автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Связь структуры и микромеханизмов разрушения сталей в состоянии обратимой отпускной хрупкости

РГЬ ОА

1 ц ьвг та

Нацюнальна акалекия наук УкраТнн 1нститут металоф13ики

На правах рукопису

Стаценко 1рпна Сташслав1вна

ЗВ'ЯЗОК СТРУКТУРИ I М1КРОМЕХАН13М1В РУЙНУВАННЯ СТАЛЕЙ В СТАН1 0Б0Р0ТН01 ВЩПУСКНОТ КРИХКОСТ1

Спешалыпсть 05.16.01 - Металознавство 1 терм!чна обробка метал1в

АВТОРЕФЕРАТ дисертацп на здобуття паукового ступени кандидата техшчних наук

Ки1в - 1995

ДисертаЩею с рукопмс.

Роботу виконано в 1нститут! металоф1зики HAH Уклятым Наукокш ксрйишк- доктор Tcxiirnutx наук, профссор ЮЛ.Мсшкои Оф1цIЯн! опоненти -

1. Доктор Т9хн1чних наук, професор М.В.Белоус.

2. Доктор техн1чних наук, професор е.А.Марковський.

Пров! дна орган!зац!я - Укра!нський науково-досл!дний !нститут спец!альних сталей, м.Запор!жжя.

| Захист в!дбудеться " (2. " ц^у^у-^д 1995 р. о IV -й

при ¡нститут! металоф!зики HAH УкраГни (252680, м.Ки1в-142, просп.Вернадського 36)

3 дисортац1ею мокна ознайомитися у б!бл!отец! !нститут! металоф!зики, зо адресою: Ки1в, просп.Вернадського 36

годин! на зас!данн! спец!ал!зованоГ вчено! ради Д 01.75.02

Автореферат роз!слано

Р-

| Вчений секретар

j спец!ал!зовано! вчено! ради Д 01.75.02

Е.Г.Мадатова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн1сть теми. Оборотна в1дпускна крихк!сть (ОВК), яку називають ще в1дпускною крихк1стью 2-го роду, проявлявться у зм1н1 вигляду поверхн! зламу та зниженн1 ударно! в'язкост1 п!сля в1дпуску деяких сталей в !нтервал! температур 350-550°С.

ЕИдпускна крихк!сть вважаеться негативним явшцем, про що св!дчить П перша назва - "хвороба Круппа". Одначе до цього часу к!льк!сно описати "небезпечн1сть" в!дпускноГ крихкост! для сталей на п!дстав! оц!нки р!зних механ!чних характеристик Оуло важко, оск!льки бракувало спец1алыгого досл!дження особливостей прояву ОВК при статичному, динам1чному навантаженнях, а також в умовах концентрацИ напружень. 3 ц1е! причини стал!, що схильн! до оборотно! в!дпускно! крихкост!, до цих п1р атестують практично по результатах единого виду випробувань, а саме - випробування на ударну в*язк!сть, що дозволяв встановити факт явища, оц!нити в!дносну ступ!нь покрихчення, але не дае ч!тко! ф!зично! картини процесу руйнування.

В робот 1 зроблено спробу на п!дстав! анал!зу структурного комплексу стал! в стан! в1дпускно! крихкост! зв'язати це явшце з такою характеристикою руйнування стал!, якою е критичне напруження крихкого руйнування Нмс з тим, щоб у випадку позитивного результату запропонувати новий, альтернативний ударним випробуванням метод оц!нки схильност! стал! до в!дпускноГ крихкост!.

Мета робота. Головне завдання досл!джень, як! було зд!йснено, полягало у встановленн! законом1рностей прояву в!дпускно! крихкост! при р1зних видах випробувань, визначенн! мокливост1 застосування модел1 м1кросколу для опису крихкого руйнування конструкц1йних сталей в стан1 в1дпускно! крихкост! 1 виявленн! на ц!й п!дстав1 особливостей м1кромехан1зму цього процесу.

Наукова новизна. У дисертацП вперше показано моклив!сть поширення• модел! м!кросколу, розробленог ран!ше для транскр!стал1тного руйнування, такозк на стал!, в яких в!дбуваеться !нтеркристал!тне руйнування внасл!док розвитку в!дпускно1 крихкост1.

Вперше встановлено к!льк!сний зв'язок м!ж зниженням величини критичного напруження крихкого руйнування стал1, що обумовлюеться сп1вв!дношенням II структурних параметр!в, та локальним в зон! 1н1ц!ац11 крихкого руйнування зниженням поверхнево! енергП, викликаним сегрегац!йним збагаченням дом!шковими элементами. Завдяки цьому запропоновано специф!чний м1кромехан!зм руйнування стал! в стан1 ОВК.

