Структура и механические свойства сталей после обработок при субкритических температурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Комиссаров, Александр Александрович

• Комиссаров, Александр Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Комиссаров, Александр Александрович

Содержание

Введение

1 Аналитический обзор литературы

1.1 Классификация конструкционных сталей

1.2 Закономерности обратимой отпускной хрупкости

1.2.1 Проявления и качественные признаки отпускной хрупкости

1.2.1.1 Температурные условия развития хрупкости

1.2.1.2 Изменение свойств стали при развитии отпускной хрупкости

ф 1.2.2 Методы исследования отпускной хрупкости

1.2.2.1 Методы определения степени охрупчивания

1.2.3 Влияние примесей

1.2.3.1 Влияние фосфора, сурьмы, мышьяка и олова

1.2.3.2 Сравнение охрупчивающей способности различных примесей

1.2.4 Влияние термической обработки, структуры и прочности на проявление обратимой отпускной хрупкости

1.3 Снижение склонности конструкционных сталей к отпускной хрупкости

^ 1.3.1 Контроль и ограничение содержания примесных элементов

1.3.2 Легирование сплавов и ограничение концентраций легирующих элементов

1.3.3 Ослабление отпускной хрупкости термической обработкой

1.4 Эффект структурной наследственности

1.5 Процессы, происходящие в холоднодеформированных сталях при нагреве

1.6 Упрочняющая термическая обработка холоднодеформированных изделий

1.7 Влияние величины зерна и тонкой структуры аустенита на свойства стали

1.8 Закономерности формирования и роста аустенитного зерна при нагреве

1.9 Влияние холодной пластической деформации на величину аустенитного зерна в стали

1.10 Полигонизация и субзеренная структура металла

1.11 Изменения в субзеренной структуре металла

1.12 Общие закономерности

1.13 Торможение дислокаций границами зерен и субзерен

1.14 Влияние термомеханической обработки на свойства сплавов

1.15 Эффекты в сталях в состоянии предпревращения

2 Материалы и методики исследования

2.1 Исследуемые материалы

2.2 Методика дилатометрического анализа

2.3 Термическая и термомеханическая обработка образцов сталей

2.4 Методы исследования микроструктуры

2.4.1 Приготовление шлифов

2.4.2 Количественная оценка параметров микроструктуры

2.5 Методика проведения механических испытаний

2.6 Методика просвечивающей электронной микроскопии

2.7 Методика ЕВ80 - анализа

2.8 Методика проведения химико-термической обработки

3 Результаты и их обсуждение

3.1 Влияние повышения температуры аустенизации на проявление эффекта обратимой отпускной хрупкости

3.2 Влияние выдержки в интервале субкритических температур (СКТ) на структурные превращения в металле. Эффект структурного наследования

3.3 Влияние предварительного механического наклепа при выдержке в интервале субкритических температур на структуру и свойства металла

3.3.1 Процессы, происходящие при нагреве холоднодеформированного металла

3.3.2 Процессы, происходящие при нагреве в стали, деформированной со степенью 10 %

3.3.3 Процессы, происходящие при нагреве в стали, деформированной со степенями обжатия 30 %

3.3.4 Влияние величины исходного зерна, степени деформации и скорости нагрева на размер рекристаллизованного зерна

3.3.5 Связь процессов полигонизации и рекристаллизации

3.3.6 Результаты исследований после проведения конечных обработок

3.3.7 Механические свойства стали после предложенной термомеханической обработки

3.4 Влияние выдержки в интервале субкритических температур на механические свойства литой стали 35ХГСЛ

3.5 Влияние выдержки в интервале субкритических температур на

свойства углеродистых и легированных сталей

4 Выводы и рекомендации

4.1 Выводы

4.2 Возможные пути практического использования явления экстремальной диффузионной подвижности в стали

4.3 Рекомендации по промышленному применению

Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и механические свойства сталей после обработок при субкритических температурах»

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эксплуатационных характеристик конструкционных материалов, увеличение показателей надёжности и качества изготовления изделий из них является приоритетной задачей любого металлургического и машиностроительного предприятия. При этом решение данных задач неразрывно связано с вопросами уменьшения себестоимости продукции, соблюдением экологических стандартов и возможностью утилизации отходов производства. К настоящему времени достигнуты значительные успехи по оптимизации химического состава и физико-механических свойств конструкционных сталей под конкретные условия эксплуатации. Однако данное направление развития металлургической отрасли практически себя исчерпало.

Основным трендом дальнейшего развития технологий производства конструкционных сталей является переход к управлению свойствами материалов на все более тонком размерном уровне путем, предусматривающим формирование мелкозернистой структуры различными методами. В настоящее время получение подобной структуры в основном предлагается достигать путем использования дорогостоящего оборудования с высокими техническими требованиями, что соответственно приводит к большим технологическим и экономическим сложностям (например, РКУП и электронагрев).

Поэтому в настоящее время актуальным и перспективным направлением развития металлургии остается совершенствование существующих и разработка новых высокоэффективных режимов термических и термомеханических обработок, обеспечивающих повышение целого ряда механических свойств углеродистых и легированных сталей. В данной работе предлагается метод формирования мелкозернистой структуры с использованием уже имеющегося на предприятии технологического оборудования. Использование экспериментальных термических и термомеханических обработок (ТО и ТМО) в области субкритических температур (СКТ) (в узком температурном интервале Ас( - (5 10) °С) с целью получения мелкозернистой структуры представляются

перспективным методом повышения качества экономнолегированных конструкционных сталей и расширения области их применения.

