Обратимая отпускная хрупкость

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального  образования

Тульский государственный  университет

Естественнонаучный факультет

Кафедра «Физика металлов и материаловедения»

 

 

 

 

Контрольно-курсовая работа

по дисциплине

“ Теория термической обработки металлов”

“ Обратимая отпускная хрупкость”

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр.420691 Евтушенко И. А.

Проверил:

проф. Архангельский С. И.

 

Тула, 2013 г

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

Отпускная хрупкость

Температурные условия развития обратимой отпускной хрупкости

Обратимость отпускной хрупкости

Увеличение доли межзёренного хрупкого разрушения

Способы борьбы с обратимой  отпускной хрупкостью

Выводы

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Отпускная хрупкость присуща  многим сталям и сплавам на основе железа. Проблема отпускной хрупкости  стала острой в период первой мировой  войны, когда расширилось производство из легированных сталей изделий большого сечения (брони и орудий). В результате медленного охлаждения с температуры  высокого отпуска ударная вязкость легированной стали может оказаться  в несколько раз (и даже на порядок) меньше, чем после охлаждения в  воде с той же температуры. На других свойствах при комнатной температуре  состояние отпускной хрупкости  практически не сказывается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОТПУСКНАЯ ХРУПКОСТЬ

 

Отпускной хрупкостью стали и сплавов железа называют происходящее в результате пребывания стали (закаленной, или высокоотпущенной, или даже отожженной) в определенном температурном интервале снижение прочности межзёренной связи, которое обнаруживается обычно по повышению температуры вязко-хрупкого перехода, сопровождаемому увеличением доли межзёренного разрушения в хрупкой составляющей излома. На многих сталях охрупчивание наблюдается так же и по снижению ударной вязкости.

Различают отпускная хрупкость I рода (необратимая) и отпускную хрупкость II рода (обратимая).

На графиках ударная вязкость при 20° С – температура отпуска можно встретить два провала, соответствующих развитию отпускной хрупкости двух типов (рисунок 1).

 

 

 На

 

 

 

Рисунок 1. Зависимость ударной  вязкости при 20° С от температуры отпуска стали 37ХН3А.

Необратимая отпускная хрупкость  стали проявляется в падении  вязкости при отпуске в интервале 250 - 400° С. В иностранной литературе её часто называют «500° F-хрупкостью» и «300° С-хрупкостью» или хрупкость отпущенного мартенсита. Обратимая отпускная хрупкость (II рода) в наибольшей степени присуща легированным сталям после высокого отпуска и медленного охлаждения от температур отпуска. При быстром охлаждении после отпуска (в воде) вязкость не уменьшается, а монотонно возрастает с повышением температуры отпуска. Отпускная хрупкость усиливается, если сталь длительное время (8-10 ч) выдерживается в опасном интервале температур. Обратимая отпускная хрупкость стали проявляется в падении ударной вязкости легированной стали при медленном охлаждении в интервале 450-650° С, а также при более или менее длительных, выдержках при отпуске в этом интервале температур. Хрупкость этого вида называют обратимой, поскольку при нагреве стали в состоянии отпускной хрупкости до температур выше интервала охрупчивания хрупкость может многократно устраняться и возникать вновь при последующей выдержке или медленном охлаждении в опасном интервале температур. Обратимая отпускная хрупкость проявляется в резком смещении порога хладноломкости в сторону более высокой температуры. Отпускная хрупкость большинства легированных сталей вызывает снижение ударной вязкости и сопротивление хрупкому разрушению. Развитие обратимой отпускной хрупкости не сопровождается какими-либо изменениями других механических свойств, а также видимыми при световой и электронной микроскопии структурными изменениями. Лишь при травлении шлифов поверхностно-активными реактивами наблюдается повышенная травимость по границам аустенитных зерен. По этим границам происходит и межзеренное хрупкое разрушение.

Термические условия развития отпускной хрупкости обусловливают  большое практическое значение этого  явления. Многие крупногабаритные массивные  детали из легированных сталей во избежание  возникновения неблагопритяных внутренних термических напряжений охлаждают после высокого отпуска с очень низкой скоростью, и поэтому они длительное время (десятки или даже сотни часов) находятся в опасном диапазоне температур 600-400° С. Кроме того, температуры, при которых эти изделия эксплуатируют, также могут попадать в опасный интервал, что с течение времени будет приводить к охрупчиванию стали и снижению трещиностойкости детали и конструкции в целом.