Вперше обгрунтовано зв*язок м1ж традиц!йними механ!чними характеристиками 1 опором м1кросколу Имс. Визначено, що причиною значного п1двгадення температури холодноламкост 1 Тх ! пад!ння ударно! в'язкост1 ап при ударних випробуваннях зразк!в типу Шарп! стал! в стан! ОВК нав!ть невелико зниження Ямс здатне спричинити суттев! зм1ни Тх ! ап за рахунок концентрацИ напрут поблизу надр1зу ! властиво! для конструкц!йних сталей слабко! температурноI залежност! границ! плинност!.

Практична ц1нн1сть робота полягае в тому, що знания м1кромеханизм!в руйнування при розвитку ОВК та 1х зв*язку 1з структуры™ комплексом стал! дозволяе дати науково обгрунтован! рекомендаци по вибору оптимальних режим 1 в обробки для отримання м!кроструктури, не чутливо! до ОВК. До того экспериментально показано, что стан ОВК ферр!то-карб!дних сталей не спричиняе суттевого впливу на силов! характеристики руйнування I не призводить до пом!тного зниження несучо! спроможност! матер1алу. Це означае, що схильн! до ОВК стал! можна використовувати для виготовлення конструкц!й, як! експлуатуються в статичних умовах ! не мають протистояти ударному навантаженню.

НАУК0В1 ПОЛОЖЕНИЯ, ЩО ВШЕСЕНО НА ЗАХИСТ

1. Характерно для стану в!дпускно1 крихкост! значне п!двищення температури холодноламкост1 при випробуваннях на динам!чний вигин зумовлено ефектом зниження опору м!кросколу стал!, який п!дсилюеться слабкою температурного залежн!стю границ! плинност!, властивою сталям з середньою та високою м!цн!стю.

2. Зниження крихко! мЩност! конструкц!йно! стал! в результат! розвитку оборотно! в1дпускно! крихкост! не перевшдуе 20%, що вуттево менше оч!куваного зг!дно фактичного р!вня зниження поверхнево! енергИ, оск1льки зернограничн1 сегрегацИ дом!шок, зокрема, фосфору, сприяють зм!н! м!кромехан!зму руйнування, а саме: переходу рол! 1н1ц1атор!в крихкого руйнування в1д карб!д!в веередин! зерен до карб!д!в, розташованих на послаблених сегрегац!ями границях зерен.

З-.Якщо для крупнозеренних, переваясно однофазних сталей зг1дно формул! Гр1фф1тса зниження поверхнево! енергИ 7 призводить до пад!ння напруження опору м!кросколу Имс в повн!й м!р!, то вплив сегрегац1й на зниження ферр1то-карб!дних сталей мае пороговий характер ! виявляеться лише у випадку б1льш н1ж пода!Иного локального зниження 7.

Особистий внесок автора. В дисертац!йн1й робот 1 викладено експериментальн1 досл1даення, проведен! безпосередньо автором або за його участю. Анал1з л!тературних в!домостей, власних експериментальних результат!в та узагальнення даних про зв'язок м!кромеханизм!в руйнування стал! в умовах розвитку ОВК з впливом на IX реализац1ю сегрегац1йних процес1в при терм!чн!й обробц1 виконано особисто автором.

ПубликацИ за теыою дисертацП. Матер!али дисертацИ опубл!ковано у 12 друкованих працях, серед яких 8 статей та 4 тези представницьких конференц1й (перел!к публ!кац1й наведено наприк!нц1 автореферату)

Апробац!я робота. Основн! результата було викладено у допов1дях та обговорено на таких конференциях та сем!нарах:

VI Всесоюзна конференц1я "Физика разрушения-89", вересень 1989 р., м.Ки!в;

Всесоюзна науково- техн1чна конференц1я "Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов", листопад 1989 р., м.1жевськ;

сем!нар "Механика и физика разрушения хрупких и малопластичных материалов", листопад 1989 р., м.Рига;

II' семШар "Структурные аспекты разрушения", грудень 1989 р., м.Тула;

I Всесоюзна школа-сем Шар "Структурная и химическая неоднородность в материалах", жовтень 1990 р., м.Ки!в;

III Всесоюзний симпоз1ум з механ1ки руйнування, листопад 1990 р., м.Житомир;

V сем!нар "Структурные аспекты локализации деформации и разрушения в кристаллах", березень 1991 р., м.Юрмала;

IV М1жнародна конференЩя з термообробки, березень 1991 р., м.ХемнЩ, ФРН;

Конференц1я пам'ят1 акад. АН УкраГни К.Ф.Стародубова "Проблемы современного материаловедения", кв1тень 1992 р. м.Дн1пропетровск.

Структура та обсяг робота. Дисертац1я складаеться 1з вступу, п'яти глав, висновк!в та списку л!тератури (165 на1менувань), викладена на 161 стор., м!стить 37 малюнк!в та 14 таблиць.