Актуальность научно-исследовательских работ в этом направлении подтверждается различными отраслевыми программами развития от Министерства промышленности и торговли РФ, а также от Министерства образования и науки РФ.

Основной целью работы являлась разработка и исследование влияния термических режимов обработки в субкритическом интервале температур для сталей различного назначения с целью получения улучшенных эксплуатационных характеристик за счет формирования в сталях мелкозернистой структуры.

Для реализации поставленной цели работы были определены следующие задачи:

1 Исследование особенностей формирования субзеренной структуры в сталях после фазового и механического наклёпа в области субкритических температур Ас] - (5 -МО) °С;

2 Исследование влияния особенностей диффузионных процессов при выдержке в интервале субкритических температур Ас1 - (5 ^ 10) °С на возможность повышения глубины диффузионного слоя при химико-термической обработке в условиях борирования;

3 Разработка режимов термической обработки сталей и использованием эффекта структурного наследования для создания мелкозернистой структуры и повышения конструктивной прочности сталей;

4 Изучение влияния формирования устойчивой зеренной структуры в деформированных и литых сталях в области субкритических температур Ас1 - (5 10) °С для устранения явления эффекта обратимой отпускной хрупкости и дефектов литой структуры, а также снижения порога хладноломкости в сталях.

Научная новизна работы:

1 Показана возможность получения в сталях мелкозернистой структуры за счет реализации эффекта структурного наследования субзеренной структуры, формирующейся в области субкритических температур;

2 Разработаны режимы термической и термомеханической обработок, позволяющие получить на ряде широко распространенных сталей мелкозернистую структуру и значительно повысить их эксплуатационные свойства (ударную вязкость, стойкость к проявлению эффекта обратимой отпускной хрупкости, снизить порог хладноломкости), тем самым, расширив область их применения, в частности, до условий Крайнего Севера;

3 Разработан режим термической обработки для литых сталей, позволяющий снизить их склонность к хрупкому разрушению и проявлению эффекта обратимой отпускной хрупкости;

4 Предложены режимы химико-термической обработки, применение которых позволит существенно повысить эффективность процесса данной обработки на сталях.

Положения, выносимые на защиту:

- установленные закономерности формирования устойчивой субзеренной структуры при выдержке в интервале субкритических температур Ас1 - (5 + 10) °С в углеродистых и различной степени легирования сталей, а также в сталях в литом состоянии;

- результаты исследований по оценке влияния фазового наклепа после закалки и механического наклепа после холодной деформации на формирование устойчивой полигонизованной структуры при выдержке в интервале СКТ;

- результаты экспериментов по формированию мелкозернистой структуры в сталях при реализации эффекта структурного наследования при нагреве под закалку с субкритических температур;

- результаты испытаний по влиянию выдержки в интервале субкритических температур Ас1 - (5 ^ 10) °С на устранение эффекта обратимой отпускной хрупкости;

- результаты испытаний влияния выдержки в интервале субкритических температур Ас] - (5 ^ 10) °С на интенсификацию диффузионных процессов при химико-термической обработке на примере борирования;

- результаты сравнительных исследований влияния экспериментальных термических и термомеханических обработок сталей на механические свойства: прочность, пластичность, вязкость и хладноломкость;

- результаты оптимальных режимов ТО и ТМО с протеканием процесса формирования устойчивой субзеренной структуры при выдержке в интервале СКТ с последующим получением мелкозернистой структуры после окончательной обработки.

Практическая ценность работы подтверждена Актами использования результатов диссертационной работы предприятиями ОАО «Ржевский краностроительный завод» и ОАО «Северсталь». Разработанные режимы экспериментальных ТО и ТМО внедрены на малом инновационном предприятии ООО «ЦСКМ», созданном на базе НИТУ «МИСиС».

1 Аналитический обзор литературы

1.1 Классификация конструкционных сталей

Конструкционными называют стали, применяемые в машиностроении и строительстве для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Они могут быть углеродистыми и легированными. Массовая доля углерода в этих сталях не превышает 0,5 0,6 %, но иногда может достигать 0,8 - 0,85 %. Детали современных машин и конструкций работают в условиях высоких динамических нагрузок, большинство концентраций напряжений и низких температур. Всё это способствует хрупкому разрушению и снижает надежность работы машин. Поэтому конструкционные стали кроме высоких механических свойств, определяемых при стандартных испытаниях (ав, а0,2, 8, \|/, НВ) должны обладать высокой конструктивной прочностью, т. е. прочностью, которая проявляется в условиях их реального применения (в виде деталей, конструкций и т. д.) и характеризует их способность противостоять внезапным разрушениям при наличии пиковых напряжений.

Конструкционная сталь должна иметь хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, не образовывать шлифовочных трещин, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке [1].

Конструкционные стали поставляют в виде заготовок и сортовой горячекатаной, калиброванной и шлифовальной стаи, в виде листов, полос, фасонных профилей.

Рассмотрим подробнее стали, которые впоследствии будут использованы в работе.

Хромоникелевые стали (40ХН2МА). Используют для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложнолегированные стали [2].

Одновременное легирование хромом и никелем повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины.

Хромоникелевые стали малочувствительные к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали. Это же позволяет закаливать крупные детали с охлаждением в масле, а в некоторых случаях и на воздухе.