Влияние скорости охлаждения V_0XJI после отпуска при 650° С на охрупчивание Cr-Ni-Mo сталей (Рисунок 2):

1- 1% Ni, 0,003% Р;

2- 3,5% Ni,0,003% Р;

3- 1% Ni, 0,01% Р;

4- 1% Ni, 0,014 % Р;

5- 3,5%Ni, 0,01% Р

Рисунок 2. Влияние скорости охлаждения на охрупчивание Сr-Ni-Mo сталей.

При снижении скорости охлаждения после высокого отпуска до 2,5-2° С/ч температура хрупко-вязкого перехода промышленной плавки роторной стали типа 25ХН3МФА повышается на 80-90° С, а для промышленной плавки промышленной плавки дисковой стали типа 35ХН4МА значение ∆Т_К при таких скоростях охлаждения составило 200-300° С.

 

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСЛОВИЯ  РАЗВИТИЯ ОБРАТИМОЙ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ

 

Обратимая отпускная хрупкость  развивается в определенных температурных  условиях, причем кинетика охрупчивания зависит от температуры. Температурный интервал, в котором развивается обратимая отпускная хрупкость, в свою очередь, зависит от длительности процесса охрупчивания, снижаясь с увеличением продолжительности термического воздействия.

Как правило, нижняя граница  температурного интервала развития обратимой отпускной хрупкости  низколегированных сталей лежит около 400-500°С, причем при достаточно длительных выдержках охрупчивание вблизи нижней границы может быть значительным. Так, выдержка закаленной и высокоотпущенной стали типа 35ХНЭМФ в течение 3500 ч при 400° С приводит к повышению температуры хрупко-вязкого перехода на 110° С при наличии основных признаков обратимой отпускной хрупкости: полностью межзеренного излома в условиях хрупкого разрушения, обогащения границ зерен примесями и т.д.

Температурный интервал возникновения  обратимой отпускной хрупкости  со стороны своей нижней границы  может несколько перекрываться  с интервалом развития необратимой  отпускной хрупкости. Однако, если сталь стабилизирована достаточно длительным высоким отпуском, то необратимая отпускная хрупкость, связанная с распадом мартенсита, не возникает, и нижняя граница температур, при которых развивается охрупчивание, действительно, характеризует температурный интервал обратимой отпускной хрупкости.

Верхняя граница температурного интервала обратимой отпускной  хрупкости лежит для большинства  низколегированных конструкционных сталей в области 550-600° С. Однако известно, что она в значительной степени определяется химическим составом сплава и для ряда сплавов железа может быть более высокой. Так, для сплавов железа с очень низкой концетрацией углерода (0,001-0,003 %), легированных марганцем (1,45 %) или хромом (1,9 %) и содержащих 0,02-0,03 % Р, максимальное развитие обратимой отпускной хрупкости происходит в области температур 600-   700° С.

Данные о зависимости  развития обратимой отпускной хрупкости  от температуры и длительности охрупчивающей обработки имеются во многих работах, причем для ряда сплавов и сталей построены температурно-временные диаграммы охрупчивания при изотермических выдержках. Такие диаграммы, построенные разными способами для сплавов Fe-C-P, Cr-Mn-Ni, Cr-Ni-Mo сталей,- приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Температурно-временные диаграммы изотермического охрупчивания для сплавов Fe-C-P, Cr-Mn-Ni, Cr-Ni-Mo сталей.

Как видно, температурная  зависимость развития обратимой  отпускной хрупкости имеет экстремальный  характер: охрупчивание становится заметным при температурах 400-500° С, при повышении температуры до некоторой Т* (так называемой температуры «носа» С-образной кривой охрупчивания) оно усиливается, достигая максимума, а затем дальнейшее повышение температуры охрупчивающей обработки приводит к снижению степени развития отпускной хрупкости. Экстремальный характер температурной зависимости охрупчивания является одним из наиболее общих проявлений обратимой отпускной хрупкости.

При этом характерно также  то, что хотя для различных сталей и сплавов степень развития хрупкости  может значительно различаться, наиболее сильное развитие хрупкости  для большинства из них происходит, как видно на приведенных диаграммах охрупчивания, в довольно узком интервале температур.

Кинетика процесса развития обратимой отпускной хрупкости, как видно на приведенных на диаграммах охрупчивания, монотонна (по крайней мере, для предварительно стабилизированных высоким отпуском сталей): при увеличении длительности выдержки степень развития хрупкости возрастает и при некоторых значениях τ* зависящих от температуры, достигает насыщения. С повышением температуры Т (в пределах интервала развития отпускной хрупкости) скорость охрупчивания возрастает, причем она продолжает возрастать и при Т > Т*, однако максимально достигаемая степень развития хрупкости при этом снижается. Эти закономерности легко проследить, например, по кинетическим зависимостям изотермического охрупчивания Cr-Ni-Mo-V сталей.

