автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура, свойства и ...ние предварительно перегретой конструкционной стали с низким содержанием серы

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ЛШВЕРСМТЕГ

На правах рукописи

КУТЫШ А олиз Борисович

СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И , . ШЕ ПРРДВАЕИТЕЛЫЮ' ПЕРЕГРЕТОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ С НИЗКИМ .СОДЕРЯАЕШ1 СЕРЫ

Специальность 05.16.01 - "•йбталдоьедыше и термическая обработка металлов"

Авторе ф 9 par диссертации на соискание ученой степени доктора техническая наук

/ //) ?

Челябинск, 1^91

Работа выполнена б лаборатории прецизионных сплаЕов отдела прецизионной металлургии Ордена Трудового Красного Знамени Института физики металлов Ордена Октябрьской Революции Уральского отделения АН СССР

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор С.В.Грачев

Доктор твхничвеких наук В.Я.Заславский

Доктор технических наук Ю.П.Сурков

Ведущее предприятие - НЖГЯЖМАШ ПО Уралмат

Защита диссертации состоится " и " ^ 1991 г. ,

в часов на заседании специализированного совета Д 053.13.04 при Челябинском Государственном Техническом Университете

Адрес: 454044 г.Челябинск, згр.В.И.Ленина 76.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского Государственного Технического Университета ,

Автореферат разослан "¿У" с}//рс'лЯ 1991 г.

Ученый се1фетарь специализированного совета, доктор физико-математических наук,

профессор

" •';,г® I ■ отя хардктшютасд работы

~л >

"' 'Актуальность темы. Улучшение качества металлопродукции путем глубокой очистки стали от вредных примесей и неметаллических включений является одним из основных направлений получения высокого комплекса эксплуатационных свойств. Повышение чистоты стали полозительно отражается на механических свойствах, но вместе с тем на производстве возникли определенные трудности проведения термической обработки сталей повышенной чистоты, связагаже с получением удовлетворительного излома в заготовках, прошедшие высокогешературшй нагрев на предварительной стадии обработки. Исследование влияния предварительного нагрева на вид излома и уровень ;свойств конструкционных сталей поело заключительной термообработки жоет научную а практическую ценность для выяснения природа возникновения дефектных изломов и разработки мероприятий, обеспечивающих прэ-дупрэздение появления меззеренпого разрушения при высоком" комплексе свойств изделий ответственного назначения.-

Актуальной проблемой является' йзупент .причин ловшанной склонности электроплаковой стали с низюда содержанием серн к остаточному перегреву сульфидного происхождения (устойчивому камнеридаому излому), поскольку в этой стает существенно понижается температура нагрева, при замедленном охлаждении от которой обнаруживается мекзэренное вязкое разрушение даже после многократной последувдей термообработки.•

При изучении условий образования камнэвидного- излома исследователи основное внимание уделяли -кинетике вщгрленая сульфидов по границам зерен аустешгга« не учитывая при этом возможность выделения включений в объеме зерна. Однако морфология и распределение сульфидных частиц при охлаждении от температуры перегрева должны подчиняться общим закономерностям выделения избыточной фазы в твердом состоянии.■ Актуальность работы: связана с возможностью оценки влияния различных типов сульфкд-ая включений, выделившихся при термической обработке, на уровень механических свойств и характер разрушения.

В литературе не отмечалась связь структурных факторов с , появлением межзеренного разрушения, в частности, сохранение в>' структуре повторно• закаленной стали границ исходах крупных.. зерен мокэт определять развитие отпускной хрупкости но грани—,

цам зорен аустенита, существовавших при высоком нагрев» на предварительной стадии обработки (кашевидный излом второго рода). Б связи с этим важным становится определенна условий обработки, при которых наблюдается как сохранение "старых" границ зерен, так и их исчезновение, то есть установить влияний рет.гав предварительной обработки (температуры аустенити-зации, скорости охлаждения) и условий повторного нагрева, предназначенного для измельчения исходного крупного зерна, на особенности формирования аустенитной структуры стали.

Целью работы являлось систематическое исследование общих закономерностей влияния высокотемпературного нагрева и режимов охлаждения в аустенитной области на характер разрушения и уровень свойств сталей повышенной чистоты как в закаленном крупнозернистом состояние так и после повторного нагрева, обеспечивающего измельчение ^¡ус^енигного зерна, закалки и окончательного отпуска. Особое внимание уделялось перераспределении включений неметаллической фазыгпри термической обрасЬгко, идентификации частиц, их влиянию на формирование структуры и ^механизм разрушения, !

На залдату выносятся следующие основные шолонения, определяющие научное значение работа и ее новизну! *

1. Результаты исследования впервые обнаруженной транс-кристэллитной хрупкости закаленной стали - феноменология, условия. возникновения и устранешм, изменение свойств и природа охрупчиваная.

2. Закономерности выделения ■ включений сульфидной фазы в предварительно порегретой и термообработанной стали с низким содержанием серы, влияние включений различной морфологии на урбвещ. свойств ж характер разрушения. ■>

3. Результата изучения влияния состава сталей, способа выплавки И' рекша предварительной термической обработки.з аус-теня'тном интервале на чувствительность'" к образованию устойчивого камневндного излома сульфидного происхождения, а также влияние горячей пластической деформации на склонность сталей к межзерэнному разрушению.

, • 4.. Особенности структуры повторно закаленных сталей и влкяеиэ сохранившееся "старых" границ дустенитных зерен на ха-. рэктер разрупекия.

5. Выяснение -природа и расширение понятий вторичный наф-

тшппшстый излом, квмневидаый излом второго рода и остаточный перегрев в предварительно перегретых и повторно закаленных сталях.

6. Результаты прошпленного опробования и внедрения раэ-работашшх рекомендаций.

Практическая ценность работы. Установленные закономернос-та перераспределения сульфидных включений при термической обработке сталей повышэнной чистота и ш влияние на свойства позволяют заключить, что последствия перегрева могут проявляться не только в возникновении крупнозернистого мезкзерешого излома, но и в существенном снижении свойств при удовлетворительной виде излома. Для сталей с низким содержанием серы важно строго контролфовать рекиш проводотая предварительной высокотемпературной обработки - температуру исходного нагрева, скорость охлаждения, а также возмогшую задерзасу охлзкдошя в аустештной области.

Разработанные рекиш исправления' заготовок с дефектным изломом на стали 18Х2Н4МА-Ш (ЭШП) позволили ликвидировать брак по виду излома на Барнаульском заводе "Трансмаа" им.В.И.Ленина и получить экономический эффект в сумме 17,469 тис.руб. (доля Ш! УрО АН СССР) в год. Результаты исследования влияния вида изломов на уровень свойств заготовок стала 38ХГОИФА-Ш положены в основу изменения ТУВЗ-10-83, внедренного па предприятиях отрасли, что обеспечило годовой экономический эффект в сумме 169,95 тыс.руб. Оптимизация состава элоктрошлаковой стали, корректировка режимов термической обработки й проведения горячей пластической деформации, разработанные на основе проведенных исследований, позволили получить условный • экономический аффект в размере 735,1 тыс. руб., составляющий 25% от обшей суммы эффекта.

Научные результаты работы могут быть использоваш для развития"теорий термической обработки, а основные положения диссертации представляет интерес как учебный материал в курсе лекций по металловедению и термообработке.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следуют* конференциях и совещаниях. 1. Уральские школы ыэталловедов-тершетов 1975...1939 г.г. 2. Всесозная конференция "Интеркристаллитная хрупкость .. сталей и сплавов" (Икевск, 1984, 1989 ). 3. Всесоюзная конференция "Фи-

зика разрушения" (Черновцы, 1985; Киев, 1989). 4. Всесоюзная конференция но физике прочности и пластичности (Куйбышев, 1936). 5. Всесоюзная научно-техническая конферещцш "Металл и технический прогресс" (Москва, 1988). 6. Всесоюзная научно-техническая конференция "Структура, и прочность материалов ъ широком диапазоне температур" (Каунас, 1989). 7. Республиканский семинар "Излом и хрупкость стали и сплавов" (Киев, 1982). 8. Региональная конференция "Современные метода исследования в металловедении*' (Устинов, 1985). 9. Республиканская научно-техническая конференция "Современная технология и перспективы развития упрочнявших методов обработки деталей машин и инструментов" (Ташкент, 1984). 10. Республиканский семинар "Термическая обработка и свойства конструкционных сталей" (Киев, 1988). 11.3 международная конференция "Основы и применение современных технологий термической обработки" (ГДР, Карл-Маркс-Штадт, 1983). 12. 45 коллоквиум по термической обработке (ФРГ, Висбаден, 1989). -13. 7 Мэждуйародний конгресс по термообработке "МОТ0-9О" (Москва, 1990). 14.Региональная конференция "Спектроскопические метода анализе поверхности металлов и сплавов" (Челябинск, 1990). 15. Всесоюзная конференция "Структура и химическая шкронеодаородность в материалах (Киев, 1990).

По материалам диссертации опубликована-21 статья. .