ОСНОВНШ ЗМ1СТ ДИСЕРТАЦ1I

V вступ! обгрунтовано актуальн!сть теми, надано загальну характеристику роботи, стисло викладено II зм1ст та сформульовано основн! положения, що винесено на захист. Тут також наведено основн! в 1домоет! про явище оборотно! в!дпускно! крихкост!, !сторичн1 етапи його досл!дження та сучасний стан проблеми руйнування стал! в стан! ОВК.

У nepmifl глав1 проанал!зовано п!дходи до вивчення в!дпускноГ крихкост! конструкц!йних сталей. Розглянуто

металурпчн! фактори, що впливають на розвиток в!дпускно! крихкост! в сталях I викликан! ними структуры! особливост! проявления крихкого стану. Детально досл!джено законом1рност1 ОВК в конструкц1йних сталях р1зного х!м1чного складу, в1дом! особливост! впливу легуючих елемент!в, що сприяють чи стримують покрихчення сталей при в!дпуску. Пом1чено, що розвиток ОВК проходить при сегрегац!Иному збагаченн1 границь зерен, головним чином, фосфором, а також с1ркою, миш* яком, сурмою та деякими 1ншими дом!шковими елементами. Особливу увагу прид!лено рол! сегрегац1й неметалевих дом!шок б1ля границь зерен у зм!н1 поверхнево! енергП 7. На жаль, к1льк!сн! дан! про зм!ну 7 при п1двищенн1 концентраци домШок в твердому розчин1 практично в1дсутн1, за вшшоченням класичних результат!в Хондроса, отриманих методом нуль-ползучостI на б!нарних сплавах.

Вплив стану ОВК на зм1ну механ!чних властивостей неоднозначний. Найб!льш чутливими е ударна в" язк!сть ап та температура холодноламкост1 Тх. Обробка на в1дпускну крихк!сть практично не зм!нюе механ!чн1 характеристики, отриман! при однов!сному розтягненн!, тобто границь м!цност! ов, плинност! оог, хоча в!дносне звуження ф мохе дощо зменшуватися. В'язк1сть руйнування К-[-с 1нод1 виявлявться нав!ть б!льш чутливим (ндикатором крихкого стану, н!ж ап, проте ця поширена характеристика атестуе тривк!сть матер1алу при наявност! одного виду дефекту - усталостно! тр!щини, що обмежуе використання цього виду випробування. Через неоднозначнЮть впливу ОВК на механ!чн1 властивост! до цього часу не !снув характеристики, яка дозволила б к!льк1сно оц!нювати ступ!нь розвитку в!дпускно! крихкост!.

Протягом останн!х двох десятир1ч .використовуеться запропонована в 1МФ НАНУ характеристика опору м!кросколу Имс, яка експериментально визначаеться при температур! в'язко- крихкого переходу як критичне напруження крихкого руйнування, 1 е м1н!малыюю крихкою м!цн!стю матер1алу у випадку транскристал!тного руйнування. Особлив1сть Имс полягае в тому, що II величина л!м!туеться розм1ром критично! субм!кротр!щини, яка виникае в процес! пластично! деформацИ. Розм!р субм1кротр!щини однозначно визначаеться параметрами структури: розм!ром д!йсного зерна, д!аметром глобулярного включения, толщиною цемент1тно1 пластини та !н. Було поставлено задач I:

- з'ясувати можлив!сть виявлення ОВК на п1дстав! зм!ни ;

- проанал!зувати причину Шдвшцення Тх при розвитку в1дпускно1 крихкост! та II зв-язок !з зм!ною Имс;

- досл!дити особливост! впливу елемент!в структури на Имс конструкц!йних легованих сталей у пор!внянн! з вуглецевими;

виявити м!кромехан1зм крихкого руйнування стал! з фер!то-карб!дною структурою в стан1 оборотно! в!дпускно1 крихкост! 1 на ц!й основ! запропонувати можлив! шляхи зменшення негативного впливу в!дпускно1 крихкост!.

В другЛй глав1 обгрунтовано виб!р матер!ал1в, способи 1х терм!чно1 обробки ! описано використан! експериментальн1 методики.

Для досл!дження було обрано конструкц!йн! легован! стал 1, що широко використовуються в промисловост!. Особливост! впливу елемент!в структури на м!цн!сть вивчалися на високомЩних легованих сталях типу Х2НГСМ з р!зним вм!стом вуглецю, а також на стал! СП-28.

Для перев!рки'зв*язку оборотно! в!дпускно1 крихкосп з м!кромехан!змами руйнування Оуло в1д!брано хром!ст! стал1 4ОХ (0.41565, 0.305651, 0.715ШП, 0.9756СГ, 0.0085БР, 0 . 024565) 1 ЗОХГСА (0.315В, 1.03251, 0.93%Мп, 0.9156СГ, 0.01656Р, О.009%Б). Зразки вс1х тип1в для р1зних вид1в випробування виготовлялися з стал1 одн1е! промислово! плавки з метою виключити вплив таких додаткових фактор1в, як коливання складу сталей, к!лькост! дом)шок, 1х розпод!лення тощо.

