Камневидный излом

Характеристика.

Представляет собой однородную поверхность разрушения, проходящую по зернограничным объемам, образованным при высоких температурах и обогащенным ограниченно растворимыми в аустените фазами в виде мелких частиц или пленок — оплавленных эвтектик. Наблюдается в литой и деформированной сталях . поверхность камневидного излома стали, охлажденной с высоких температур, гладкая, светло-серого цвета, чаще всего с металлическим блеском. Боковая утяжка в изломе либоотсутствует, либо очень мала. Огранка камневидных зерен наиболее четко проявляется после закалки и отпуска в широком диапазоне температур, а также при испытаниях в условиях нагрева до 100—200 °С. После высокого отпуска в изломе наряду с участками камневидных зерен имеются участки с внутризеренным вязким волокнистым строением. В литой стали зерна могут иметь более или менее правильную равноосную полиэдрическую форму (гречневидный излом) или вытянутую столбчатую форму (шестоватый излом). Однако в отдельных случаях (крупные отливки) встречаются грубозернистые изломы с неправильной формой зерен, так называемой раковистой формой.

При микрофрактографических исследованиях камневидного излома литой стали, не подвергавшейся термической обработке, после ее охлаждения с высоких температур, при которых образуются оплавленные эвтектики, на поверхности разрушения по границам зерен наблюдаются фазы, имеющие пластинчатую или дендритную (папоротниковидную) форму.

В изломах с камневидными зернами, имеющими блестящую поверхность, например, после закалки и охрупчивающего отпуска (500 °С), наблюдается хрупкое межзеренное разрушение. поверхность камневидных зерен после закалки и высокого отпуска имеет ямочное строение, свидетельствующее о слабо выраженной пластической деформации зернограничного объема. При этом глубина и диаметр ямок существенно меньше, чем на участках излома с волокнистым строением.

Причиныобразования.

Камневидный излом в литой стали может быть двух видов: первичный и вторичный. Первичный излом наблюдается до термической обработки и связан с образованием так называемой грануляционной структуры аустенита, формирующейся после кристаллизации при замедленном охлаждении в области высоких температур. На границах зерен выделяются избыточные ограниченно растворимые в у-фазе сульфиды, нитриды, фосфиды, карбиды и некоторые легирующие элементы.

Возникновение вторичного излома связано с перегревом металла перед горячей деформацией (ковкой, прокаткой, штамповкой) и значительно реже с перегревом при термической обработке. При перегреве выше определенной критической температуры, как и при образовании первичного излома, происходит обогащение вновь образованных зернограничных объемов различными выделениями. Пограничные выделения во вторичном изломе по природе и составу близки к наблюдаемым в первичном изломе, за исключением соединений, температура плавления которых выше температуры перегрева. Частицы выделений во вторичном изломе значительно мельче, чем в первичном. Вновь образованные зерна вторичного излома не связаны по ориентации с границами первоначально образованных зерен.

Критическая температура перегрева, при которой начинается образование вторичного камневидного излома, зависит от химического состава стали, способа выплавки, метода раскисления и, следовательно, степени чистоты стали, природы неметаллических включений и величины зерна. Так, сталь электродуговой выплавки более склонна к образованию такого излома, чем мартеновская. Еще более склонна к образованию камневидного излома сталь электродуговой выплавки с последующим электрошлаковым переплавом. Это связано с выделением по границам зерен нитридов алюминия и увеличением размера аустенитного зерна. Повышение чистоты стали способствует более интенсивному росту аустенитного зерна, увеличению плотности выделения избыточных фаз и за счет этого повышению склонности стали к образованию камневидного излома.

Различают устойчивый камневидный излом, или камневидный излом первого рода, требующий для исправления нагрева до температуры несколько ниже критической, что редко осуществимо в практике термической обработки конструкционных сталей, и неустойчивый камневидный излом, или камневидный излом второго рода, который сравнительно легко исправляется последующей гомогенизацией или высокотемпературной нормализацией. Устойчивость камневидного излома при последующей термической обработке тем выше, чем ниже скорость охлаждения в процессе кристаллизации и непосредственно после нее, чем выше температура и больше продолжительность перегрева, чем больше в стали тугоплавких соединений, обогащающих зернограничные объемы.

Неустойчивый камневидный излом характерен для сталей, легированных марганцем при отношении Mn: S>50-b70. Такой излом может быть связан также с развитием отпускной хрупкости, при этом охрупчиваются в процессе отпуска не границы зерен аустенита, возникшие при нагреве перед закалкой, а границы зерен, образованные при предыдущем перегреве. В высокочистой стали камневидный излом,, вызванный развитием отпускной хрупкости, на образуется.

Способыпредупреждения образования первичного камневидного излома в литой стали:

—снижение содержания никеля и повышение содержания марганца;

—раскисление стали редкоземельными элементами, связывающими серу в тугоплавкие соединения;

—модифицирование стали и обработка жидкой стали синтетическим шлаком;

—ускоренное охлаждение литой стали при затвердевании и после него до температур 1000—1200 °С.

Способы предупреждения образования вторичного камневидного излома:

—ограничение температуры нагрева (до критической температуры перегрева) стали перед горячей деформацией и при термической обработке;

—проведение высокого отпуска выше интервала температур обратимой отпускной хрупкости.

Сталь, имеющая камневидный излом, может быть улучшена двумя путями: высокотемпературной гомогенизацией при 1100—1200 °С или горячей деформацией. Режим гомогенизации определяется степенью устойчивости камневидного излома: чем он более устойчив, тем более высокой должна быть температура нагрева и тем длительнее выдержка при этой температуре. При этом в процессе гомогенизации постепенно растворяются зернограничные выделения, и после термического улучшения на фоне волокнистого излома, наблюдаются в виде фасеток либо отдельные грани исходных зерен, либо участки этих граней.

При горячей деформации перегретой стали по мере увеличения степени деформации и понижения температуры ее окончания в изломах после термического улучшения наблюдается постепенное уменьшение камневидности (происходит постепенное разрушение границ перегретых зерен аустенита): сначала остаются отдельные грани, затем с повышением степени деформации — частички этих граней в виде матовых фасеток и, наконец, при достаточно интенсивной деформации и соответствующей температуре ее окончания следы камневидного излома полностью исчезают.

Сталь с камневидным изломом, образование которого связано с охрупчиванием при отпуске, исправляется нормализацией и последующим улучшением с высокотемпературным отпуском и ускоренным охлаждением.

На начальной стадии образования камневидного излома и на конечной стадии его устранения в изломе могут наблюдаться фасетки как элементы поверхности камневидного излома. Непосредственно после высокотемпературной обработки могут наблюдаться фасетки со светлой или блестящей поверхностью, имеющие при больших увеличениях хрупкий характер разрушения. После улучшения с достаточно высокой температурой отпуска и ускоренным охлаждением наблюдаются матовые фасетки на фоне волокнистого излома; поверхность этих фасеток при большом увеличении имеет вязкий характер разрушения.

Механическиесвойства.

При наличии в изломе участков с камневидным строением, имеющих блестящую или светло-серую поверхность, существенно снижаются ударная вязкость и пластичность стали. При матово-серой поверхности камневидных зерен снижение ударной вязкости и пластичности менее существенно. Чаще всего наблюдается закономерность: чем большая площадь поверхности занята межзеренным разрушением, тем ниже пластичность и ударная вязкость стали.

Источник: Атлас дефектов стали. Пер. с нем. М. "Металлургия", 1979.