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четыре? глав, заключения и приложения." Она содержит 193 страниц, машинописного текста, 100 рисунков, 11 таблиц и библиограф® ва 141 наииенованае.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

РАЗВИТИЕ.. "СУЛЬ®ЩЩ0Й" ХРУПКОСТИ ПРИ ЗАДЕРЖКЕ : ОХЛАЖДЕНИЯ В АУСТЕШТНОЙ ОБЛАСТИ

Влияние дришсей на-свойства г характер разрушения коне трукционных сталей проявляется в тех случаях, когда в ревульта те термической обработки изменяется химический состав пригра ничных зон аустенитнах зерен.. Это происходит за счет протэкани сегрегационных процессов или при выделении частиц неметалдачес кой фазы преимущественно по границам зерен, что сопровождаете

ослаблением мезсзереиного сцепления, и появдашем кнтеркрнстзл-литного излойа. Однако при изучении влияния обработки в аустэ-нигной области на характер разрушения сталей повышенной чистоты такая зависимость вица излома от рекшла охлаждения перегретой стали оказалась нарушенной. Было установлено, что в результате высокотемпературного нагрева, подстукявания в однофазной зусте-нитной области и закалки наблюдается резкое падение ударной вязкости с появлением блестящего хрупкого, но не мензеренного, а транскристалличоского излома.

В данной главе диссэртацш! описаш феноменология, термические условия возникновения и устранения, влияние на свойства и особенности разрушения, а также причины этого впервые обнаруженного явления транскристаллического охрупчивания стали.

Исследование выполнялось на ряде плавок ггрсукалэнгшх сталей" 18Х2Н4?«!А и Э8ХКЗМФА, изготовленных катодом электроялаково-го переплава. Установлено, что пошзеняе температуры нагрева стали 18Х2Н4МА в сочетании с быстрым охлааденивм обеспечивает, повышение ударной вязкости. Предшз^огдаельно повышение • вязкости стали до 1,8...2,0 Ццк/к2 объяснялось растворением сульфидных включений при награвз выиа 1200°С и подавлением их Бцделз-ния закалкой от высокой тэетературы. Пря медленном оглашении образцов с выключенной печьш или -при задерггсв охлаздения в интервале температур 950.--700°С происходит падение вязкости до 0,08...0,2 Мда/м2 при хрупком травскристаллнческом излома.

л Пониженные значения ударной вязкостй относятся на толы-;о к закаленному состоянии, но л сохраняются • во всем интервале тешератур отпуска, причем до температура отпуска 550°С повышения вязкости нэ наблюдается.. Изменение'• ренша охлаждения после высокотемпературного нагрева о^рагяется на положении и характера кривых хладноломкости. Еслл для образцов, закаленных от 1250°С, изменение ударной вязкости с понижением тешэратуры испытания имеет обычный характер снижения вязкости, то после ступенчатого охлаждения низкие значения ударной вязкости относятся не только к испытаниям яри те?щбратурэ гадкого азота ила комнатной, но и сохраняются на том же уровне и с повышение?« температуры испытания до 500°С. Твердость и прочностные характеристики с увеличением продолжительности изотермической выдержки в интервале охрупчивания (950...700°С> т ' изменяются и совпадают со значениями для варианта прямой закалки. Напротив,

пластические свойства при растяжении заметно падают, особенно относительное сужение (от 60 до 10%;.

Для развития транскристаддитчой хрупкости необходимыми условиями являются высокотемпературный нагрев и последующая задержка охлаждения в аустеяитной области. Если при нагреве до 1150°С с выдержкой 3 часа и последующим ступенчатым охлаждением хрупкость на проявляется, то при 1200°С достаточно 30-минутной выдерЗкки,. а при 1250°С - 15 мин, чтобы после задержи охлаждения произошло сильное охрупчивание стали. Другое условие относится к интервалу изотермической Евдбркки при охлаиде-шж. Обнаружено, что интервал'развития хрупкости зависит от температуры исходного нагрева. Нагрев до 1200...1250°С обеспечивает охрупчивашге стали при выдержке на 800...700°С, тогда как повыпение температуры до 1300°С приводит к расшрению этого интервала от 950 до 700°С. Минимальное время выдержи для появления хрупкости ео всем.интервале температур подстуживаиия приблизительно одинаково и равно 20...30 мин. После ьндэрнки при температурах ниже 700°С транскристаллшное разрушение не наблюдается и излом преимущественно мекэеренный. л •

Обнаруженный вед хрупкости обладает- свойством обратимости. Многократное повторение последовательных , циклов нагрева до 1250°0 и изотермической "выдержи приводит поочередно то к полному устранению хрупкости после закалки от высокой температуры, то.вновь'к ее возникновению после закалки с задержкой охлаждения. .

В пределах интервала охрутшшания изменяется тонкое строение поверхности изломов. Падение ударной вязкости закаленной стали после изотермической выдержи при 950...900°С сопровождается появлением'на поверхности разруиения плоских круглых микроучастков, достигающих в диаметре 10 мкм. Эти участки не имею? фактографических признаков хрупкого или вязкого разрушений. Они расположены не только параллельно плоскости разрушения, но и под некоторыми углами к ней.

Выдержка при более низкой температуре (850°С) вызывает разрушение но определенным кристаллографическим плоскостям. Полошиие плоскостей скола относительно поверхности разрушения ■сзяззно с ориентацией аустенитшх зерен и при переходе от зерна к зерну их пространственное расположение изменяется. Макроскопически ровные плоскости разрушения имеют не гладкую по-

вэрхкость, а состоят из совокупности мелких чешек с низкими •гребнями отрыва, нэблвдаэмыш лишь при большом увеличении, ко на дне чазек каких-либо включений не обнаружено.

Необычный рельеф поверхности изломов формируется в закаленных образцах лосле изотермической выдержки при 750°С. Развитие трещины происходит по "квазивязкому*1 механизму, то есть наблюдается хрупкое распространение магистральной трещины с одновременным раскрытием многочисленных вторичных трещин в условиях стесненной пластической деформации, что создает сложный рисунок, напоминающий "паркетную" укладку. Закономерное расположение вторичшх трещин и в этом случав отражает кристаллографически упорядоченный процесс разрушим.

Изменение условий испытания (динамический изгиб или ста-тичаслое рэстяашие) или скорости лагрутопия от максимальной при ударных испытаниях до минимальной при статическом изгиба для данного вида хрупкости не отражается на структуре изломов, что отличает этот вид хрупкости от других.а

При исследовании образцов с максимальной и минимальной ударной вязкостью отличительных особенностей в структуре мартенсита как при металлографическом анализа (травление нитзлем), так и электронно-микроскопическом изучении тонких фольг не обнаружено. Остаточный аустенит, по данный магнитометрических измерений, в том и другом случае присутствует в одинаковом количестве (4...5%);

Различия в структуре0 охрупченшх и неохрупченшх образцов обнаруживаются при травлении реактивом Аустена, которнй используется для определения остаточного перегрева сульфидной природы. В образцах с круглы?® макроучасгками разрушения вытравливаются отдельные короткие штриха, которые образуют систему параллельных рядов, развернутых на определенные угла. Длина штрихов соизмерима с диаметром круглых участков в изломе. Наиболее сильный эффект травления реактивом Аустсиа проявляется в образцах с разрушением по кристаллографическим плоскостям (подстригание при 850°С). Внутри бывших еустенитных зерен на фоне мартенсигной структуры расположены правильные сетки, об--разовзкше прямыми протяженными линиями. Такие сеткие наблюдается только ■ в объеме зерна аустенита, тогда как около границ остается зона, в которой сетка не вытравливается. Вдоль границ зерен выявляется цепочка дисперсннх глобулярных дошченЕй.-

Следовательно, охруштванае стали при задеркке охлаздения макет быть Енявлено на шшфах. при специальном травлении реактивом Аустена. Однако в образцах, подстушнннх до 750°С и нкно, сетка внутри зерен укв ев вытравливается, несмотря на развитие хрупкости. •

Сопоставление результатов фракгографпчоского анализа и травления металлографических шлифов позволяет предположить,что возникновение хрупкости вызвано выделением избыточной фазы. Правильные сетки свидетельствуют о кристаллографической связи выделений со структурой аустешта. Для определения кристаллографии выделений на двух взаимно перпендикулярных гранях металлографических шсхфов, потравленных реактивом Аустена, были изморены углы мэвду следами плоскостей, по которым располокена выделявшаяся фаза. Затем рентгенографически по остаточному аустэниту были определены ориентировки соотвотствуадкх аусто-натЕьк зерен, Гвокетршшскна построением получено, что фаза выделяется параллельно плоскостям- {111> решетки аустенита.

Для определения химического состава участков поверхности разрушения был применен мотод Оне-спектроскопии. На спектрах наблюдается высокий шк сера, что свидетельствует о высокой ее концентрация. Гйхогократноэ травление поверхности разрушения ионами аргона позволило установить, что обогащение серой имеет но сегрегационную природу, о связано с выделением тонких прослоек устойчивой фазы. По приблизительной оценке толщина выделений с пониканием температуры изотермической выдержки изменяется от 20 км (95D°C) до 0,5 ям (750°С). Кроме серы на Оже-спектрах присутствуют пики шлеза и марганца, что дает основание считать обнаруженные выделения сульфидной фазой.