Терм1чна обробка проводилася по режимах, що сприяли найповн1шому розвитку ОВК. Шсля п1чного нагр!ву I витримки в аустен!тн1й облает! сталь загартовували в масло. Пот 1м заготовки в!дпускали в печ1, причому тривал1сть 1 спос1б охолодження Шсля в1дпуску визначалися в залежност1 в1д задач 1 кожного експерименту. В деяких вшадках використано швидк!сний електров1дпуск методом резистивного нагр!ву.

Механ1чн1 випробування на розтягнення до руйнування виконано на розривних машинах, обладнаних приставками для низькотемпературних випробувань УММ-5 (до -196°С), ЦЦ-10 (до ! -196°С), 1253У-2-2(ДО -196°С), МДК-025 (до -269°С). | Хладагентом для них слугував р!дкий азот, а в останньому 1 випадку р1дкий гел1й. Динам1чний вигин зразк1в з концентратором типу Шарп!, як I динам1чне розтягнення зразк!в з цил!ндричною робочою частиною, I квазистатичне розтягнення цил1ндричних зразк1в з к!льцевим надр!зом I заданого профилю виконано в интервал! температур на | установц! ШБТКЖ.

Структура сталей досл!джувалася методами металографи ! (ШЮРНОТ), просв!чуючоГ електронно! м!кроскоп11 фольг (УМВ-2Ф и ЛМ-200СХ), растрово! електронно! м!кроскоп!1

(ТЕЗЬА ВБ-ЗОО ! JSM- 35), Оже-спектроскоп!I (ЬАБ-ЗООО). К!льк!сний анал!з розпод!лення глобулярно! карб!дно! фази виконано з допомогою автоматичного анал1затора зображення "ОМпШЕТ-ТМ". Локальн! характеристики руйнування зразк!в з к!льцевим концентратором напруги розраховано методом к!нечних елемент1в зг!дно методики, запропонованоI С.О.Котречко у в!дд1л! ф!зики м1цност! та руйнування сталей 1МФ НАЛУ.

В трет1й глав1 викладено результата досл!дження сприйнятливост1 критичного напруження крихкого руйнування конструкц!йних хром 1 стих сталей до стану ОВК ! проанал!зовано кореляцп характеристик, отриманих при р!зних видах механ!чних випробувань.

Отримано залежност! в!д температури в1дпуску механ1чних характеристик стал! 40Х при розтягненн1, а також значень критичного напруження крихкого руйнування Пмс, розрахованих по результатах випробувань в р!дкому азот!. Стандарта! властивост! (границя м!цност!, границя плинност!, в!дносне звуження) зм!нюються монотонно при п!двищенн! температури в!дпуску, тод] як крива мае м!н!мум в!дпов!дний 550°С.

При одаов!сному розтягненн! зразк!в, як! в!дпущено протягом 2-х годин при 550°С, 650°С 1 по комб1нованому режиму 650°+ 500°С (6 год.), !нтеркристал!тний вид злам(в св!дчить, що в!дпускна крихк!сть розвиваеться в першому 1 третьому випадках.

3 метою пор1вняти крихкий та некрихкий стан, виключивши при цьому зм!ну основних параметр1в структури, шляхом в!дпуску при 650°С отримували "еталон". При ц!й температур!

в1дбуваеться остаточне формування структурного стану з частково сферо!д1зованими карб!дами як на границях, так I всередин! зерен. Швидке охолодження после в1дпуску перешкоджае розвитку в1дпускно! крихкост!. "КрихкЮть" досягалась додатковою витримкою при 500°С. При так!й термообробц! формування кар01дно1 фази завершшюся при перв!сному, високому в!дпуску, 1 наступна витримка привела до крихкого стану без суттево! зм1ни розм!р1в елемент!в м!кроструктури, що доведено електронномикроскоп1чним анал!зом. Одночасно было пом!чено п!двищену травим1сть граничь зерен для крихкого стану - класичну ознаку сегрегац!й дом!шкових елемент1в поблизу границь. Onlp м!кросколу проявляе чутлив!сть до стану в!дпускно! крихкост!, знижуеться приблизно на 10%.

Б1льш наочний ефект отримано для стал1 ЗОХГСА з вищим bmictom фосфору. Ударна в»язк1сть 1 температура, при як1й в поверхн! зламу з-являеться 50% 1нтеркристал!тно1 складово! Т50, значно зм!нилися для крихкого стану у пор1внянн1 з еталонним. Onlp м1кросколу при цьому зменшився на 15%.

Сильна чутлив!сть ударно! в'язкост! ап до стану ОВК пов'язана з тим, що характеристика ап по сво!й природ1 являеться комплексною, вкгаочае параметри мЩност! та пластичност1. Р1зке понижения ударно! в-язкост1 обумовлено одночасним знижением напруження руйнування покрихченого матер1алу, в1рог!дним зменшенням пластичност1 за рахунок швидкост! випробувань на динам1чний вигин, а також концентрац!ею напружень п!д надр1зом.