 

ОБРАТИМОСТЬ ОТПУСКНОЙ  ХРУПКОСТИ

 

Если высокоотпущенную сталь, приведенную медленным охлаждением или изотермической выдержкой в состояние отпускной хрупкости, подвергнуть новому высокому отпуску и затем быстро охладить, то хрупкость устраняется и температура хрупковязкого перехода снижается до уровня, характерного для высокоотпущенной и быстро охлажденной, т.е. вообще не подвергавшейся охрупчивающей обработки, стали. Повторная выдержка в интервале развития обратимой отпускной хрупкости вновь приводит к охрупчиванию. Этим обратимая отпускная хрупкость качественно отличается от необратимой.

Если сталь многократно  подвергать высокому отпуску, чередуя  медленное и быстрое охлаждение, или многократно чередовать высокий  отпуск с выдержкой при температуре  развития хрупкости, то состояние отпускной  хрупкости каждый раз соответственно возникает и устраняется, хотя степень развития хрупкости в стали, недостаточно стабилизированной первоначальным высоким отпуском, может постепенно уменьшаться до тех пор, пока повторные отпуски будут приводить к снижению прочности.

Снижение степени охрупчивания ("возврат вязкости") при повторном высоком отпуске происходит весьма быстро. Так, уже за несколько минут выдержки при 650° С Сг-Ni сталь типа 20Х2Н2 почти полностью восстанавливает свои свойства, приобретенные при первом высоком отпуске (650°С) до охрупчивающей выдержки при 530°С; при этом критическая температура хрупкости снижается почти на 130°С и практически достигает исходных для "вязкого", т.е. неохрупченного состояния значений. Аналогичные данные получены для Сг-Ni-Mo-V сталей 15Х2НМФА и 15Х2НЗМФА, подвергнутых после высокого отпуска изотермическим выдержкам при 480 и 510° С продолжительностью 3000 ч, в результате чего повышение критической температуры хрупкости составило соответственно 80 и 120°С.

Повторный нагрев на 650° С длительностью 15-30 минут с последующим быстрым охлаждением (в воде) привел к снижению температуры хрупко-вязкого перехода практически до уровня "вязкого" состояния. При этом многочисленные исследования показали, что наряду с восстановлением вязкости стали практически полностью исчезают признаки интеркристаллитного разрушения в хрупком изломе и ослабляется до исходного уровня травимость границ зерен насыщенным водным раствором пикриновой кислоты. Охрупчивание этих сталей полностью обратимо: еще одна изотермическая выдержка предварительно охрупченных образцов после восстанавливающего нагрева (650° С) вновь приводит к охрупчиванию в такой же степени, как и при первой выдержке.

 

 

 

УВЕЛИЧЕНИЕ ДОЛИ МЕЖЗЕРЕННОГО ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

 

Как правило, по мере развития обратимой отпускной хрупкости  хрупкое разрушение стали становится все в большей мере межзеренным при снижении доли транскристаллишого скола. В случаях особо яркого проявления отпускной хрупкости излом получается полностью межзеренным.

Нужно отметить, что отличить невооруженным глазом обнаруженную поверхность зерен на изломе от сколов по зерну можно лишь при достаточно крупном зерне. Поэтому обычно фиксируют наличие межзеренного разрушения, изучают его особенности и определяют количественную долю с помощью методов оптической и электронной микрофрактографии, а также сканирующей электронной микроскопии.

Характерным для обратимой  отпускной хрупкости легированных сталей является то, что хрупкое  разрушение стали в охрупченном состоянии распространяется, как правило, по границам бывших аустенитных зерен. В свое время это послужило причиной многочисленных предположений о протекании процессов, приводящих к ослаблению межзёренной связи при развитии отпускной хрупкости, не в α-фазе (или не только в ней) в процессе охрупчивающей обработки, а на более ранней стадии, т.е. при аустенитизации под закалку или нормализацию, предшествующую высокому отпуску и охрупчивающей обработке. Роль последней при такой трактовке сводится лишь к созданию условий, в которых может проявиться возникшее в γ-фазе ослабление межзеренных границ аустенитных зерен.

Однако результаты более  поздних работ показали, что разрушение по границам именно аустенитных зерен не имеет принципиального характера и не является обязательным признаком обратимой отпускной хрупкости. Охрупченные образцы разрушаются и по границам ферритных зерен, если, например, одновременно с высоким отпуском, предшествующим охрупчиванию, происходит рекристаллизация в α-фазе и границы бывших аустенитных зерен не сохраняются, или если охрупчиванию подвергается сплав, вообще не имеющий α-γ-превращения, например, кремнистое железо (содержащее примесь фосфора) с ОЦК решеткой во всей температурной области существования в твердом состоянии .