Электронно-микроскопическое исследование угольных экстракционных реплик, полученных с поверхности разрушения показало, что ваделетя фазы действительно имеют форму пленок. Расшфровка электронограьгд- позволила здентифицирой&ть эту фазу как. сульфид марганца. При поникании температуры выдержки изменяются размеры - и форма ЕыдаленЕй от отдельных грубых пленок (950°С) до совокупности локальных более мелких (850°С), а затем пластинчатой форш (750°С). По результатам темнопольного анализа реплик, подученных с поверхности разрушения по кристаллографическим плоскостям, определено, что все отдельные ыо-нокристаяличэские пленки, пршадаекащие данной плоскости, све-

тятся в одной рефлекса, то есть икзвт однноковуо ориентировку.

Таким образом, в работе показано, что в конструкционной стали с низким содержанием серы доело высокотемпературного нагрева, задержки охлаздоняя в интервале температур 950.?.700°С и закалки'возникает траяскристаллитяая хрупкость, имеющая сульфидную природу. Предполагается, что при нагреве до температур вило i200°C первичные сулъфяятв включения растворяются, а при последующем охлавдоъш морфология а распределение выделяющейся фазы будут зависеть от рекяма охлаедепия в аустенитной оиластн. Быстрое охлаждение препятствует процессу выдологгая, п сера остается в твердом растворе. При подстукива-нии в'результате сниаония растворимости сера выделяется в виде тонких прослоек параллельно плоскостям (111> репетки аустенп-та. Форма выделений отражает стремление к соблюдению условий минимальной поверхностной и упругой энергии при данной тстшо-ратуро согласно принципу оркентоцкопного и размерного соответствия Данкова-Кснобеевекого. .

Различия в форме плэночешс выделений и, .как сдодстжз-этого, в топографии поверхности разрукегазд связаны, по-влдимо-му, с изменением скорости диффузии этот,юз сери в зависимости от температуры изотермической вндерккн. По мэре секзонйя подвижности атомов серы утолцэния пленок з локальных участках нэ происходит, а сульфидная фаза выделяется го плоскостям расш-локеяным близко друг от друга. Появление в структура пленочных выделений рэггровоздается ослаблением прочности связи з зла участках, ч~э резко понижает сопротнвлэш:й xpyxncotiy тргнскрис-таллйтному разрушения.

' Переохлаждение никэ 70Q°G подавляет выделение сульфидной фазы в теле зерна, и ее образование мояэг происходить только на границах зерен, что и подтверждается появлением мегзероного излома.

Установленные закономерности изглезения свойств и характера разрушения после задерхаш оялаздения з аустенитной области обнаружены не только в сталях с низким содержанием серн, но и в сталях с более высоким уровнем серы (до 0,02%), а также я других марках сталей. Необходимым условием для проявления хрупкости в сталях с высоким содержанием сэры является повышение температуры исходного нагрева шг& 1300°С. Это объясняется, по-видимому, термодштаг-стеас;:.^ я юшатзпескамз орранзчовиякн

растворения исходных крупных сульфидов при нагрева.

Следует отметать, что пленочные выделения сульфидной фазы наблюдаются и в стальных монокристаллах, выращенных по методу Бридкмена. Это означает, что прослойки сульфидной фазы в объеме зерна аустенига могут формироваться не только при термической обработке, ко и во время замедленного охлаждения отливок после кристаллизации. Обнаруженное явление транскристал-литнсго охрупчивания вследствие выделения сульфидов в виде плэкок может встречаться в практике обработки конструкционных сталей, ¡три которой происходит высокотемпературный разогрев металла, например при горячей пластической деформации, закалке крупных заготовок с подстуживанием.электроилаковой сварке и др.

ЕЗШШШЕ МОРФОЛОГИИ СУЛЬФИДОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ ЧЙСТ01Н

Основное внимание в данной глава уделялось изучению распределения, морфологии и состава вклэчений неметаллической фазы сталей с низким содержанием сэры, подвергнутых термической обработке в два этапа: предварительный, на котором варьировался рэаим обработки в аустенитноы интервале, и окончательный, предназначенный для изшльчения зерна аустэнита .(промежуточный отпуск 650°С, закалка от 850°С и заключительный отпуск для стали 18Х2Н4МЫИ - 200°С, .для'стали ЗЗШЗЦФА - 650°С). Поскольку металлографический анализ включешй! в сталях повышенной чистоты затруднен, изучение некбгалличзских чзсищ проводилось на поверхности изломов.с помощью сканирующей злзктронной микроскопии и рентгеноспектрального шкрозондового анализа. Для уточнения состава включений использовался метод Оже-спектрос-копии. . • '

Ка поверхности разрушения стали в исходном (литом или слабодеформированном) состояния хорошо различима неметаллические вклвчення преимущественно глобулярной формы. По данная' анализа эти кошеная представляют собой су.^ьфады марганца или оксасульфида,. в состав которых входят Б, А1, Са, Мл, 31 и др. Отдельные редкие включения икеюг оксидную природу.

За исходный нагрев была шбрзка температура 1250°С с выдержкой 1 час, что приблизительно соответствует реяиму разог-

рэвэ заготовок для проведения горячей пластической деформации на производстве. После закалим от этой тетшерзтурн поверхность разрушения образцов•сформирована мэлкпки яыиакл, ззродоштп-ся, скорее всего, па посплошостях металла, структурных несовершенствах или карбидах самоолзусяа, так так неметаллические шшяолия на дне ямок па наблюдаются. В отдельно встречающихся крупшх гагках находятся мелкие оксидна включения. На основании этого было предположено, что при пагрэва до 1250°С первичные сульфадщю вклячепия полностью растворяются, а бкетроэ охлаждения препятствует их наделении.

Посла перэгрэва и изогврглно спой вадержя в интервале температур 1200-1150°С тержобработанкне образцы имеют мэнзе-решшй крупнокристаллический езлом. Его появление вызвано вн-долоияем крупных глобулярных вклочевий (1...2 кот) по грага-цам зерен. О сульфидной природе включений свидетельствуют не только даннао микроанализа, но и тразланио реактивом ¿устена.

Кзотеряпвская вадерзжа в интервала температур 1100 ... 850°0 приводит к изменении шаикего вида излома - он становится внутризеренннм. При этом строение поверхности разрунения в пределах рассматриваемого' зштервала существенно различается. После вндеркки при температурах 1100...950^0 в изломе наблюдаются широкие продолговатые, закономерно расположенные друг относительно друга, ямки. на дне которых находятся протякзннке частицы игольчатой форш. В зависимости от длительности вндэр-якн частица имеют разную длину (от 3 до 10 ккм), но равнув толщину (0,1 тал). Кпсрозоадовкй анализ показал, что игольчатые включения являются сульфЗДЕИ! марганца. Ориентирований характер выделений подтвердило алекгротшо-изфоскогагшское исследование. Изучение тонких фольг "на просвет" позволило установить кристаллографическую сеязь впделениЗ сульфидов игольчатого типа с зустенитпой матрицей (по остаточноад аустени-ту). Из анализа электронограмм опрэдзлени сриентационныэ соотношения: С112>т:! (ИО)^; (111 у: (110)1:п3; (110)^1! (001 )1й£. Длинная ось сульфида ориентирована вдоль направления <111> решетки аустенита, то есть в одном аустенитном зерне возмонны. четыре направления роста включений, три из которых- моено одновременно наблюдать на фраятогретлах.

Следует отметить,.. что в перегретой и закаленной стали (без повторной закалки) с задержкой охлаждения при 1100...950 С

разрушение происходит по телу зерна по "квазивязкому" механизму. На фрактагракмаг, получеюшх с помощью сканирующего микроскопа, никаких вкличешй рассмотреть не удалась. В то жо время на экстракционной угольной реплике зафиксированы включения игольчатого типа, которые при расшифровке элоктронограмм были определены как сульфиды марганца.'

Образованна игольчатых сульфидов марганца, по-видимому, трйбувт шсокоЗ диффузионной подвижности элементов, входящих в состав включений. Бри задеркка охлаздения в нижней части температурного интервала выделения сульфидных "игл" на фрактог-рзммох при наболит. увеличениях также видны упорядочение расположенные вытянутые ямки. Однако в них находятся не. сплошные включения, а цепочки пэ глобулярных частиц, которые имеют ода-паковыэ размзрц, и -расстояние кваду нимз строго определенно. Такая особенность выделения включений свидетельствует, вероятно, об евтокатадагическом мэкшшзме выделения - сульфидов - за'~ родавзееся в определенном мосте включение щшциируот образование слздуота ■ зародшзаИ через фиксированно» расстояние" е нацраалзБШ <111 > рзшойси аустепита, При увеличении продолаи-теагьаоста Еадэргст кокет происходить "подрастание" включений в ©«и ЕЕЩраашш. Высокая плотность часищ в "строчках" приводит К ОбрЗЗОЕЕНЕЭ «ояьспх протяшшых какроямок, подобно тому liai: ото нашзздастся л хшл шдогепап нгольча^нх • сульфидов.