Хромокремнемарганцевые стали (35ХГСА). Стали обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Их применяют в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).

Сталь 35ХГСА подвергают улучшению или изотермической закалке на нижний бейнит в расплавленной соли при 280 310 °С, сообщающей ей ещё более высокие механические свойства (ств = 1650 МПа; с>о,2 - 1300 МПа; 8 = 9 %; \|/ = 40 %) и снижающей чувствительность к надрезам.

Эти стали склонны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.

Пружинно-рессорные стали (сталь 65). Стали могут быть классифицированы по ряду признаков. По назначению такие сплавы можно разделить на:

1) Сплавы общего назначения.

2) Сплавы специального назначения.

Сплавы специального назначения от сплавов общего назначения отличает то, что помимо основных требований высокого сопротивления малым пластическим деформациям, высокого предела выносливости при достаточной вязкости и пластичности, они должны обладать определенными свойствами, зависящими от условий эксплуатации, такими как повышенная коррозионная стойкость, немагнитность, и др. [3].

Так же пружинные сплавы могут быть разделены на группы в зависимости от способа их упрочнения.

1 Стали и сплавы, упрочняемые пластической деформацией.

Сюда можно отнести стали с повышенным содержанием углерода (от 0,5 до 1,3 %), подвергаемые упрочнению холодной деформацией, а после нее - отпуску. В таких сталях в процессе наклепа практически не изменяется фазовое состояние, а лишь происходит изменение тонкой структуры за счет увеличения плотности дислокаций. В результате дополнительного отпуска снимаются остаточные напряжения, перераспределяются дислокации и вокруг них образуются сегрегации, что и вызывает сильное повышение предела упругости и других свойств стали.

2 Стали и сплавы, упрочняемые в результате мартенситного превращения.

К этому классу относятся углеродистые и легированные стали,

упрочняемые в результате мартенситного превращения при закалке, а также нержавеющие стали переходного аустенитно-мартенситного класса, испытывающие мартенситное превращение при закалке или обработке холодом, или при наклепе. В результате мартенситного превращения резко увеличивается плотность дислокаций. Если же мартенситное превращение происходит в процессе наклепа, то при общем увеличении плотности дислокаций достигается и их неравномерное распределение; следствием этого является анизотропия свойств прочности.

3 Стали и сплавы, упрочняемые в результате дисперсионного твердения (старения).

К этой группе относятся сплавы на основе систем железо - никель, железо -никель - хром, никель - хром и др. с добавками главным образом титана и алюминия, которые создают упрочняющие фазы, растворяющиеся при температуре закалки и выделяющиеся в дисперсной форме при последующем старении (или отпуске).

Помимо описанных выше сталей в работе используются стали 35ХГСЛ и 40Х, инструментальные стали 9ХС и У9, а также используемая в судостроении низкоуглеродистая сталь - 09ХН2МД (АБ-2-1).

Так как разработанные в данной работе режимы различных обработок призваны повысить хладноломкость конечных изделий из перечисленных сталей, рассмотрим эффект обратимой отпускной хрупкости более подробно.

1.2 Закономерности обратимой отпускной хрупкости

1.2.1 Проявления и качественные признаки отпускной хрупкости

Отпускной хрупкостью стали и сплавов железа называют происходящее в результате пребывания стали (закаленной, или высокоотпущенной, или даже отожженной) в температурном интервале 400 600 °С снижение прочности межзеренной связи, которое обнаруживается обычно по повышению температуры хрупковязкого перехода, сопровождаемому увеличением доли межзеренного разрушения в хрупкой составляющей излома. 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 [4].

Развитие отпускной хрупкости вовсе не обусловлено процессом отпуска продуктов закалки: отпускная хрупкость не сопровождается какими либо изменениями суб- и микроструктуры.

Термические условия развития отпускной хрупкости обусловливают большое практическое значение этого явления при медленном охлаждении крупногабаритных массивных деталей из легированных сталей или при эксплуатации этих сталей в опасном интервале температур.

1 - 1 % N1, 0,003 % Р; 2 - 3,6% N1, 0,003 % Р; 5 - 1 % 0,01 % Р; 4- 1 0,014 % Р; 5- 3,5 %№0,01 %Р Рисунок 1 - Влияние скорости охлаждения после отпуска при 650 °С на

охрупчивание Сг - № - Мо сталей

Наблюдаемое в результате охрупчивания при замедленном охлаждении и при длительных изотермических выдержках повышение температуры хрупко-вязкого перехода АТК стали может достигать сотен градусов, рисунок 1. В процессе длительной (3-^5 тысяч ч) изотермической выдержки при 450 ^ 480 °С, рисунок 2, критическая температура хрупкости сталей повышается на сотни градусов.

1 - 400 °С; 2- 450 °С ; 3 - 480 °С ; 4 - 510°С ; 5 - 550 °С Рисунок 2 - Кинетика изотермического охрупчивания Сг - N1 - Мо сталей с 0,01 % Р, содержащих 1,0 и 3,5 % N1, при различных температурах

ЮЮО 300 1000 3000т,ч Ю Ш 300 1000 3000 Т,ч

Известны следующие общие признаки, характерные как для отпускной, хрупкости [4]:

1) температурные условия развития хрупкости;

2) обратимость - возможность устранения хрупкости и повторного охрупчивания без изменения других свойств;

3) отсутствие изменений почти всех физических и механических свойств, кроме склонности стали к хрупкому разрушению;

4) увеличение доли межзеренного разрушения в хрупкой составляющей излома;

5) усиление травимости границ зерен специальными травителями при неизменной микроструктуре;

6) зернограничную сегрегацию ряда примесных и легирующих элементов.

