствует середине Парисова участка. При более высоких Κ фестоны с СТБ сменяются транскристаллитными бороздками. В стали с нестабильным Аост уже при Κ = 13−14 МПа·м1/2 наряду с фестонами СТУ наблюдаются фасетки субтранскристаллитного скола (рис. 6.7, в). Размер этих фасеток, изменяющийся в пределах от 1 до 5 мкм, а также их форма позволяют утверждать, что микрохрупкое разрушение претерпевают объемы

366

нестабильного Аост. При высоких Κ на поверхности усталостных изломов стали 38ХС с нестабильным Аост наблюдаются фасетки скола и транскристаллитные бороздки.

Рис. 6.7. Рельеф поверхности усталостных изломов стали 38ХС на околопороговом (а, б) и Парисовом (в, г) участках ДЦТ: а − изотермическая закалка 370 °С, 20 мин; б, в – изотермическая закалка 420 °С, 20 мин; г – изотермиическая закалка 370 °С, 24 ч

Встали 38ХС, подвергнутой длительной выдержке при 370 оС,

вструктуре которой вместо Аост имеются карбидные выделения, уже при Κ = 13−14 МПа·м1/2 наряду с СТБ наблюдаются фасетки

транскристаллитного скола, которые при высоких Κ становятся доминирующей рельефной составляющей усталостных изломов

(рис. 6.7, г).

Совместный анализ полученных результатов позволяет сделать определенные выводы о влиянии стабильного Аост на циклическую трещиностойкость сталей со структурой бескарбидного бейнита.

В припороговой области, когда значения ∆Κ низки, величина действующих напряжений недостаточна для реализации хрупких проскоков усталостной трещины на сравнительно большие шаги. Трещина в этом случае, независимо от стабильности Аост, вынуждена развиваться по механизму субкристаллической усталости.

Высокие значения ∆Κth для стали 38ХС с бескарбидной бейнитной структурой связаны с тем обстоятельством, что размеры бейнитных пакетов, границы которых являются непроницаемым препятствием для создаваемых в процессе циклирования дислока-

367

ций, в 2–3 раза больше размеров мартенситных пакетов. Благодаря этому обстоятельству в самом пакете необходимая критическая дислокационная структура, при которой наступает разрушение материала, создается медленнее.

Повышенная стабильность Аост после изотермической закалки при 370 оС в продолжение 20 минут является причиной того, чтобы не происходил распад аустенита в пластинчатый мартенсит до уровня ∆Κ = 35 – 40 МПа·м1/2, в результате чего в этом случае в усталостном изломе наблюдаются только усталостные бороздки.

В случаях когда Аост имеет низкую стабильность (изотермическая закалка при 420 оС), γ → α-превращение начинает реализовываться при припороговых значениях ∆Κ и Аост превращается в пластинчатый мартенсит, который разрушается хрупко. Фрактографически это подтверждается появлением фасеток субтранскристаллического скола уже при ∆Κ = 13–14 МПа·м1/2. При высоких значениях ∆Κ появление хрупкого разрушения пластинчатого мартенсита инициирует и хрупкое разрушение бейнитной α-фазы.

Наличие в структуре пластинчатых карбидных фаз, полученных в результате очень продолжительной изотермической выдержки, уже при низких значениях ∆Κ = 13–14 МПа·м1/2становится причиной инициирования хрупкого разрушения, распространяющегося и в пакеты бейнитной фазы.

6.5.Сравнительный анализ прочности

итрещиностойкости стали 38ХС со структурой бескарбидного бейнита и структурой пакетного мартенсита

Представляет интерес проведение сравнительного анализа прочностных характеристик и трещиностойкости стали 38ХС после стандартной термообработки (закалка + отпуск) при различных температурах и после изотермической обработки, при которой получается бескарбидный бейнит (табл. 6.3).

Рассмотрим данные, полученные после двух видов термообработки, при которых реализуются одинаковые значения временного сопротивления σв ≈ 1450…1470 МПа при следующих режимах:

368

1.Нагрев под закалку при 920 оС в течение 20 мин, закалка в масле

иотпуск при 400 оС в продолжение 2 ч. Полученная структура – троостит отпуска.

2.Нагрев под закалку при 920 оС в течение 20 мин. Изотермическая закалка при 370 оС в течение 20 мин и окончательное охлаждение в воде. Полученная структура – нижний бескарбидный бейнит.

Таблица 6 . 3

Прочностные характеристики и трещиностойкость стали 38Х при различных режимах термической обработки

Эти результаты показывают, что трещиностойкость бескарбидной бейнитной структуры примерно в 1,5–2 раза выше. При этом особо необходимо отметить гораздо более высокое значение порогового значения ∆Κth при циклическом нагружении.

Снижение стабильности Аост (изотерма 420 оС) вызывает одновременное снижение как прочности, так и трещиностойкости при однократном и циклическом нагружении на Парисовом участке. Снижение целого комплекса свойств, кроме значений ∆Κth, для стали с нестабильным Аост (изотермическая закалка при 420 оС 20 мин) по сравнению с состоянием после закалки (закалка 920 оС + отпуск при

369

400 оС), когда после отпуска получается троостит, весьма значительно. Появление в структуре бейнита крупных продолговатых карбидных частиц необходимо рассматривать как недопустимое. В этом случае трещиностойкость стали снижается больше, чем при наличии нестабильного Аост.

Фрактографический анализ показывает, что если в структуре отсутствуют участки с пониженной трещиностойкостью, то усталостная трещина развивается по классическому типу, путем образования только усталостных бороздок. Если, однако, в структуре присутствуют хрупкие образования с более низкой трещиностойкостью, то они хрупко разрушаются перед фронтом трещины, снижая таким образом трещиностойкость материала. В исследованной стали 38ХС такими нежелательными хрупкими участками могут являться участки нестабильного Аост, которые превращаются в пластинчатый мартенсит, границы между рейками α-фазы, по которым после очень долгой изотермической обработки выделяются цементитные карбиды, или границы бывшего аустенитного зерна в низкоотпущенной стали. Таким образом, медленно растущая усталостная трещина является чувствительным «инструментом», выявляющим более хрупкие элементы структуры.

В заключение необходимо отметить, что изотермически закаленные стали с бейнитной бескарбидной структурой, в которой образуется 20–25 % стабильного аустенита, имеют повышенную трещиностойкость. Кроме того, изотермическая обработка обеспечивает минимальные деформации, светлую поверхность (не нужна операция очистки) и не требует операции отпуска.

6.6. Влияние аустенита на прочность и трещиностойкость мартенситно-стареющих сталей (МСС)

Конструкционная надежность МСС может быть улучшена путем создания мартенситно-аустенитной структуры [248, 249]. Кроме того, в этих сталях, как уже было отмечено (см. рис. 1.4, б), благодаря незначительному содержанию в них углерода и большому количеству никеля, после соответствующей термообработки в окончательной структуре могут быть получены два вида аустенита.

370