Посла Еажетуаакша на щзодаартольной ста©® • обработки пра тешерагдеш- 950...900?С .образованию игольчатых частиц сначала сопутствуют, а затем а полностью заменяет, шделвшя суяьфздов в'кзобнчноА форме - в щцэ лекальных скоплений крут-лоЛ фора дкешрешх частиц размером около 0,1 ш. Такая особенность ЕыдалзЕия ешяэшхй Еорово выявляется при разрушении: 1длфопоры асрогазэтея m только на какдой отдельной частице, формируя своеобразию "сотовую" структуру, но и вокруг такого скопления Еастщ образуется больная чаака, то есть в процессе раапрос^равзшш треданы мелкие близкорасположенные' частицы ведут езбл kes од5о крупное взшяенпе. йсперсные Еклвченая с пасокой плотностью в отдельннх участках являются нестабильными п прз пзотарл1ческоа вздэрике происходит us трансформация с образованием более крупных глобулярных частиц или коротких игольчатых шлзчвшй.

Результат,'прадставлзпныа в продацуцей главе, показали,

что при снлкегага температуры до 950.. ,900°С происходят образование сульфидных плонок. заметить совпадете форма, размеров и расположения круглых участков разрушения в тало ив пв~ тормообработошгой (без повторной закатает) стали с участками разрушения тина "сот" 'в тормообрзботаннсм состоянии. Следовательно, возншсновэнкю локального выделения дисперсных частиц продаествует выделение сульфидной фазы в пленочной форме на предварительном этапе обработки.

Появление в изломе игольчатых включений и "сот" связано с достаточно четкими интервалами выделения сульфидов той или иной морфологии - тип включений определяется только температурой годстугсдваккя, оказывавшей влияние на растворимость серн и ■ дяффузпсгшую подвижность. Поэтому они обнаруживаются одновре-мэнно либо при двухступенчатом охлаждении в интервалах выделения той и другой морфологии, либо при непрерывном медленном охлаждении.

Наследование ориентированного ввдэлония сульфидной ф~зн на предварительном этапа обработки после заклвчитвльной закал-' ки в трансформированном глобулярной виде наблюдается п при подстузотвашш на 850°С (разрушение по кристаллографическим плоскостям), Посла повторхгай закалки сохраняется общий характер разрушения по определенным плоскостям, почти raras, как и до новой закалка. Путь распространения трещини при атом опрэ-дэляется очень мелкими (мете 0,1 мш) глобулярнЕмя Еклшения-ни.в •

В случае ориентированного выделения игольчатых включений или глобулярных по'плоскостям однородный волокнистый излом, набл»дае?дый в образцах, предварительно засаленных с температуры перегрева, после изотермической выдэрЕни заменяется яз транифисталлтический с характерным, хотя а слабил, селективным блеском. Внешний вид этого излома напоминает вторичный яафтаяиннстый излом, но природа его образования связана с упорядоченным выделением сульфидной фазы, а не с наличием вторич-о ной внутризеренной текстуры.

Подстуаивание до температур вине 800°С в повторно закаленной стали приводит к появлению почти 100% крупнокристаллического меязеренного излома. В отличие от межзеренного излома, возникаотего при высокотемпературной ввдерннэ, при дзнной обработке разрушение по границам зерен вызывается 'дксперсшгйз

(0,1...0,3 ккм) сульфидными частицами. Выделение по границам зерен сульфидов карганца с высокой плотностью частиц определяет энергетически выгодный путь распространения вязкой трещины, приводя к мевзеренному разрушению относительно неходких зерен аустенита, несмотря на последующую перекристаллизацию стали при нагреве под окончательную закалку.

Причиной мэжзерэнного разрушения после заключительной термообработки могут Сыть не только глобулярные включения, равномерно распределонше та границам зерен, но и планочные выделения сульфидной фаз«. Если на предварительной стадии обработки подстужкванио при тямпоратурах 700...6С0°С приводит к появлению "ячеистого" строения -поверхности разрушения из-за образования сульфидных пленок, то и после повторной закалки на межзэрэншх участках нередко сохраняется такой ас- узор.

Таким образом, наблддаэыое разнообразие в распределении и морфологии сульфидов, выделяющихся в различных температурных интервалах на предварительной стадии обработки, сохраняются в стали -и посла новой закалки. Распределение и морфология выделяющихся частиц зависят от степени перэохлаадешя, 'определяющей уровень снижения растворимости серы в аустените, и диффузионной подвижности элементов при данной температуре. Отсюда слодует внвод, что выделение сульфидов подчиняется обда закономерностям выделения избыточной фазы в твердом состоянии с пошжонисм растворимости элементов в матрице.

- ОСТАТОЧНЫЙ ПЕРЕГРЕВ СУЛЬФИДНОГО ПГОЙСХОУДЕНШ ■■ В КОНСТРУКВДОННЫХ СТАЛЯХ

В данной главе рассматриваются условия возникновения и устранения кашэввдного излома в сталях с различным содержанием серы; обеуздаются причины повышенной чувствительности сталей с низким содержанием серы к остаточному перегреву по сравнению с обачньми сталями; уделяется внимание влиянию остаточного перегрева на механические свойства; определена связь проявления мазввревного разрушения с аустенитной структурой; представлены результаты влияния гЬрячей пластической деформации на евд излома тэрмосбработанной стали.

В результате нагрева до высоких температур (1300...1350°С) и замедленного охлаждения преимущественное выделение сульфидов

по границам зерон аустегогта приводят к возникновения в сталях обычного способа выплавка устойчивого дефектного излома камне-видного типа. Устойчивым камневиданм изломом (или остаточным перегревом) называется сохранение в изломе крупнокристаллических межзорэншх участков, по величине соответствующих зерну аусгенита перегретой стали, несмотря на фактически мелкозернистую структуру, наблюдаемую металлографически. В практике_ обработки сталей с низким содерканием серы неожиданно столкнулись с высокой склонностью этих сталей н образованию дефектного мвжзеренного излома сульфидной природа. При изучении .этого явления возникновение камневидного излома связывают с определенной скоростей нопрерывного охлаждения. Учитывая результаты исследования изменения морфологии сульфидов, представленные в . предыдущей главе, было предположено; что существует несколько комбинаций скорости охлаздения и изотермической Еыдержки, приводящие к преимущественному наделению сульфидов по границам зерен и появлению меазеренного разрушения.

Как было показано, каыневидность в изломе наблюдается после задержки охлаждения в двух температурных интервалах 1200 ...1100°С и 800...600°С. При быстром охлзздений от высокой температуры выделение сульфидов подавлено и вполне вероятно, что при дополнительном пагреве сера, оставааяся в твердом растворе, будет связываться во включения. Для подтверждения этого образцы от температуры перегрева быстро охлаздади до 600°С (до начала фазового превращения), выдеркивали 10 мин, нагревали от 950 до 1100°С (через 50°С) и после часовой выдержки охлаждали в воде, на воздухе или с вынянченной печь®. После заключительной обработки практически все изломы, независимо от температуры дополнительного нагрева и скорости охлаздения, шели сильную каыневидность из-за интенсивного выделения глобулярных сульфидов марганца.

Иная зависимость вида излома от режима охлаждения наблюдается в образцах твкка охлажденных до 600°С, но затем закаленных в воде. После нового нагрева, обеспечивающего перекристаллизацию структуры, и охлаждения по указанным выше режимам мекзеренный излом появляется в образцах, дополнительно негретых до 950 и 1000°С, в то время как при нагреве на более высокие . температуры крупнозернистые мевзеренные участки в изломе отсутствуют. По фактографическим данным установлена, что в

етои случае сульфида наделяются как на сохранившихся границах неходких крупных зерен, тан и новых мелких, образующихся при фазовом превращении. Исправление излома совпадает с печезкове-нием в структуре "старых" границ исходных зерен.

Для практических целей Еагшо знать температуру, нагрев на которую не будет вызывать образование дефектного излома. Экспериментально установлено, что в стали 18Х2Н4МА-Ш устойчивый кашеввдныя излом может формироваться уже после нагрева до 1150—1180°с с выдерккой в течение часа. При 1250°С время вы-дэрнгга сокращается до 15 мин, то есть процесс растворения сульфидов происходит достаточно быстро. В электростали с низким содоргсанпем серы (0,008:1) температура перегрева повышается приблизительно на 60°С. При высоком содержании серы (0,02%) кзлнэбздерсгь Еозяикаот только после перегрева на 1350°с. Соответственно это:лу и исправление дефектного излома в чистой ст&па происходят при более низких температурах, чем в обычно?, стали. Так, б стот 2ШП дефектный голой устраняется при твмзе-ратуре 1100°С, что на 50...100° пике, чем для электростали с гнзшзл и шеокш содержанием сери.