1.2.1.1 Температурные условия развития 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, рисунок 3.

200 300 400 500 600 Температура отпуска, СС

Закалка от 940 °С в воде, охлаждение после отпуска на воздухе Рисунок 3 - Зависимость ударной вязкости при комнатной температуре и прочности стали ЗОХГСНА от температуры двухчасового отпуска [5]

1.2.1.2 Изменение свойств стали при развитии отпускной хрупкости

Если исходным является состояние закалки, отпуск в зоне развития обратимой отпускной хрупкости (400 + 600 °С) сопровождается отчетливыми изменениями всех основных механических и физических свойств стали. Однако эти изменения не связаны с собственно процессом охрупчивания. Если говорить об изменениях механических свойств стали, обусловленных собственно явлением обратимой отпускной хрупкости, то известно, что помимо ударной вязкости в переходном интервале температур и температуры хрупко-вязкого перехода к охрупчиванию чувствительны и относительное сужение гладких образцов при статическом низкотемпературном растяжении, и вязкость разрушения.

При развитии обратимой отпускной хрупкости, если исключено протекание процессов отпуска, не имеющих отношения к этому виду охрупчивания, не изменяются твердость, предел текучести и другие характеристики механических свойств, получаемые в результате обычных статических испытаний при

комнатной температуре, электрические и магнитные свойства стали, плотность, период кристаллической решетки феррита и т.д.

Одной из немногих физических характеристик стали, изменение которых сопровождает развитие обратимой отпускной хрупкости, является внутреннее трение.

Наконец, к свойствам, обязанным своими изменениями развитию обратимой отпускной хрупкости, относятся увеличение доли межзеренного разрушения в хрупкой составляющей излома и усиление травимости границ зерен специальными травителями.

Как правило, по мере развития обратимой отпускной хрупкости хрупкое разрушение стали становится все в большей мере межзеренным при снижении доли транскристаллитного скола. В случаях особо яркого проявления отпускной хрупкости излом получается полностью межзеренным [5].

Обычно фиксируют наличие межзеренного разрушения, изучают его особенности и определяют количественно его 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. Охрупченные образцы разрушаются и по границам ферритных зерен.

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

Качественные подтверждения обогащения приграничных зон зерен в стали некоторыми элементами были получены с использованием травления поверхностей излома с последующим анализом отработанного травителя, путем моделирования предполагаемых гальванических микроэлементов, работающих на поверхности шлифа при его травлении.

Применение Оже - электронной спектроскопии позволило установить основные качественные и количественные закономерности происходящего при

развитии обратимой отпускной хрупкости обогащения границ зерен элементами, ослабляющими межзеренное сцепление [6].

1.2.2 Методы исследования отпускной хрупкости

1.2.2.1 Методы определения степени охрупчивания

Использование ударных испытаний лишь при одной (например, комнатной) температуре не только не позволяет количественно оценить степень охрупчивания, но не дает возможности установить даже сам факт развития отпускной хрупкости. Лишь смещение графика температурной зависимости ударной вязкости (сдвиг критической температуры хрупкости) позволяет следить за развитием отпускной хрупкости и является количественным критерием степени охрупчивания, рисунок 4. Вместе с тем и этот критерий имеет лишь относительный, условный характер [6].

Температура испьгганкя

I - отпускная хрупкость отсутствует; 2, 3 - состояние отпускной хрупкости Рисунок 4 - Схема изменения положения сериальной кривой ударной вязкости при развитии обратимой отпускной хрупкости [7]

Склонность стали к отпускной хрупкости (даже оцениваемая по повышению критической температуры хрупкости) является, тем не менее, величиной относительной, целиком зависящей от произвольно принятого режима охрупчивания.

В ряде случаев применяется такой критерий отпускной хрупкости как увеличение доли межзеренного разрушения в хрупком изломе.

Недостатком всех указанных характеристик перехода, определяемой по данным ударных испытаний при их использовании в качестве критериев развития обратимой отпускной хрупкости, является то, что они дают информацию о характеристиках сопротивления распространению трещины в конкретных образцах и не являются в полной мере характеристиками материала. Для получения такой информации необходима оценка вязкости разрушения К]С -критического коэффициента интенсивности напряжений при плоской деформации, который является константой материала, не зависящей от конфигурации и размеров изделия, и является, в настоящее время, наилучшей характеристикой склонности материала к отпускной хрупкости [4, 6].

Также одним из наиболее часто используемых методов является травление растворами пикриновой кислоты, которые избирательно чувствительны к повышенной концентрации фосфора на границах зерен стали и сплавов железа.

1.2.3 Влияние примесей

Известно, что в развитии обратимой отпускной хрупкости решающую роль играют содержащиеся в стали примеси.

Установлено, что развитие отпускной хрупкости может быть вызвано добавками таких примесей, обычных для промышленных сталей, как фосфор, сурьма, мышьяк, олово, а также усилено содержащимися в стали в качестве примесей кремнием и марганцем [7].

1.2.3.1 Влияние фосфора, сурьмы, мышьяка и олова

Сильное охрупчивающее действие фосфора в чистом железе было обнаружено уже в одной из первых работ, посвященных исследованию межзеренного охрупчивания в бинарных сплавах Ре - Р. Радиометрический анализ отработанного травителя показал, что концентрация фосфора на границах зерен в охрупчепных образцах примерно в 50 раз выше, чем в объеме зерен.