По результатах випробувань зразк!в з плоско-паралельним концентратором побудован! температуря! залезкност!

!нтегральних характеристик руйнування. Крив! ном!нального напруження руйнування оп, границ! плинност! о , в!дносного поперечного звуження ф демонструють, що при статичному навантаженн! !снуе р!зниця м!ж вих!дним та покрихченим станом як по оп, так 1 по температур! нульово! пластичност! Tjjjj. В досл!джуваному температурному Штервал! найО!льше в!дносне зм!нення ном!нального напруження руйнування становить 23%; а при Тш, тобто при однаков!й макродеформац11 ф, боп = 13%.

Побудовано температурн! залежност! максимального локального критичного розтягуючого напруження ос; глибини зони пластики 61ля вершини концентратора Н; жорсткост! напруженого стану J та Штенсивност! екв!валентно! деформацИ Е± в точЩ о1тах.

Анал!з локальних характеристик показав, що при Т= const -196°С р1зниця критичного максимального локального розтягуючого напруження ос покрихченого та еталонного матер1 алу складае 7%. В той же час при однаков!Я величин! локально! деформацИ Е±- 2%, що в!дпов!даб найменшому значению локально! м!цност1, ця р1зниця складае 15%. Таким чином можна стверджувати, що викликане розвитком в!дпускно! крихкост! зм!нения RMC приводить до зм!ни в т!й же Mlpl локального 1, в1дпов!дно, ном!нального напружень руйнування зразк!в з концентраторами.

Причини р!зкого Шдвищення границ! холодноламкост! при в!дпускн!й крихкост! можна наочно продемонструвати на схем! (рис.1). При температур! нульово! пластичност1 Тш зразка з концентратором жорстк!сть концентратора J дор!внюе в!дношенню напруження м!кросколу до границ! плинност! при

Т1Й сам!й температур1: ^ / от = Кв= При пост!йн1й геометрП надр!зу I, отже, 3, нав!ть назначив (10-15%) понижения Ямс для крихкого матер1алу пор1вняно до еталону змИцуе Т^ на десятки градус!в в область б!льш високих температур. Властива для конструкц1йних сталей слабка температурна залекн!сть границ! плинност1 сприяе такому явшцу. При динам!чному навантаженн! ефект п!дсилюеться за рахунок п1двищення границ! шшнност! от внасл!док б!лып високо! швидкост! деформацИ п1д час ударних випробувань.

Рис.1.

Вплив Имс на температуру холодноламностI Т при статичному I динам1чному навантаженнях (схема).

Отриман! в ц!й глав! заключити, що катастроф!чне пад1ння ударно! в*язкост! при в!дпускн!й крихкост! викликане стисненням деформацИ п!д концентратором напружень 1 динам1чними сфектами, гдо обумовлюють Шдвищення локально! границ! плинност1. Тому нав!ть незначне зменшення при в!дпускн1й крихкост1

приводить до суттевого Шдвищення Тнп при випробуваннях на ударну в'язк!сть, в силу чого оп1р м!кросколу, безпосередньо пов'язаний з структурним комплексом стал!, можна розглядати як ключову характеристику при визначенн! чутливост! матер!алу до в!дпускно! крихкост! та рекомендувати I! для атестацИ властивостей стал!.

л Тстат

йТдин

результата дають п!дстави

В четверт!й глав! проанал!зовано к!льк1сний зв-язок структури ! напруження крихкого руйнування реально! леговано! високом!цно! стал! промислово! виплавки. В!домо, що в!дпускна крихк!сть у вуглецевих сталях не спостер!гаеться, а виявлясться лише за умови додаткового легування. 3 ц!е! причини було експериментально перев!рено можлив!сть застосування модел! м!кросколу до високомЩних конструкц!йних легованих сталей типу Х2НГСМ та СП, що мають, у пор!внянн! до вуглецевих, б!льше структурних складових.

Експериментально показано, що р1вень крихко! мЩност! таких сталей п!сля загартування та в!дпуску не залежить в!д розм!ру перв!сного аустен!тного зерна, оск!льки всередин! великих мартене!тних пакет!в розташован! прошарки залишкового аустен!ту, як! фактично подр!бнюють структуру а-фази. Температура аустен!т!зац1I в процесах терм1чно! обробки впливае на схильн!сть стал! до крихкого руйнування в т!й м!р1,-в як!й вона викликае зм!ну морфолог!! карб!д!в та 1х розпод1л.

Дкерелами зародкових трЦцин при руйнуванн! сталей цього типу являються карб!дн1 частинки р!зно! морфолог!!. Отриманий принциповий результат дозволив при подальшому розгляд! можливих м!кромехан1зм!в крихкого руйнування конструкц!йних легованих сталей в стан! в!дпускно! крихкост! обмежитися лише одним з н их, а саме - "цемент1тним", тобто коли зародкова субм!кротр!щина, що викликае руйнування, виникае при скол! карб!дно! частинки.