M&JZS3 условий появления шззбренного разрушения и состава сталей показал, что понизанная чувствительность сталей эле-ктроалакового взрэшшва к остаточному перегреву определяется дерщ ©актора.\з - пигким содержанием серы п обп;ой чистотой стали по нзшгалютоскшз Ешяенняи • другой природа. Первое условно определяет яошшшую тешературу растворения исходных кзлкее сульфздоз, второе - облегчает распространение шкзерев-• ной трзашш при вэделешш сульфидов по гранзхцам зерен, кроме того в чистой стала отсутствуют готовые "подкладки" (в' взде оксидов ели других частиц) для повторного выделения сульфидов при охлаядении от тешература дераграва. Наиболее показатель-выпи в атом отношении были эксперименты, проведенные на высо-кочитых спитеТ'цчоскнх сталях, выплавленных в вакуумной индукционной печи на основе''карбонвльного железа. Е стали, содорна-цей 0,00182 серн, кагяновидЕость в изломе появляется уке после предварительного нагрева до 1Ю0°С. Для полного устранения зозмоености образования камвевадного излома содержание сэры дотаю .быть порядка 0,0012.

Известный факт отсутствия кадаевидного излока после очень медленного ехгэдяешя, что ранее относилось на счет коагуляции

IS

поделившихся лисперсзшх сулъфдав л, благодаря эго:.:у, ослабление их воздействия на характер разруиеная, в настоящей работе получил новое объяснение: медленное охлгздешм после перегрева обеспечивает выделение в обгоне исходного зорна игольчатых сульфидов, которые способствуют распространения вязкой трещяш по толу, а не по границам крупного зэрна, несмотря па присутствие включений на этих границах. Еакяо, что и в обычной стали после мэдленного охлаждения обнаруашш игольчатые видоления, определяющие внутризереняыД характер разрушения.

Изменение морфологи! и распределения сульфидов при термообработке избирательно отражается па свойствах сталей. Степень чистоты по неметаллическим вклвчениям, а в равной степени к взмэи&яио йорфадогиз сульфидов, практически из отражается на прочностных свойствах, тогда как ударная вязкость и пластичос-:шо свойства могут реагировать в значительной степени.

Юзучеяио завистэсга ударной вязкоспг от тог/поратура предварительного нагрэвэ и скорости охл&адешя после полного цикла термообработки было проведено на сталях 18Х2Н4Г/-А. разных способов выплавки. Для элеитроылановой стала пошзонш тешо-ратуры исходного нагрева в сочетаний с закалкой приводит к постепенное/ повыиешш ударной сязкоста и после закал® от 1260°С со значения достигают 1,8..Л,0 МдзЛг3. Мэдлашгоб ох-лааденпэ, каггротнв, шзнваэт дошвдзо вязкости до 0,б...о,8 Ида/и2, столь значительное рэайгпге в уровне ударной вязкости mt.no объяснить только вемевешем состояния сульфидной фазы, поскольку после окончательной термообработки' вез образцы хяюдя одЕгавковуэ вэлнчшту зерна,'структуру мартенсита и равную твердость. Зрактографический анализ подтверди наличие на поверхности изломов образцов с низкой ударной вязкость» выделений сульфидов в объеме зерна. Увеличение нарастающей разницы в значениях ударной вязкости с повшешвм температуры нагрева для двух рассмотренных скоростей охлаждения связано с полнотой растворения Еклвчений при нагрева и перераспределением сульфидов прп охлавдении. *

Для электростали с низким содержанием серн наблюдается только понижение вязкости' с повышением температуры и медленным охлаждением, что такие связано с внутризерэнвш выделением сульфидов, а повышения ее при закалка на наблюдается. Максимальные значения ударной вязкости посла быстрого ¿эхлаадешгя

определяются общим уровнем загрязненности стали неметаллическими включениями. В стали с позшзеншк содержанием серы'уровень ударной вязкости не зависит ни от температуры предварительного нагрева, ни от' скорости охлаждения в ауетекитной области, то есть парораспределения сульфидов при данных условиях вкспершента в ней не происходят.

Появление в изломе мевзвреншх участков при образовании сетки сульфидов по границам зерен также сопровоздаотся снижением ударной вязкости (до 1.0...1,4 Мдж/м2), но не в такой степени, как в случае внутризэренного выделения сульфидов. ■Это связано с тем, что мекзерешое разрушение при выделении по границам зерен частиц второй фазы происходит по вязкому механизму путем заровдения и слияния микропор, зародившихся на дисперсных включениях, то" есть процесс разрушения в этом случае достаточно энергоемкий.

Следовательно, последствия перегрева (или остаточный перегрев) могут проявляться не только в образовании крупнокристаллического ыежзеренного излома вследствие выделения глобулярных сульфидов по границам зерен, но и в существенном снижении ударной вязкости стали после заключительной термообработки из-за интенсивного внутризеренного выделения сульфидов различной морфологии. В связи с этш для сталей повышенной частоты с низким содержанием серы вашо контролировать не только режим окончательной обработки, предназначенный для получех&я необходимого сочетания механических свойств, но и температуру исходного нагрева, скорость охлаэдэння, а такие возможную задержку охлаадений в аустеннгсгой области на -предварительном этапе обработки. Бри разработке новых сталей повышенной чистоте, особенно то сере, необходимо наряду с определением стандартных характеристик (склонности к росту зерна аустеиита, кинетики распада пвреохлавденного аустенита, механических свойств) определять и чувствительность к остаточному перегреву.

Установленные закономерности ■изменения морфологии'и распределения сульфвдов, а пакт т влияние на характер разрушения бшш получены на термообработанных сталях., не ' подвергавшихся горячей пластической деформации, хотя подразумевалось, что температура исходного нагрева в экспериментах соответствовала температуре разогрева заготовок для обеспечения высокой дефор-щруеыостЕ в промышленных условиях. Основное внимание в даль-

пейтлх исследованиях было удалено изучения влияния горячей пластической, деформации на склонность стали к мензеренному разрушения. Горячая пластическая деформация стали 38ХНЗГШ-Ш осуществлялась в реумах, предусматривающих варьирование тви-пературы и степени деформации прокаткой, а такко длительности про.ддг-форуациояной и поело деформационной паузы.

Нагрев 1250°С, перенос на заданную температуру, непродолжительная (5 мин) преддэ'&эрмационная пауза, выдерзка после де-Формировэния различной продолжительности, закалка и окончательная термообработка (отпуск 650°С, закалка от 860°С и зак-лячлтолышй высокий отпуск) вызывают значительное усиление склонности стали к можзорэннсглу разрушению. Наибольшее влияние на появление камневидпости в изломе оказывает малке степени деформации 6... 12", а температура изотермической выдер:кки икает вто роста пешюо значэшю. Но благоприятное действие малых степеней деформации на характер разрушения, а точки зрения формирования кампэвидного излома, связано, Бэроятко, с преимущественной локализацией напряжений я деформации, в приграяпчшЕГ областях, что монет активизировать выделение сульфидных включений на границах, зерен. Кроме того, деформация з объеме "зерна создэет искажения решетки аустенита, что препятствует орпенти-ровашому внутризереняому выделению сульфидов. ПавыпэЕке степени оокатия до 30...5СЖ приводит к более однородному'распределении деформации по всему" объему глэталяа, что полностью по^зляет упорядоченное выделение сульфидной фазы любой морфологии и способствует равномерному распределению глобулярных частиц как по границам, так и в телэ зерна, что и определяет равновероятное распространение трещины как по границам, так и по объему зерна.

Уровень ударной вязкости и характер разрупения стали после различных режимов горячей деформации могут определяться не только кинетикой выделения и морфологией сульфидов, но и структурными факторами, например, развитием процессов рекрис« таллизацяи. Проведение деформации на 30...50" при Ю50°С а выдержи в течение часа вызывает полную рекристаллизация) деформированной аустенитной структуры. В результате на поверхности изломов обнаруаиваатся участки мезааревного разрушения, ко уже не по границам исходных крупных зерен,- а новых, более мелких рекристаллизованных- зерен.

Использование длительной предаеформационлой выдержки к минимальной последеформациовной паузы (1...2 сек) перед закалкой показало, что даже ггри значительной степени обжатия (50% и еншо) принцишалышх изменений в характере изломов по сравнении с контрольными образцами без деформации не наблюдается.Как и следовало ожидать, во время дательной виде риски перед деформацией процессы выделения включений протекают полностью и дальнейшего их перераспределения но происходит, и поэтому деформация практичеаси не приводит к изменению характера разрушения. Следовательно, вероятность появления меазэренного вязкого разрушения определяется тем, на каком этапе обработки создаются условия для выделения сульфидных включений. Значительное усиление склонности стали к образованию камновидного излома наблюдается по море снижения температуры и степени деформации.