Проведенное с использованием метода Оже - электронной спектроскопии уточнение закономерностей охрупчивающего действия добавок фосфора (0,05 0,1 %) к чистому железу выявила при минимальной (в исследованном интервале) концентрации фосфора повышение критической температуры хрупкости сплава примерно на 200 °С в результате изотермической выдержки при 700 °С (после предварительной закалки от 1000 °С). При этом оказалось, что обогащение границ зерен фосфором, достигающее на поверхности межзеренного излома десятков атомных процентов, развивается практически только при температурах существования а - фазы; зернограничной сегрегацией фосфора в аустените можно пренебречь. Аналогичные результаты получены и для зернограничной сегрегации сурьмы в железе [8].

Принципиально аналогичным образом влияют указанные примеси и на развитие обратимой отпускной хрупкости более сложных по составу сложнолегированных конструкционных сплавов. Охрупчивающее влияние примесей в конструкционных сталях проявляется при развитии обратимой отпускной хрупкости как в процессе замедленного охлаждения от температуры высокого отпуска, так и при изотермических выдержках в опасном интервале температур [9].

Наблюдаемое охрупчивание и полученные закономерности влияния на него фосфора можно с уверенностью отнести к «классическим» проявлениям обратимой отпускной хрупкости, поскольку повышение температуры хрупко-вязкого перехода не сопровождается какими-либо статистически значимыми изменениями структурно-чувствительных свойств: коэрцитивной силы,

твердости, предела текучести. Однако при этом повышается травимость зерен пикриновой кислотой, увеличивается доля межзеренного хрупкого разрушения в изломе, наблюдается высокотемпературная обратимость.

Наблюдается взаимосвязь между охрупчиванием стали и зернограничной сегрегацией примесей: обогащение границ зерен примесными элементами обнаружено на охрупченных образцах, в то время как в неохрупченном состоянии оно отсутствует или пренебрежимо мало по сравнению с обогащением в состоянии отпускной хрупкости. Более того, во многих работах установлено, что повышение температуры хрупко - вязкого перехода ДТлр, которое характеризует степень охрупчивания, прямо пропорционально повышению концентрации охрупчивающей примеси на границах зерен [4].

ЯжЛ

с((р;$п:$ь1*л(ш}

Рисунок 5 - Связь между повышением критической температуры хрупко-вязкого перехода ДТк при развитии обратимой отпускной хрупкости Сг - № стали и обогащением границ зерен фосфором, оловом, сурьмой [10]

На рисунке 5 приведен пример, подтверждающий справедливость таких зависимостей для различных примесных элементов в хромоникелевых сталях.

Известно, что обратимости охрупчивания соответствует и обратимость зернограничной сегрегации примесей: обогащение границ примесями, даже весьма значительное в охрупченном состоянии, исчезает после повторного высокого отпуска.

Установлено, что обогащение границ зерен примесями развивается в а - области, причем непосредственно во время охрупчивающей обработки - в процессе медленного охлаждения или изотермических выдержек в интервале температур развития хрупкости. При температурах нагрева под закалку (в у - области) обогащения границ практически не происходит (или оно значительно меньше обогащения границ в а - области при охрупчивающей обработке). Имеются доказательства того, что в а - области обогащаются границы не только бывших аустенитных зерен, но и новые границы типа феррит - феррит, образовавшиеся при стабилизирующем отпуске, т.е. фактически все болыиеугловые границы. При наличии обогащенных границ обоих типов (бывших аустенитных и ферритных зерен) трещина при межзеренном разрушении предпочтительнее проходит по бывшим аустенигным границам вследствие меньшей энергоемкости такого разрушения, обусловленной меньшим количеством изменений направления в развитии трещины и большей длиной прямых участков по сравнению с более мелкими ферритными зернами. Именно этим, а не преимущественным обогащением в у - области объясняется наблюдаемое обычно разрушение стали в состоянии отпускной хрупкости по границам бывших аустенитных зерен.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Комиссаров, Александр Александрович, 2013 год

Список использованных источников

1 Гудремон Э.А. Специальные стали. - М.: Черная металлургия, 1966.

- 734 с.

2 Сорокин В.Г., Волосников A.B., Вялкин С.А. Марочник сталей и сплавов,

- М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

3 Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1982. -400 с.

4 Утевский Л.М., Гликман Е.Э., Карк Г.С. Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа. - М.: Металлургия, 1987. - 222 с.

5 Брайента К.Л., Бенерджи С.К. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов - М.: Металлургия, 1988. - 552 с.

6 Романив О.Н. Вязкость разрушения конструкционных сталей. - М.: Металлургия, 1979. - 176 с.

7 Смирнов М.А., Счастливцев В.М., Журавлев Л.Г. Основы термической обработки стали: Учебное пособие. - Екатеринбург, УрО РАН, 1999. - 494 с.

8 Никулин С. А., Штремель М.А., Канев В.П. Сурьма как фактор зернограничной хрупкости // Металловедение и термическая обработка металлов. -1983.-№ 12.-С. 23-26.

9 Устиновщиков Ю.И., Шабанова H.H., Сапухин В.А., Трапезников В.А Охрупчивание легированных сталей при отпуске // Физика металлов и металловедение. - 1977. - Том 44. - Вып. 2. - С. 336-343.