В п'ят1й глав! вивчали особливост! м!кромехан!чних процес!в руйнування сталей у випадку збагачення границь зерен дом 1шковими елементами.

Для стал! ЗОХГСА перех1д в крихкий стан еталонного матер!алу в!дбуваеться при -254°С, а п!сля витримки при температур! розвитку крихкост! та в!дновлення - при -244°С. Обробка на в1дпускну крихк1сть I наступний в1дпуск при п1двищен!й температур! практично не зм!нили середний д!аметр карб!д!в. Розрахована по карб1дах величина задов!льно узгоджуеться з експериментальною для эталона 1 в!дновленого стану, що п!дтверджуе рвал!зац!ю для цих випадк!в механ1зму м1кросколу внасл!док зр1зу глобуля веередин 1 зерна.

Експеримент заф1ксував знихення на 230 МПа або на 20 % для стану в!дпускно1 крихкост!. К!льк!сну оц1нку понижению Нмс, яка узгоджуеться з фактичним эфектом, дано з урахуванням сп1льного впливу зменшення вдв!ч1 критичного розм!ру субм1кротр!щини та локального зменшення поверхнево! енерг!! 7 в облает! границь зерен. Необх1дн! в!домост1 по ступеню сегрегац!йного понижения 7 взято з л1тератури.

В сталях !з складною фер1то-кар<31дною структурою 1нтенсивн!сть впливу сегрвгац1й на може сильно

вар'юватися, тому що в них можлив! альтернативн! м1кромехан!зми зародження субм!кротр1щин. Пограничн! сегрегацИ дом1шкових атом!в можуть знижувати Я^р 1 н1як не впливають на величину (рис.2,а). При однакових

розм!рах карб!д!в, розташованих на границ! 1 веередин! зерен, на р1вень крихко! м1цност! стал1 зможе вплинути лише б!льше н1ж подв!йне зменшення 7' на границ1 зерен (рис.2,б), оск!льки розм1р грифф!тс!всько1 тр1щини тут в 2 рази менше, н!ж всередин1 зерен. При цьому зм1ниться м1кромехан!зм руйнування: в докритичн!й облает! (7' > 0.67) головну роль в руйнуванн! стал! в!д!грають карб!дн! глобул! всередин! зерен

Ямс1»35с!к"

у, Х)*, г

Рис.2.

Схема мехаШзму м!кросколу у випадку проявления оборотно!

в1дпускно! крихкост!

а - Зв'язок опору м!кросколу Я^ з д!аметром частинки (1 при крихкому руйнуванн! зернограничних (Нмс1) 1 внутризеренних (Н^) карб!дних глобулей;

б - зм!на поверхнево! енерг!! 7 в!д концентрацИ фосфору Ш

в - залежн!сть крихко! м1цност! в!д концентрацИ фосфору [Р]

Рис.3. (¡ПС, мпа ¡500 / /?«г, /......., , /Г, V ■

Д1аграма, що в!дображае /; 1

зв'язок крихко! м1цност1 /2),.......

Ямс з розм!ром зерна й 1000

для сталей, схилышх / '' "1 V-

до зернограничних 500 /у4-0.5 ОЖ/П'

сегрегацШ дом!шок ///

2 Ч 6 8 Ю 12 IV А

и ,мп'

фер1ту; при закритичнШ сегрегацп дом1шок (7* < 0.57) крихка м1цн!сть стал1 визначаеться розм!ром пограничних частинок I ступ!нню збагачення границь дом!шковими атомами.

Зм1на м1кромехан1зм1в руйнування при ОВК стал1 1з складною фер!то- карб1дною структурою обумовлюе пороговий характер д1! шк!дливих домШок, коли концентрацП нижче за критичн! не впливають на р1вень крихко! м1цност! I тому практично е безпечними. 0ск1льки завжди реал!зуеться найменший можливий р!вень , то в значному !нтервал! концентрацП дом!шкових атом1в, наприклад, фосфору, спостер!гаеться стаб1льне значения И,^. яке визначаеться розм1рами внутр1пшьозеренних карб1д!в, тобто при докритичних значениях 7 вплив зернограничних сегрегацШ домIшок на величину Нмс повн!стю пригн!чувться. Проте при перевшценн! критично! концентрацП дом!шок розтр!скування пограничного карб1ду в оточенн! дом1шкових атом!в фосфору забезпечить величину Нмс < Рмс1, що I було заф!ксовано в досл1д1.

На д!аграм1 (рис.3) л1н1я 1^= 180<Г1/2 в!дображае залежнЮть напруження м1кросколу зал1за I стал1 в!д розм!ру зерна фер!та у в1дсутност! сегрегац1йного зниження поверхнево! енергП границь зерен.