Влияние высокотемпературного нагрева, при котором формируется крупное зерно аустенита, может проявляться не только в крупнокристаллическом месззренном изломе, ко и в микроструктуре стали, проиадиэй новую закалку от нормальной температуры. Речь идет о структурной наследственности, которая наблюдается в стали заХЮМФД, например, при повторном нагреве со скорость» 1 К/мин» В работе било показано, что изменение состояния сульфидной стала прк. изотермических выдержках в различных температурных интервалах но оказывает влияния на процессы фазовой перекристаллизации, в той числе на восстановление зерна аустени-та. В результате предварительных экспериментов было установлено, что в стали ЗвХНЗМФА-Щ температура исходного нагрева, обеснечиващая восстановление зерна при повторном медленном .нагреве, совпадает с температурой перегрева, при замедленном охлаздекии от которой возникает камневидзость в изломе. Обнаружив в микростуктурз восстановленное крупное зерно, а в изломе камневидяоеть, необходимо установить наличие связи мекду этими двумя проявлениями перегрева. Было показано, что реализации структурной наследственности способствует предварительная закалка от высокой температуры, а камневидность при этем не Лорнируется, и напротив, мевзэренное разрушение возникает после малых скоростей непрерывного охлавдения, но восстановления зерна не наблюдается. Следовательно, два вида дефекта излома и микроструктуры как бы антагонистична по условиям возет-

кновения того а другого: издлошзое охлаздешго ослабляет тенде-ншш п проявлению структурной наследственности, но явно croco- -бствует развитию какновидностн в изломе. Однако для обрззова-нпя квикезидного излома определяем является режим охлаждения в аустопитаом интервале, тогда как для перекристаллизации стали при новом нагреве - скорость охлаждения в интерволе альфа-гамма превращения.

Можно продемонстрировать, что при определенном режиме ох-лаадеиия на предварительной стадо (медленное в аустештном состоянии с шеледувдей закалкой нэ мартенсит) обеспечит совместно а проявление структурной наследственности и кашевидаос-ти в изломе.Повышение температура повторного нагрева до 1000°С вызывает рекристаллизацию восстановленной аустенитнсй структура, но излом сохраняется ненормально крупнозернистым. Тем но менее может бить осуществлен такой р»гш обработки,- при которой наблюдается полная корреляция между изломом и структурой, отыми двумя проявл91шяки последствий перегрева, не имеющих кезду собой причинной связи, в отношении их исправления. С

практической точки зрения эта необходимо учитывать, когда при контроле качества стали после окончательной термообработки об-наруаош кашзевадяый излом и восстановленное зерно - в первую очередь следует устранить крупнозернистую структуру известки приемами тервпеской обработки, а в случае сохранения я послэ 5того дефектного излома провести обработку, обеспечивавдую растворешю сетки сульфздов, расяоло-вззшх но гранзщш исходных крупных зерен аустэшта.

ЭДШНИЕ СТРУКТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА ИЕЯЗЕРЕННОЕ

РАЗРУШЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЫЮ ПЕРЕГРЕТОЙ СТШ.

В предварительно перегретой л повторно закаленной стали крупнозернистое строек® в излома шлет появляться m -только вследствие выделения неметаллической фазы, но и определяться особенностями структуры, возяикащики послэ новой закалки. В донкой главе рассмотрены случаи сохранения костеренного крупнозернистого излома, Еизвавшэ сохранением в структуре "старых-границ исходных крупных зерен (камневндный нзлом втфого рода) в кшнеБиданй взлон карбидного пропеходдашш.

В существующей классификации излс?гов кшгнеиадшй излом

второго рода объяснялся взаимодействием внутризеренной текстуры шрзгрэва и процессов развития отпускной хрупкости. При нагреве стали с исходной . кристаллографически упорядоченной структурой образующийся мелкозернистый аустенкт оказывается текстуровашшм в пределах-объемов, отвочалщях крупному зерну исходной структуры. Границы этих объемов играют роль болыпеуг-ловых границ, на которых развиваются сегрегационные процессы, приводящие к развитию отпускной хрупкости. Исправление крупнозернистого излома связывалось с устранением внутриэеренной текстуры при повышении температуры, достаточном для протекания Еторичной рекристаллизации.

Провэданные на стала ЗТЗШЗА эксперименты показали, что кашэвидай излом второго рада нз обязательно связан с наличием ваутризарекной текстура; корреляция иавду появлением камне-Едцного излома и вторичного нафталинистого излома, которая такза отмечалась, пэ является необходимой; возможной причиной появления камнэвидЕОГо излома второго рода является просто сохранение границ крупных зерон походной структуры во вновь образованном-аустоште и развитие на этих "рудиментарных" границах процессов отпускной хрупкости, приводящях к их ослаблению; соответствэЕно и устранение камзэвцщщго излома при повы-вении тешаратура повторного Еагрзва моют быть связано с исчезновением старых границ. • с -

Появление ккляогидаого налога второго рода наблюдается после следукщзй обработки: 'зайалка от 1250°С, отпуск 650°С, повторная закалка от 850°С (нагрев.образцов посадкой в разогретую шчь У V окончательный отпуск 550°С. Второй вариант обработки заключался не в закалке от высокой тестэратуры, а в пе-реохлаздензи до 620°С с выдержкой 10 ч, достаточной для_ полного распада пераохладденяого крупнозернистого аустенита Б перлит. После испытаний на динамический изгиб грубый меккрис-талличзский излом наблюдается не только в первом варианте обработки, но и во втором, для которого повторный нагрев не дол-пен приводить к возникновении внутризерэнной текстуры. Если образцы, обработанные^ по. вариантам предварительной закалки и предварительного оглэга с получением перлитной структуры, испытать без охрушпввавдего отпуска, но в условиях хрупкого разрушения (при температуре жидкого азота), то вторичный нафтали-нистый излом обнаруживается лшь для варианта предварительной

закалки.

Отпускная хрупкость проявляется ча:д9 всего возникновением кеглфисталлитного разрушения по отношению к зернам аустенита, существовавши перед закалкой. В случав камновидного излома второго рода такгз имеет место моккристаллическсэ разрушение, но по отношении к границам зорен аустенита, существовавшим перед предварительной закалкой. Било предположено, что старые граница сохраняются в мелкозернистой структуре, образующейся при нагреве под окончательную закажу, и буду'та ослаблены развитием на них тех процессов, которые ответственны за отпускную хрупкость, приводят к. появлению кашевидного излома.Сохранение старых границ легко просматривается металлографически как при нагреве стали с негодной мартенситной структурой, так и для исходной перлитной структуры, хотя я несколько менее отчетливо. Причина этого заключается, по-шдпмому, в том, что аустошт при нагреве стали раньше всего появляется у границ зерээ походной структуры и старые граница "сохраняются™ прзздэ есого в. том смысле, что шенно они фэркиррт' поверхность, 'раздэлязщуз комплекс мелких зерен в одной походном зерно ст таких "в ■ зерен в соседнем. С'повыЕешэ?! температура повторного нагрева, когда-начинается рост зерен,: эти старые граница постепенно нечезззт вследствие вззкдгаго прорастания зврэз,.располозгэншх первоначально по оба стороны от старой границу. Зто приводит к исправлении излома и восстановления нормальной корреляции мезду ввдйм излома и жфоструктурой. . . .

•Более подробда вопрос о сохранения я исчозповевга старых границ был рассмотрен на стал:! 18Х21ША-Ш. .

Пак отмечено внгэ, при металлограйиеском анализа образцов повторно закаленной стали нередко обращает внимание наличие двойной сотки границ: сэлгеих зерэн, соответствующих новоыу пагреву, и исходных крупных; зерен. Изучение услозий пагрэвэ а режимов охлаадения в аусташнсй области» которые могут воздействовать на устойчивость следов предварительного Еагрэва а структуре стали, показало, что границы исходных зэрэн аустенита после нового нагрева хорошо различима, когда температура предварительного нагрева достигает 1100°С. Причем в варианте медленного охлаждения от .высокой температуря старых, границ наблюдается больше. Повни-ениэ темпэратуры исходного яагрэва привода? к увеличению количества и протя^знгосш участков грз-

виц крупных зерен.

Определено, что температура, при которой происходит исчезновение старых границ, зависит от режима аустенитизации i охлаждения. При повторном (¿»дленном нагреве рост нового зерк происходит при !050°С путем миграции границ по типу собират тэлыюй рекристаллизации, в результате чего стзрые границы ус траняются. В мелкозернистой структуре, возникающей после уско решюго нагрева,, огрубление зерна происходит в результат вторичной рекристаллизации с образованием отдельных крупны зерен. Полная замена структуры, сопровождающаяся исчезновение следов предварительной обработки, завершается при нагрева я t050°C. Однако медленное охлаждение в аустонитной области i предварительной стадии обработки примерно на 1Ш° снижает тел поратуру огрубления зерно аустенига при повторном ускоренно нагреве. Вероятно, на рост зораа аустената оказывают больше влияние частицы второй фазы, которые выделяются при ноэоы hbi реве но границам зерен, а не тэ которые уже выделились i предварительной стадии в аустенитном состоянии.

