Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа

Утевский Л.М., Гликман Е.Э., Карк Г.С.

Металлургия, 1987 г.

ГлаваI. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАТИМОЙ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ

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 600—400°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.

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 [1—3].

Термические условия развития отпускной хрупкости обусловливают большое практическое значение этого явления. Многие крупногабаритные массивные детали из легированных сталей во избежание возникновения неблагоприятных 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 течением времени будет приводить к охрупчиванию стали и снижению сопротивления детали и конструкции в целом. Наблюдаемое в результате охрупчивания при замедленном охлаждении и при длительных изотермических выдержках повышение температуры хрупко-вязкого перехода стали может достигать сотен градусов [1,4, 5]. Так, при снижении скорости охлаждения после выского отпуска до 2,5—5°С/ч (рис. 1) температура хрупко-вязкого перехода промышленной плавки роторной стали типа 25ХНЗМФА повышается на 80—90°С [2], а для промышленной плавки дисковой стали типа 35ХН4МА значение ΔΓ_κ при таких скоростях охлаждения составило 200—230°С [4]. В процессе длительной (3—5 тысяч ч) изотермической выдержки при 450—480°С (рис. 2) критическая температура хрупкости сталей типа

15ХНЗМФА [2], 35ХНЗМФ [5], 20Х2М [6] повышается на 120-200°С. С увеличением длительности изотермического охрупчивания при 450°С до 35000 ч повышение критической температуры хрупкости достигает для стали типа 35ХНЗМФА, предварительно закаленной и отпущенной на предел текучести около 10³ МПа, 530°С [5].

Иногда разделяют понятия отпускной и тепловой хрупкости, понимая под тепловой, в отличие от отпускной, хрупкость, возникающую в условиях эксплуатации стали под влиянием длительных выдержек при температурах, лежащих ниже температур появления отпускной хрупкости.

Однако многие внешние проявления обоих видов хрупкости и факторы, их вызывающие, практически идентичны, особенно если прочностные свойства и структура стали предварительно стабилизированы высоким отпуском достаточной продолжительности, и не изменяютcя в процессе пребывания стали при более низких температурах. Поэтому часто оба вида охрупчивания рассматривают как одно явление, имеющее общие основные признаки, качественно характеризующее охрупченное состояние стали и процесс охрупчивания и отличающие его от других видов хрупкости. Известны следующие общие признаки, характерные как для отпускном, так и для тепловой хрупкости:

1) температурные условия развития хрупкости (кажущиеся отличия в критических температурных интервалах обусловлены длительностью охрупчивающего воздействия) ;

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.

К общим признакам можно отнести также обнаруженную и исследованную в последние годы, благодаря в основном развитию Оже-электронной спектроскопии, зернограничную сегрегацию ряда примесных и легирующих элементов [5, 7, 8], развивающуюся как при отпускной, так и при тепловой хрупкости.

В связи с этим в большинстве опубликованных в последние годы работ, посвященных изучению хрупкости (возникающей как при замедленном охлаждении после высокого отпуска, так и при длительных выдержках в этом же интервале температур) оба вида охрупчивания определяют одним термином — обратимая отпускная хрупкость.

Рассмотрим основные внешние проявления обратимой отпускной хрупкости.

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 [9, 10]. 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 35ХНЗМФ в течение 3500 ч при 400°С приводит к повышению температуры хрупко-вязкого перехода на 110°С [5] 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, или (как ее часто называют в зарубежной литературе) хрупкости отпущенного мартенсита (250-400°С). Однако, если сталь стабилизирована достаточно длительным высоким отпуском, то необратимая отпускная хрупкость, связанная с распадом мартенсита [273], не возникает, и нижняя граница температур, при которых развивается охрупчивание, действительно, характеризует температурный интервал обратимой отпускной хрупкости.