Зона I (прихованого докритичного зниження Ямс) м!стить др 1 бнозернист! стал! (с1 < 10 мкм), для яких пограничн1 сегрегацп докритично! концентрацП практично безпэчн!. Для цього класу конструкц1йних сталей немае сенсу вимагати Шдвшцену чистоту по шк!дливих дом1шках (с1рка, фосфор). Якщо концентраЩя дом!шок на границях зерен виявиться виде критично!, наприклад, 7'= 0.5 Дж/м2, то ступ!нь !х негативного впливу буде в значн!й м!р! пом-якшено, оск!льки

при загальн!й ампл!туд! пад!ння крихкоГ мЩност! в1д ймс до кмс1 в ^ Рази» Фактично на досл!д! спостер!гаеться зниження в!д Р 1вня до и.с1.

Зона 2 (зона явного докритичного зниження ймс) являе собою групу сталей з пом!рно великим зерном (10-20 мкм), для яких эфект сегрегац1йного покрихчення буде не наст!льки послаблений, як в зон! 4 (закритичного знижения Бмс др1бнозернистоI стал 1).

Пад1ння Нмс крупнозернистих сталей (зона 3) в!дбуваеться в повно! м 1рI у в!дпов1дност1 з понижениям 7, точно так, як 1 для безвуглецевого залIза. Для таких сталей наявн!сть карб!дних частинок в!д!грае лише зм1цнюючу роль 1 не впливае на р!вень крихко! м!цност1, яка ц!лком визначаеться розм!ром фер1тного зерна.

Розглянуий механ!зм крихкого руйнування стал! в стан! оборотно! в!дпускно! крихкост1 було використано, зокрема, для пояснения причин пригн!чення в!дпускно! крихкост! при швидк!стному електров!дпуску, в!дкритого В.Д.Садовським в 1946 р. Проведений на стал! ЗОХГСА експеримент показав, що швидк!сний нагр1в при в!дпуску не дозволяе сформуватися зернограничним сегрегац!ям дом 1шок, як! можуть викликати розвиток в!дпускно! крихкост!.

ОСНОВН! ВИСНОВКИ

I. Напруга опору м!кросколу, що визначаеться при статичних випробуваннях, являеться характеристикою, чутливою до стану в1дпускно! крихкост! незалежно в!д того, отримано цей стан шляхом в!дпуску при критичн!й температур! або в результат! додатково! витримки I пов!льного охолодження.

2. Розвиток В1ДОУСКН01 крихкост! В ТвХН!ЧНИХ сталях при допустимому в мехах марочного складу вм1ст! дом 1шок, якщо в!н викликае пад1ння ударно! в'язкост1 до умовного нульового значения I п!двищення температури холодноламкост1 на десятки градус1в, знижуе р!вень крихко! м!цност1 не б!льше н!ж на 15-20%.

3. Нав1ть незначне зменшення при розвитку в1дпускно! крихкост1 спричинюе пом!тне п!двищення температури нульово! пластичности зразк!в з концентратором Тш за рахунок властивоГ конструкц!йним сталям слабко! температурноI залежност! границ! шшнност!. Цей ефект додатково п!дсилюеться при ударних випробуваннях внасл1док динам1чного п!двищення границ1 плинност1.

4. Розвиток оборотно! в!дпускно1 крихкост! призводить до зменшення критично! напруги сколу в вершин1 концентратора в т!й же ступен!, що ! до зменшення опору м!кросколу гладких зразк!в.

5. Дкерелами зародкових тр!щин при руйнуванн1 високомIцних легованих конструкц!йних сталей являються карб!дн( частинки р1зно! морфолог!!, що пояснюеться наявн!стю веередин1 мартенситних ' пакет 1в прошарк!в залишкового аустен1ту, як1 фактично подр!бнюють структуру а-фази.

6. Знижвння критично! напруги крихкого руйнування при розвитку оборотно! в1дпускно! крихкост! не пов'язано 1з змШою розм1р1в карб1д1в в процес! в!дпуску.

7. При повторному нагр1в! стал! в стан! оборотно! в1дпускно! крихкост1 споствр1гаеться в1дновлення величини опору м!кросколу под!бно до в!дновлення ударно! в'язкост!.

8. Швидк1сний нагр!в при в!дпуску не дозволяе сформуватися зернограничним сегрегац!ям дом!шок, як1 можуть викликати розвиток в!дпускно! крихкост!, чим пояснюеться пригноблення в1дпускно! крихкост! при швидк1сному електров1дпуску.

9. Вплив сегрегац!й шк!дливих дом!шок на р!вень опору м1кросколу фер!то-карб!дних сталей, схильних до оборотноГ в1дпускио! крихкост!, носить пороговий характер, тобто концентрац!Г, нижч! за критичн!, не спричиняють зм!ни крихко! м!цност! I практично е безпечними.

ПУБЛ1КАЦ11 ЗА МАТЕР1АЛАМИ ДИСЕРТАЦП

1. Влияние микротрещин на хрупкое разрушение малоуглеродистой стали / Ю.Я.Мешков, Г.А.Пахаренко, С.Н.Седых, И.С.Стаценко // Металлофизика. - 1986.-Т.8,N2.- С.109-111.