Сохранение в структуре стали, подвергнутых двойное зака, ке, границ исходных крупных зерен определяется особенности] протекания фазового превращения при нагреве, но устойчивое этих границ до высоких" температур связана с присутствием стали пркмвеннх.элементов. образующих кнгабиторную фазу. Кок предполокнть, что ингибиторной фазой в-этом случае являй дисперсные сулъфщвшо частица, что, однако, на исключает во мояного влияния других фаз. В качестве'подтворздвкия этого в лозюнкя можно откатить, что в высокочистоа стали, содержав 0,00072. серы, эффект сохранения старых границ не наблюдаете . тогда как повышение содержания серы до 0,0018£ уже приводят появлению протяженных старых /границ, которые сохраняются 1050°С. Было показано, что существует корреляция мекду появ.1 даем грубого мэжзеренного излома и наличием в структуре ста] границ. Это относится как к возникновению устойчивого камз видного излома ( или камнавидного излома первого.рода), та] появлению каышвидного излома второго рода.

При изучении влияния длительности промежуточного высок: отпуска на перекристаллизацию предварительна перегретой: ст с бе&гдтной структурой было неогзэданво обнаружено, что увеличении длительности отпуска в излома повторно закален

стали выявляется (с определенного момента) крупнокристаллический мэкзврешшй излом, по внешнему виду напшсшащий кажевяд-ный излом сульфидного происхождения. Вместе с тем в стали, предварительно закаленной на мартенсит, вид излома после повторной закалки пе зависит от продоляителыгосги промежуточного смягчающего отпуска. Анализ термических условий возникновения месверенного разрувения показал, что паблвдаемнй эффект специфичен для сейтштной структуры и ослабление медзерогаюго сцепления крупноз ерше той стали происходит не в аустенктном состоянии, а связан со структурнши изменениями, происходящая! в процессе высокого отпуска-Эта наблюдения поступил основой для проведения сравнительных исследований стали 39Ж31Ш со структурой мартенсита или бэ&глта при длительном высоком отпуске.

Структура закаленной стали представляет собой пакетный картенскт с равномерно распределенным остаточным аустенитом в виде товкщ прослоек. Бейкгнэя структура получена при непрерывном медленном охлавдешгп, которое охватывает весь интервал промежуточного превращения, что я определяет болыгов разнообразие морфологических типов ферритаых кристаллов. Остаточный аустенит находится как в " виде крупных участков глобулярной формы, так и тонкодасперсиых мезкреечных прослоек. 'Количество остаточного аустенита в структуре стали посла аустенитизащш пр:г900°С и закалки составляет б..Л", а при охлаздвшш со скоростью 1 К/шн 12.Содержание углерода в остаточном аустоните ' бойнптной структурн для данного варианта обработки составляет 1,4%.

После кратковременного высокого отпуска закаленной стаж мартенситные рейки разбиваются на субзерна, а по-границам бывших мартенсиишх реек видны выделения цементита. При увеличении длительности отпуска до 70 ч реечный характер альфа-фазы утрачивается, дислокации перестраиваются в стабильные конфигурации, формируя различные сетки, которые являются границами субзерен. Карбидные выделения проявляют тенденции к коагуляции л сфэровдизашп.

. В бейниткой структуре в результате высокого отпуска неоднородность структурн не только не устраняется, но.сохраняется к дазе усиливается. Появляется участки почти свободные от дислокаций с внеокоугловыми субгрангадап, что свидетельствует о начальных стадиях процессов .полигонизвцш. Неоднородность

распределений цементитвых частиц после кратковременного отпуска связана, вероятно, с распадом остаточного аустенитв. '

Увеличение длительности'отпуска до 20 ч приводит к появлению б структуре крупных 'карбидных частиц, отдельные из которых достигают 1...2 мкм. Наряду с полигонизацией начинаются процессы рекристаллизации альфа-фазы.'При отпуске в течение 70 рекристаллизованше участки увеличиваются в размерах до 10 мкм и занятая ими , площадь составляет около 10" рассматриваемой Йольги. Крупные карбиды (3...4 мкм) шеют сложную произвольную форму и характеризуются наличием дефектов упаковки.

Распределение карбидов по объему можно наблюдать на металлографических шлифах после травления раствором пикриновой кислота, выявляющей карбида. Применение сканирующей электронной микроскопии позволяет определить размеры, форму и расположение карбидов. Б структуре высокоотцущенного мартенсита карбиды равномерно распределены по поверхности шлифа и имеют приблизительно одинаковые размеры. В образцах с бейнитной структурой очень крупные карбида расположены преимущественно по границам бывших аустешшшх зерен, в теле зерна карбиды-существенно более мелкие. Около 1фупных карбидов мелкие отсутствует;, то есть крупные частица формируются за счет растворения близлеадих мелких карбидов. Вероятно, вблизи границ аустениг-шх зерен создается благоприятные условия для интенсивной коагуляции н роста карбидных частиц за счет ускоренной диффузии углерода .и легврущкх элементов. Электронно-микроскопический- и шкрозондовый рэнтгеноспектральшй анализ показали, что круп-ше карбидные частицы обогащены хромом л молибденом и являются специальными карбидами типа (Ре, От, Но )-зСе.

Интенсивный рост карбидных частиц может быть вызван следующими отличительными свойствами бэйнкта: неоднородным распределением углерода в исходной структуре и присутствием карбидов, выделившихся .при фазовом превращении в промежуточной ступени. Однако локализация остаточного аустенита, обогащенного углеродом, но границам исходных аустешшшх зерен при влектронно-шкроскояическоы рассмотрении не установлена. Кроме того, если разлокить весь остаточный аустенит, находящийся в бейнитной структуре, отпуском при 300°С в течение 10 ч, а затем подвергнуть длительному высокому отпуску, то в структуре наблюдается такая Ее последовательность превращений (образова-

те карбидов и рекристаллизация феррита), как и без промежуточного низкотемпературного отпуска.

При рассмотрении причин огрубления карбидов по границам зерен при отпуске бейнита следует учитывать, что в хромоникель-молибденовдх сталях карбидное превращение может протекать без образования промеяугочной фазы тригонального карбвда Ме7Сд. Следовательно, появление в структуре бейнкта крупных карбидов после высокого отпуска связано не только с процессом коагуляции карбидных частиц, но, по-видимому, и с карбидным превращением, интенсивно протекавшим на границах зерен аустенита.

Структурные, изменения, происходила при длительном шсоком отпуске стали со структурой мартенсита и Оейнита, . по разному отражаются на механических свойства и характере разрушения. Снижение твердости закаленной стали сопровождается нозпачн-тельнш повышением ударной вязкости и поникением порога хладноломкости. Увеличение времени выдержи для стали с бэйнитноЗ структурой приводит к постепенному снижению ударной вязкости от 1,4 Мда/м при 4-часовой вндеркке до 0,8 1.5дж/м^ при отпуске в течение 60 ч, при этом доля хрупкого транскристаллитного разрушения повышается до 80%. Порог* хладноломкости после про- . должительного отпуска повышается примерно на .60° по сравнению с кратковременным отпуском. Наиболее заметно падение ударной вязкости происходит после выдержки в течение 40 ч, что соответствует появлению в структуре участков рекристаллизованного феррита и формированию аномально крутых карбидов. ~ Испытания выше температуры перехода в хрупкое состояние обнаруживают вязкое мекзер&нное разрушение, и на поверхности излома хорошо различимы крутшвд карбида. • р 0

Присутствие в структуре круши, карбидов монет оказывать влияние на свойства стали н характер разрушения не только при экончательном отпуске, но и в том случае, когда длительный этпуск проводится как промежуточный этап. После повторной за-1алки в предварительно закаленной стали -проведение длительного отпуска не отразилось ни на уровнэ свойств, ш на виде излома. 1ля образцов с бойнитной структурой увеличение продолтагельно-зти высокого отпуска приводит к снижению ударной вязкости от i ,3 до 0,95 Мда/м2 при временй" выдержки 4- и 60 ,ч, соответственно. Главное, что в изломе выявляется зерно аустенита, сфор-пгрозавЕееся при первой ауствнитизащш, несмотря на перекрпс-

таллязащш стали при новом нагреве под закалку. Металлографический анализ показал, что крупные карбида при нагреве на 860°С во растворились и хорошо различимы в структуре.

Повышенно температуры исходного нагрова до 1250°С позволяет более наглядно увидеть сохранение в изломе следов предварительного нагрева. Подобное несоответствие мекду крупнокристаллическим изломом и мелкозернистой аустенитной структурой кокет классифицироваться как камнеЕидннй излом. По известным признакам он можег быть отнэсон к камневидному излому второго рода в том смысле, чго причины сохранения крупнокристаллического излома имеют структурный характер, но по механизму вязкого межзэренного разрушения с участием частиц второй фазы его можно определить как камнэвидкый излом первого рода.

Исправление ненормально крупнозернистого излома происходит при устранении причин его возникновения, в данном случае при растворении крупных карбидов. При пагреве на 900°С карбиды растворяются в течение 1 ч или за 30 мин при 950°С, и соответственно этому происходит исправление излома. - й

Следовательно, мекзеренный вязкий крупнозернистый излом, наблюдаемый в термообработанной по обычным режимам стали, по общим признакам нохое на каше видный, но причины его появления • необычны: образование карбидной сетки- по границам зерен в стали доэвтектоидкого состава.