Поскольку развитие обратимой  отпускной хрупкости сопровождается увеличением доли межзёренного хрупкого разрушения, но не связано с общим повышением начального сопротивления сдвиговой деформации (предела текучести), были высказаны предположения о связи отпускной хрупкости со снижением сопротивления отрыву по границам зерен. Причиной этого снижения могло быть как присутствие большого количества высокодисперсных включений или тонких плёночных выделений вторичных фаз на межзеренных границах, так и изменение состава твердого α-раствора в приграничных зонах зерен.

Установлено, что на поверхности  межзёренного излома наблюдается примерно равное число карбидных частиц и ямок — отпечатков от тех частиц, которые остались на другой половине разбитого образца. Это означает, что интеркристаллитная трещина, встречая на своем пути карбидные включения, не раскалывает их, а обходит по внешнему контуру. А это, в свою очередь, означает, что хрупкость таких включений сама по себе не определяет межзеренного разрушения. Более того, на поверхности нетравленного межзеренного излома стали в состоянии отпускной хрупкости видны только такие (по размерам и форме) карбидные частицы, какие наблюдаются на поверхности протравленного шлифа на границах зерен. Никаких других, более мелких частиц или двумерных фаз типа пленок, лежащих на обнаруженной поверхности зерна, обнаружить с помощью электронной микроскопии не удалось, несмотря на различные методические ухищрения.

В тех случаях, когда на поверхности хрупкого излома улучшенных (с быстрым охлаждением после  высокого отпуска) образцов встречались  отдельные участки межзеренного разрушения, они выглядели совершенно так же, как и на поверхности изломов образцов в состоянии отпускной хрупкости.

Таким образом, исследования строения поверхности межзеренных изломов показывают, что развитие в стали обратимой отпускной хрупкости не связано с появлением специфических выделений какой-либо фазы.

Что касается второй из указанных  возможных причин снижения сопротивления отрыву по границам зерен, - изменения состава твердого раствора в приграничных зонах зерен, - то отсутствие достаточно локальных прямых методом определения концентрации элементов в тонких приграничных зонах в течение длительного времени не позволяло достаточно определенно установить наличие таких изменений. Локальный рентгеноспектральный анализ и авторадиография не дали положительного результата. Качественные подтверждения обогащения приграничных зон зерен в стали некоторыми элементами были получены с использованием травления поверхностей излома с последующим анализом отработанного травителя, а также путем моделирования предполагаемых гальванических микроэлементов, работающих на поверхности шлифа при его травлении. После появления в 1967-1969 гг. первых сообщений о разработке и использовании для изучения природы отпускной хрупкости одного из наиболее локальных методов анализа - электронной спектроскопии - были установлены основные качественные и количественные закономерности происходящего при развитии обратимой отпускной хрупкости обогащения границ зерен элементами, ослабляющими межзёренное сцепление. Важные для понимания природы межзёренной хрупкости данные об изменении химического состава приграничных зон зерен при охрупчивании стали и сплавов железа получены также с использованием методов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рассеяния высокоэнергетических ионов, просвечивающей электронной микроскопии, внутреннего трения и других методов.

СПОСОБЫ БОРЬБЫ С  ОБРАТИМОЙ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТЬЮ

 

Поскольку на развитие обратимой  отпускной хрупкости существенно  влияют химический состав стали, в частности, содержание как примесных, так и легирующих элементов, и ее термическая обработка, меры борьбы с охрупчиванием включают воздействие на эти факторы и состоят соответственно этому из трех основных групп:

1. контроля и ограничения содержания примесных элементов;

2. специального легирования и ограничения концентраций легирующих элементов;

3. ослабления отпускной хрупкости методами термической обработки.

Легирование стали Сr, Ni, Мn усиливает отпускную хрупкость. Особенно сильно охрупчивается сталь при совместном легировании Сr+Ni, Сr+Мn, Сr+Мn+Si и др.

 Введение Мo (0,2-0,4 %) или его аналогом W (0,6-1,2%.) уменьшает, а иногда полностью подавляет склонность стали к обратимой отпускной хрупкости; при более высоком содержании этих элементов хрупкость вновь усиливается. Так же способствовало снижению обратимой отпускной хрупкости ускоренное охлаждение (вода или масло) после высокого отпуска или снижение содержания вредных примесей, особенно фосфора.