2. Об особенностях влияния элементов структуры на хрупкую прочность высокопрочной стали / П.Ю.Волосевич, Ю.Я.Мешков, В.П.Николаев, Г.А.Пахаренко, И.С.Стаценко // Металлофизика.- 1990.- Т.12,Ю.- С.85-89.

3. Сравнительный анализ механизмов хрупкого разрушения высокопрочных легированных и углеродистых конструкционных сталей / Ю.Я.Мешков, С.Н.Седых, И.С.Стаценко, В.М.Счастливцев // Физ. мет. и металловед. - 1991.- N11.- С.137-141.

4. Мешков Ю.Я., Стаценко И.С. Влияние микроструктуры на охрупчивание стали под действием зернограничных сегрегации вредных примесей // Металлофизика.- 1992.-Т.14,Ы7- С.10-16.

5. Мешков Ю.Я., Стаценко И.С., Безбах В.Д. О причинах подавления отпускной хрупкости при скоростном электроотпуске легированной стали ЗОХГСА // Металловед, и термообраб. мет.- 1994.- N2.- С.15-17.

6. Мешков Ю.Я., Стаценко И. С. К вопросу о природе разрушения при отпускной хрупкости // Сб."Механика и физика разрушения хрупких материалов".- Киев,1990.-С.54-58

7. Отпускная хрупкость и- напряжение хрупкого разрушения хромистой стали / С.А.Котречко, Ю.Я.Мешков, И.С.Стаценко, А.В.Шиян // Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов.- Сб.статей. Свердловск: УрО АН СССР, 1991.- С.§

8. Мешков Ю.Я., Стаценко И.С. Структура и микромеханизмы разрушения стали в состоянии обратимой отпускной хрупкости // "Проблемы современного материаловедения". Сб. докл. памяти акад. К.Ф.Стародубова.-Днепропетровск, 1992.- С.14-15.

9. Котречко С.А., Мешков Ю.Я., Стаценко И.С. Влияние отпускной хрупкости на сопротивление микросколу стали 40Х // Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. "Физика разрушения - 89", часть I.- Киев,1989.- С.183.

10. Отпускная хрупкость и напряжение хрупкого разрушения хромистой стали / С.А.Котречко, Ю.Я.Мешков, И.С.Стаценко, А.В.Шиян // Тез. докл. научн.-техн. конф. "Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов".-Ижевск,1989.- С.4.

11. Стаценко И.С., Шевченко Г.А., Шнейдеров Г.Р. Закономерности проявления отпускной хрупкости при

разрушении в условиях концентрации напряжений // Тез. докл. III Всесоюзн. симп. по механике разрушения "Трещиностойкость материалов и элементов конструкций". Житомир, 30 окт.- I нояО.1990г. - Киев: ИПП АН УССР, 1990. - Часть 2. - С.<Г2_ 12. Meshkov Y.Y., Kotrechko S.A., Statsenko I.S. A New Way for Temper Ehibrlttlement Estimatlon // Tagugsband 4 Waermebehandlungstagung "Grundlagen und Anwendungen moderner Waermebehandlungstechnologlen" Chemnitz 26.-28.Maerz 1991.- P.2.

Statsenko I.S. Relationship Between Structure and Fracture Micromechanisms in Steels with Reversible Temper Embrlttlement.

Thesis for a degree Candidate Technicheskikh Nauk in the field of metal science and heat treatment, subject classification code 05.16.01; Institute of Metal Physics, Kiev, 1995.

Reversible temper embrlttlement (RTE) In steels is investigated under different mechanical tests. Quantitative estimation for crucial fracture tension is given in the framework of microcleavage approach. RTE causes the change of fracture mlcromechanlsm. The role of brittle fracture Initiation transfers from carbides located in the grain body to carbides on grain boundaries enriched with nonmetalllc elements. Grain boundary segregation Influence on the brittle fracture stress has threshold character.

Стаценко И.О. Связь структуры и микромеханизмов разрушения сталей в состоянии обратимой отпускной хрупкости.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов, Институт металлофизики, | Киев, 1995.

| Проявление обратимой отпускной хрупкости (ООХ) в конструкционных сталях изучено при разных видах механических испытаний. С использованием модели микроскола дана количественная оценка изменению критического напряжения хрупкого разрушения. При развитии ООХ происходит смена микромеханизма разрушения: переход роли инициаторов хрупкого разрушения от внутризеренных карбидов к карбидам, расположенным на ослабленных примесями границах зерен. \ Влияние зернограничных сегрегации на уровень хрупкой прочности имеет пороговый характер.

Ключов1 слова: в1дпускна крихк!сть, м1кромехан1зм руйнування, м1цн1сть, сегрегацп, неметалев1 дом1шки.

Формат 60x90/16. Умов. друк. арк. 1,5. Замовлення № SB