■ .ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено систематическое исследование закономерностей влияния высокотемпературного нагрева на структуру, свойства и особенности разрушения сталей повышенной чистота. Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Впервые обнаружено явление транскристаллитного охруп-чивания стали с низкм содержанием серн, которое возникает а результате перегрева, подстукивания в аустенитной области и закалки. Хрупкость, связанная с ослаблением тела зерна, сохраняется как при повышении температуры отпуска,до '550°С, так и при повншоазя температуры испытания до 500°С. Причиной резкого охрупчивания стали является выделение пленок сульфидной фазы параллельно плоскостям С111) решетки аустенита. Определены фрэктографнческие- особенности проявления "сульфидной" хругоссс-

тя, которые в справочной литературе не отмечались.

2. Установлено, что в зависимости от температуры перегрева, скорости охлаждения или температуры и длительности изотермической выдержки 'в аустешппом интервале на предварительной стадии обработки в повторно закаленной стали сульфидные включения выделяются в Игольчатой форме с соблюдением ориентаци-онной связи с аустенитной матрицей, либо в глобулярной как по границам, так и в объеме зерна по определенным плоскостям. Внутризеренное выделение'сульфидов вызывает транскристаллктноо (по отношению к исходному зерну аустенита) вязкое разрушение, сопровождающееся значительным понижением ударной еязкости, тогда как вязкое мекзврэннов разрушение оказыгаот меньпее влияние на снлненио ударной вязкости.

3. Появление камневидносги о изломе перегретой и термооб-работанной стали является результатом выделения сульфидов по границам зерен при условии подавления их выделения в объеме зерна. Температура исправления дефектного «излома зависит от разеима охлаждения в аустенитной области, определяющего размера выделившихся включений. Повышенная чувствительность сталей электрешлакового переплава к остаточному перегреву связана не только с низким содержанием серы, но н с общей чистотой стали . по неметаллическим включениям другой природы. Проведение горячей пластической деформации усиливает склонность стала к меж-зерзнному разрупенгаэ, е<уи она осуществлялась до начала выделения сульфидов, и не оказывает влияния на характер излома стали, в которой выделение сульфидов уже произошло.

Установлено, что причиной возникновения камневидного излома второго- рода является сохранение в структуре повторно закаленной стали "старых" границ исходных крупных зерен, а не наличие ннутризеренной текстуры, как это предполагалось ранее, fía основе анализа термических условий появления и исчезновения гоанвд бывших яустенитннх зерен, а, также фрактографичеисих исследований, сделано предположение, что сохранение в микроструктуре следов перегрева до высоких температур повторного нагрева связано с присутствием на границах исходных зерен дисперсных выделений сульфидно® фазы. ■

5. Обнаружено, что кашевидность в изломе термообрабоган-аой стали, по внешнему виду подобная остаточному перегреву,может возникать в процессе промекуточного длительного" высокого

31

отпуска стали с бэйвитной структурой. Причиной мелзэрвннрго разрушения в атом случае является образование по границам зо-ран аустенита аномально крупных легированных карбидов, которые сохраняются при новом нагреве под окончательную закалку. Исправление излома происходит при повышении температуры аустеяи-тизашш, достаточном для растворения карбидов.

6. На основании проведенного исследования разработаны рекомендации по оценке вида изломов, проведению термической обработки для устранения какневидности в изломе и состава сталей, не чувствительных к остаточному перегреву, которые прошли промышленное опробование на Барнаульском заводе "Трансмаш" п п/я Р-6762.

Основныв результаты диссертации опубликованы в сл.едуицих статьях:

1. Кутыш Д.Б., Смирнов Л.В. Некоторые особенности обра-; зования аустештной структуры в высокочистой стали / . ФММ -1975. - Т.40. - Вып.2. - С.ЗБ7-571.

2. Кутыш А.Б., Смирнов Л.В. Рост зерна и кинетика распада переохлажденного аустенита в высокочистой стали / Ш.! -1976 - Г.41. - ЕЫП.2. -С.447-448.

3. О камаевидкои изловд в конструкционных сталях / Кутыш А.Б., Умова Б.М., Садовский В.Д. и др. // ®ЛМ - 1976. -Г.42. - Еш. 4. - C.81S-824.

4. О причинах ыегадшсталлитного вязкого разрушения стали 50Л / Кутыш А.Б., Шабанова 1Ï.P.', Зшченко СЛ. и др. // ®Ш -1981.- Т.52 - ВШГ.1. - С.1117-1118.

5. Мезгзерешая зрупкость стали в закаленном состоянии /

A.Б.Нутьнн, Н.М.Гербих, Л.В.ошреов // <£ММ - 1985.. - Т.60 Вып.6. - C.1191-119S.

6. Влияние скорости охлаждения в аустенитном состоянии на характер разрушения стали высокой чистоты / А.Б.Кутьин,

B.Д.Садовский, А.М.Лолякова и др. // ©И - 1986. - Т.60 -Вып.5. - C.619-S24.

7. Длительный высокий отпуск конструкционной стали с бей-штной структурой. 1. Карбидообразоваше и структурные превращения / A.S-Квлэтш, А.В.Кутьш, В.Д.Садовский и др. // -1986. - Ï.61 - ВЫП.5. - С.916-921.

8. Длительный высокий отпуск конструкционной стали с бей-нитеой структурой. 2. Ударная вязкость и характер разрушения /

А.Б.Кутьин, А.О.Калэтип, В.Д.Садовский и др. П <ХШ - 4986. -Т.62 - Вып.f. С.120-125.

9. Влияние скорости охландэния в аустенитном интервале на характер разрушения стали J Н.М.Гарбих, А.Б.Кутьин, А.М.Полякова и др. // Ш - 1986. - Т.61 -Вып.5. -С.1029-1031,

10. Фортшровашэ камневидного излома при отпуске стали с бейнитной структурой / А.Б.Кутьин, В.Д.Садовский, A.D.Калетин и др. У/ Интеркристгплитная хрупкость сталей и сплавов: Сб. трудов конференции - Свердловск. - 1987. - 0.25-32.

11. Межзеренное разрушение конструкционной стали высокой чистоты / А.Б.Кутьин,- В.Д.Садовский, Л.В.Смирнов и др. // Там яе. - С.33-41.

12. Изменение морфологии сульфидов при термообработка стали с низким содержанием серы / А.Б.Кутьин, В.Д.Садовский, А.М.Полякова и др. // <Ш - 1987. - Т.64 - Вып.2. - C.3G8-377.

13. Влияние сульфидной фазы на свойства стали после тер- -мической обработки / В.Д.Садовский, А.Б.Кутьнн, Н.М.Гербих //• ИиТОМ - 1987. - N И. - С,15-19.

14. Особенности образования камневидного излома в стали с низким содержанием серн / А.Б.Кутьин,' В.Д.Садовский, Я.М.Гербюс // Сталь - 1988. - Н 7. - С.80-83.

15. сохранение "старых" границ в структура повторно закаченной стали / А.Б.Кутьин, Н.М.ГерСих, А.М.Полякова // МСМ'-I989. - N 8.-0.51-53.

16. Транскристаллитное охрупчивание закаленной стали при »адержке охлаздения в аустеннтной области / В.Д.ОадоЕский, 1.Б,Кутьин, Н.М.Гербих // ДАН СССР - 1989. - Т.'305, Я 3. -

611-613. ■

17. Образование сульфидных пленочных выделений в объеме !ерна ауствнита j А.Б.Кутьин, В.Д.Садовский, Н.М.Гарбих, ».Э.Маевская // ФММ - 1990. - Вып. 10. - С. 175-184.

18. Der Einfluss der Wärmebehandlung Im Austenltgebiet auf ie mechanischen Eigenschaften eines elektro3chlackeumgeschmol-er.en Stahles / V.D. SadovsKl, A.B. Kutjin, Н.Я. Gerbich //

. WännebehandlungstagiHig. Grundlagen und Anwendung moderner äinebehandlurigstechnologleii für Elsenwerlcstoite. - 1988. -13. - S. 9-17.

19. Kutjln A.B. Versprödung von Stahl nach Егяагаеп, aui Z00-1250o0 durch Halten Ija Temperatur'oereicTi von 95Q-T50o,J //

lältt. 45. Härterel-Kolloquium (¿-6 Okt. 1989, Wiesbaien).

20. Kutjin A.B., Occurence of "sulphide" brlttlenes with, otsp cooling In auatenitlc region J J Proc. 7 th Int. Congres3 on Eeat Treatment of Materials (11-14 Dec. 1990, Moscow) -1990. - Vol.2. - P. 202-209.

° 21. F.utjln A.B. TransKristall Ina Yeraproäung von gehärteten Stahl-bei verzögerter Abkühlung Im Au3tenltgeblet // . Härtere 1-Tectaische Kittellungen - 1991. - B.46, S 1. - S. 5-14

Пордксано к печати 15.04.91. Формат 60X50 I/I6. Печ. л. 2. Уч.-изд. л. 2. Тираг 120 экз. Заказ 87/223.

УиГчпт, 454080. Челябинск, пр. км. В.И.Ленина, 7G. •