Контроль и ограничение  содержания примесных элементов предполагают такие меры как использование чистых шихтовых материалов при выплавке стали с целью снижения концентраций традиционных охрупчивающих примесей — фосфора, сурьмы, олова, мышьяка; применение углеродного раскисления в вакууме и специальных методов переплава для снижения содержания кремния и марганца в сталях, не легированных этими элементами специально; использование эффектов конкурентной сегрегации, т.е. микролегирование сплавов примесями, вытесняющими в результате их зернограничной сегрегации охрупчивающие элементы с границ зерен, но не вызывающими ослабления межзеренной когезии.

Нагартовка устраняет отпускную хрупкость стали или предупреждает ее развитие (при пластической деформации, проводимой до возникновения отпускной хрупкости).

Необходимо также отметить, что применение вместо обычной закалки  высокотемпературной термомеханической  обработки (ВТМО) позволяет подавить склонность, как к необратимой, так  и к обратимой отпускной хрупкости. Причина такого влияния ВТМО состоит  в том, что при такой обработке  увеличивается протяженность границ благодаря образованию зубчатых большеугловых границ и развитой структуры, вследствие чего уменьшается сегрегация примесей и возрастает прочность межзеренного сцепления.

 

ВЫВОДЫ

 

Первоначально отпускная  хрупкость была обнаружена при отпуске  сталей. Но, как ясно сейчас, термин «отпускная» не соответствует физической сущности явления, поскольку развитие отпускной хрупкости вовсе не обусловлено процессом отпуска  продуктов закалки: отпускная хрупкость  вполне отчетливо развивается в  сталях, предварительно стабилизированных  после закалки длительным высоким отпуском или отожженных, не сопровождаясь какими либо изменениями суб- и микроструктуры.

От отпускной хрупкости  можно избавиться, если после отпуска  производить быстрое охлаждение. Но с практической точки зрения это  возможно только для небольших изделий  из легированной конструкционной стали.

В крупных изделиях из кованной стали отпускная хрупкость является серьезной проблемой термообработки. После отжига такие изделия быстро охлаждаются снаружи и значительно медленнее внутри, к тому же скорость охлаждения ограничена возникновением внутренних напряжений. Вследствие особенностей охлаждения изделий из кованной стали легко возникают сегрегации примесей и легирующих элементов, что способствует охрупчиванию изделий. Так как по мере укрупнения деталей к их качеству предъявляются и более высокие требования, то проблема отпускной хрупкости таких деталей становится еще более серьезной.

Многие детали машин высокого давления работают в области температур соответствующих охрупчиванию. И в этом случае отпускная хрупкость является серьезным ограничением в применении легированных сталей при создании специализированного оборудования.

Необходимо учитывать  склонность легированных сталей к охрупчиванию при создании машин, работающих при низких температурах, так как отпускная хрупкость выражается, прежде всего, в повышении температуры вязко - хрупкого перехода, которая является важнейшим критерием работоспособности деталей машин в этих условиях.

Поэтому более эффективное  использование сталей в условиях, например, Западной Сибири возможно только с учетом явления обратимой отпускной  хрупкости (ООХ).

Степень охрупчивания коррелирует с количеством равновесных сегрегаций фосфора и кремния в границах зерен. С усилением охрупчивания увеличивается количество сегрегаций фосфора и кремния. При постоянном количестве примесей в границах зерен охрупчивание связано с кинетикой карбидообразования.

Установлено, что степень  охрупчивания сталей усиливается с увеличением длительности и с понижением температуры изотермических выдержек. При каждой температуре выдержки наступает максимальное охрупчивание, после которого снижение Тк не наблюдается, и чем выше температура выдержки, тем быстрее достигается максимум.

Сталь 45 после высокого отпуска определенного режима имеет признаки обратимой отпускной хрупкости, т.е. температура хрупкого перехода повышается с увеличением длительности пребывания стали в интервале температур 550-450 °С степень охрупчивания усиливается от стали 45 к сталям 40Х и ЗОХГС А при одинаковых режимах отпуска.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Новиков И. И. Теория  термической обработки металлов.-4-е  изд.- М.: Металлургия, 1986, -480с.

2. Устиновщиков Ю. И., Банных О. А. Природа отпускной хрупкости сталей. М.: Наука, 1984.

3. Утевский Л. М., Гликман Е. Э., Карк Г. С. Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа. М.: Металлургия, 1987.

4. Забильский В. А. Проблема отпускной хрупкости конструкционных легированных сталей (Обзор) / МИТОМ. 1987. N1, с.24-32.