10 Устиновщиков Ю.И., Банных О. А. Природа отпускной хрупкости стали.

- М.: Металлургия, 1984. - 238 с.

11 Забильский В.В. Проблема отпускной хрупкости конструкционных легированных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов.

- 1987.-№ 1.-С. 24-32.

12 Евдокимов В.В. Об отпускной хрупкости улучшаемых конструкционных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1991. — .№ 11. - С. 23-24.

13 Колосов И.Е., Смирнов В.И. О возможности повышения прочности и вязкости Cr-Ni-Mo-V сталей для крепежных изделий // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1991. - № 8. - С. 18-20.

14 Горынин В.И., Чижик A.A. Выбор режима термической обработки для высоконагруженных крепежных резьбовых деталей с повышенным ресурсом // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1991. - № 7. - С. 38- 41.

15 Установщиков Ю.И. Характер влияния различных компонентов на отпускную хрупкость сталей // Физика металлов и металловедение. - 1985. - Том 59,-Вып. З.-С. 525-531.

16 Садовский В.Д., Богачева Г.Н., Умова В.М. Влияние формы межзеренных границ на ударную вязкость и характер хрупкого разрушения // Металловедение и термическая обработка металлов - 1992-№ 5 -С. 28-30.

17 Курдюмов Г.В., Утевский Jl. М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. - М.: Наука, 1977. - 237 с.

18 Установщиков Ю.М., Сапухин В. А. Критерий перехода сталей от вязкого к интеркристаллитному хрупкому разрушению // Проблема прочности. -1981.-№7.-с. 93-97.

19 Установщиков Ю.И. Факторы, обуславливающие переход сплавов железа к интеркристаллитному хрупкому разрушению // Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов. - 1987. -№ 5. - С. 65-69.

20 Ковалев А.И., Мишина В.Г1. Сегрегирование малых примесей в альфа-железе и интеркристаллитная хрупкость // Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов - 1984. - С. 11-12.

21 Романив 0.11., Ткач А.Н., Симинькович В.Н. Обратимая отпускная хрупкость конструкционных сталей и их статическая и циклическая трещиностойкость // Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов. - 1987. -№5.-С. 85-90.

22 Кутьин А.Б., Садовский В.Д., Гербих Н.М., Смирнов J1.B. Межзеренное разрушение конструкционной стали высокой частоты // Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов. - 1987. -№ 5. - С. 45-50.

23 Установщиков Ю.И. Причины возникновения хрупкости в процессе высокого отпуска хромистых сталей // Физика металлов и металловедение. -1977.-Том 44,-Вып. 1.-С. 146-151.

24 Смирнов М.А., Счастливцев В.М., Журавлев Л.Г. Основы термической обработки стали. - М.: ООО «Наука и технологии», 2002. - 519 с.

25 Бернштейн М.Л., Капуткина Л.М., Прокошкин С.Д., Лютцау A.B., Прокошкина В.Г., Структура и субструктура аустенита, образующегося при нагреве закаленных и тсрмомеханически упрочненных сталей // Физика металлов и металловедение. - 1982. - Т. 53. - № 6. - С. 1 143-1 152.

26 Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. 2-е изд. -М.: Металлургия, 1978. - 568 с.

27 Cahn R.W. A New Theory of Recrystallization. // Proc. Phys. Soc. A. - 1950. -V. 63.-N. 364.-P. 323-336.

28 Коттрелл A.A. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. Пер. с англ. - М.: Металлургиздат, 1958. - 267 с.

29 Тальбо Ж. Полигонизация железа, очищенного зонной плавкой. Связь между полигонизацией и рекристаллизацией для ряда металлов: физические и химические свойства металлов высокой чистоты. Пер. с франц. - М.: Металлургиздат, 1964.-С. 183-222.

30 Кан Р. Физическое металловедение, Т.З. Пер. с англ. - М.: Мир, 1968. -

484 с.

31 Бернштейн M.JI. Структура деформированных металлов. - М.: Металлургия, 1974. - 432 с.

32 Дьяченко С.С. Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах. -М.: Металлургия, 1982. - 128 с.

33 Займовский В.А., Бернштейн МЛ. Предварительная термомеханическая обработка углеродистой стали // Известия АН СССР. Металлы. - 1966. -№ 3. - С. 118-125.

34 Садовский В.Д., Бухвалов А.Б., Смирнов JI.B. О наследственном упрочнении при термической и термоциклической обработке стали // Металловедение и термическая обработка стали. - 1969. - № 2. - С. 13-21.

35 Бернштейн М.Л., Брук Л.Я., Займовский В.А., Савари П. и др. Наследование термомеханического упрочнения стали 30Х2ГМА // Физика металлов и металловедения. - 1971. - Т. 32. - № 4. - С. 813-818.

36 Зельдович В.И., Комарова И.Г., Попов A.A., Садовский В.Д. Наследование упрочнения, сообщенного пластической деформацией, при полиморфных превращениях в железо - никелевом сплаве // Физика металлов и металловедение. - 1977. - Т. 44. -№ 2. - С. 294-300.

37 Бернштейн М.Л., Минухин Я.И., Повар В.И. Предварительная термомеханическая обработка стали 60ХФЛ // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1978. - № 1. - С. 27-31.

38 Александров Н.Г., Дьяченко С.С. Предварительная термомеханическая обработка пружинных сталей 60С2А и 50ХФА с применением гидропрессования // Физико-химическая обработка материалов. - 1979. - № 4. - С.89.

39 Бернштейн М.Л., Штремель М.А. О «наследственном» влиянии наклепа на свойства стали // Физика металлов и металловедение. - 1963. - Т. 15. - С. 8290.

40 Штинов Е.Д., Энтин Р.И., Гуревич Я.Б. и др. Влияние величины зерна аустенита на механические свойства хромоникелевых конструкционных сталей // Физика и химия обработки материалов. - 1976. -№ 6. - С. 99-103.

41 Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. -М.: Металлургия, 1979. - 496 с.

42 Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. - М.: Металлургия, 1979. - 208 с.

43 Карета Н.Л., Мазур В.Г. О зависимости перехода стали в хрупкое состояние от величины зерна // Проблемы прочности. - 1974. - № 2. - С. 96-99.

44 Латышкова Ц.Ц., Островский Г.А., Саррак В.И. Влияние измельчения зерна на уровень ударной вязкости закаленной стали ЗОХГСНА // Известия АЫ СССР. Металлы. - 1979.-№3.-С. 161-164.

45 Мухамедов A.A. Прочность и износостойкость в зависимости от величины аустенитного зерна и тонкой структуры стали // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1968. - № 7. - С. 31 -34.

46 Кидин И.П., Доронин И.В. Влияние величины зерна аустенита на кратковременную жаропрочность металлов и сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1970. - № 3. - С. 6-8.

47 Штремель М.А., Лизунов В.И., LUкатов В.В. Преобразование зерна при а^у превращении в малоуглеродистой стали // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1979. - № 10. - С. 8-11.

48 Качанов Н.И. Прокаливаемость стали. - М.: Металлургия, 1976. - 192 с.

49 Фролов В.К., Децора К.Я., Слухин А.Ф. Термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1975.- 153-158 с.

50 Некрасова С.З., Серженко A.M., Спекгор Л.И. Измельчение зерна при рекристаллизации деформированного аустенита и свойства стали // Физика ме галлов и металловедение. - 1976. - Т. 41. - № 6. - С. 1213-1218.

51 Изотов В.И., Вознесенский В.В., Бащенко А.П. Влияние величины исходного аустенитного зерна па структуру и предел текучести стали, закаленной на мартенсит. В кн: Проблемы металловедения и физики металлов. - М. ¡Металлургия, 1976.-№3-С. 192-199.

52 Вознесенский В.В., Добриков A.A., Козлов А.П. Влияние величины исходного аустенитного зерна на структуру и предел текучести закаленной на мартенсит стали // Физика металлов и металловедение. - 1975. - Т. 40. - № 1. — С. 92-101.

53 Бернштейн МЛ., Капуткина Л.М., Сумина И.И. Влияние условий деформирования и величины зерна на свойства стали // Известия вузов. Черная металлургия. - 1973. -№ 11. _С. 158-161.

54 Коган Л.И., Энтин Р.И. Влияние деформации переохлажденного аусгенита на свойства сталей после закалки // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1962. - № 1. - С. 3-9.

55 Садовский В. Д. Структурная наследственность в стали. - М.: Металлургия, 1973. - 205 с.

56 Слива A.A., Дьяченко С.С., Дьяченко B.C. Влияние легирования на температуру структурной перекристаллизации сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1971. - № 1. - С. 14-17.

57 Утевский Л.М. Отпускная хрупкость стали. — М.: Металлургиздат, 1961. - 191 с.

58 Шепеляковский К.З., Островский Г.А. Влияние исходной структуры и скорости нагрева на начальное зерно аусгенита в углеродистой доэвтектоидной стали // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1967. - № 7. - С. 16-19.

59 Загуляева С.В., Виноград М.И. Рост аустенигного зерна в конструкционной стали // Металловедение и термическая обработка металлов. -1971.-№ 7.-С. 2-4.

60 Виноград М.И., Ульянина И.Ю., Файвилевич Г.А. О механизме роста зерна аустенита в конструкционных сталях // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1975. - № 1. - С. 5-11.

61 Гуляев А.П., Лещинская Р.П. Нафталинистый излом быстрорежущей стали // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1963. - № 3, С. 2227.

62 Гуляев А.П., Серебрянников Л.Н. Исследование аномального роста зерна в металлах // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1978. - № 12. -С. 5-7.

63 Анашенко В.И., Карчевская Н.И., Фонштейн Н.М. Механизм роста зерна в Fe-V-N и Fe-Nb-N сплавах // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1975.-№ 10.-С. 62-64.

64 Стародубов К.Ф., Флоров В.К., Децюра К.Я. и др. Особенности роста зерна аустенита в конструкционных сталях при печном непрерывном и ступенчатом нагреве. В кн.: Качественные стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1976.-С. 33-36.

65 Мишин В.И., Дымов A.M., Львов В.Н. О кинетике роста аустенитного зерна // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1979. - № 8, - С. 16-17.

66 Шепеляковский К.З., Лисицкая Л.А. Измельчение зерна аустенита стали 40Х при ускоренном нагреве // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1982. -№ 7. - С. 2-3.

67 Завьялов А.Г., Мишин В.И. Закономерности и особенности во влиянии легирующих элементов на рост зерна в стали при нагреве. - В кн.: Оптимизация метллургических процессов. - М.: Металлургия, 1970. - С. 93-101.

68 Ланская К.А., Долин екая Л.А., Хотомлянский Г.Л., О наследственном влиянии холодной деформации на структуру и свойства труб из стали 12Х1МФП. //Сталь. - 1973.-№ 12.-С. 1122-1126.

69 Шепеляковский К.З., Лисицкая Л.А., Безуглый В.В. Особенности кинетики роста зерна аустенита стали 15ГЮТ при ускоренном нагреве. - В кн.: Пути повышения прочности металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1982. - С. 136-139.

70 Бернштейн МЛ. Термомеханическая обработка металлов и сплавов, т. 1. - М.: Металлургия, 1968. - 596 с.

71 Козлов Э.В., Климашин С.И., Попова H.A., Целлермаер В.В. Формирование фрагментированной субструктуры в конструкционной средиелсгированной стали под действием термической обработки // Черная металлургия.-2006.-№ 10.-С. 33-37.

72 Бернштейн М.Л., Капуткина Л.М., Прокошкин С.Д. Отпуск стали. - М.: МИСиС, 1997. - 336 с.

73 Бернштейн МЛ. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. Том 2. - М.: Металлургия, 1968. - 1172 с.

74 Гуляев А.П. Сверхпластичность стали. - М.: Металлургия, 1982. - 55 с.

75 Гуляев А.П., Сарманова J1.M. Технологическая пластичность быстрорежущих сталей //Металловедения и термическая обработка металлов, 1969,-№7.-С. 2-9.

76 Гуляев А.П., Сарманова Л.М. Высокотемпературная пластичность углеродистых сталей // Металловедения и термическая обработка металлов. -1972.-№4. _с. 43-47.

77 Волынова Т.Ф., Гуляев А.П. Аномалия пластичности и полиморфные превращения // Металловедения и термическая обработка металлов. - 1981. - № 3. -С. 24-27.

78 Гуляев А.П. Состояние предпревращения в сплавах железа, // Ме талловедения и термическая обработка металлов. - 1991. - №6. - С. 7-10.

79 Бокштейн С.З. Диффузия и структура металлов, - М.:Металлургия, 1973. - 206 с.

80 Пименов В.А., Эстрин Э.И. Механические свойства железа вблизи а - у -превращения // Физика металлов и металловедение. - 2005. - Т. 99. - № 2. -С. 100-104.

81 Муравьев В.И., Фролов A.B., Башков О.В., Мартынюк A.M., Кириков A.B. Влияние аустенитного предпревращения на формирование дефектной наноструктуры и свойства стали 30ХГСА // Металлургия машиностроения. -2012.-№ 1.-С. 31-34.

82 Муравьев В.И., Фролов A.B., Мартынюк A.M., Кириков A.B. Использование эффектов аустенитного предпревращения и превращения при термической обработки конструкционных сталей // Вопросы материаловедения. -2012.-№3.-С. 7-14.

83 Рыбакова Л.М. Механические свойства и субструктура металлов // Металловедения и термическая обработка металлов. - 1994. - № 10. - С. 12-17.

84 Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. - М., Металлургия, 1984. - 360 с.

85 ГОСТ 5639-82 Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. - 16 с.

86 ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. - 9 с.

87 ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. - Переизд. янн. 2008 с изм. 1 - 3. - М.: ИПК Стандартинформ, 2008. - 35 с.

88 ГОСТ 14019-2003 Материалы металлические. Метод испытания на изгиб.

- Минск: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 7 с.

89 ГОСТ 9013-59 Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу. -Переизд. окт. 2001 с изм. 1 - 3. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. - 6 с.

90 ГОСТ 2999-75 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу. - Переизд. дек. 1986 с изм. 1 - 2. - М.: Издательство стандартов, 1987.

- 29 с.

91 ГОСТ 3647-80 Материалы шлифовальные. Классификация. Зернистость и зерновой состав. Методы контроля. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. -17 с.

92 Садовский В.Д., Малышев К.А., Сазонов Б.Г. Превращение при нагреве стали. - М.: Металлургиздат, 1954. - 156 с.

93 Земский C.B., Григоркин В.И., Захаренкова В.И., Кукушкина В.И., Диффузия углерода в железоникелевых сталях разного состава // Известия вузов. Черная металлургия. - 1972. -№ 10. - С. 115-118.

94 Земский C.B., Макашова Л.С., Львов B.C., Диффузия углерода в сплавах железо-титан // Известия вузов. Черная металлургия. - 1978. - № 6. - С. 99-102.

95 Минкевич A.M. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. -М.: Машиностроение, 1965.-493 с.

96 Гуляев А.П., Зикеев В.М., Корнюшенкова Ю.В., Земский C.B. Влияние отпуска в субкритическом интервале температур на сопротивление разрушению конструкционной среднеуглеродистой стали // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1992. -№ 8. - С. 10-13.

97 Бернштейн M.Jl., Васильев В.Ю., Добаткин C.B. и др. Прочность и элсктрогенность термомеханически упрочненных сталей Х18Н12Т, выплавленных на обычной и первородной шихтах // Металлы. - 1988. - № 4. - С. 118-123.

98 Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1978.- 568 с.

99 Бернштейн М.Л., Капуткина Л.М., Прокошкин С.Д., Никишов H.A. Непосредственное наблюдение процессов превращений при нагреве сталей в колонне электронного микроскопа // Металлы. - 1982. - № 3. - С. 76-87;

100 Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. - М. Металлургия, 1986. - 480 с.

101 Лахтин Ю.М. Основы металловедения - М.: Металлургия, 1988. - 320 с.