книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

Глава 3

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА ХЛАДНОЛОМКОСТЬ СТАЛИ

Склонность стальных конструкций к хрупким разру­ шениям при низкой температуре обусловливается струк­ турой металла. Структура металла в изделии зависит от его химического состава и режимов обработки на всех переделах, начиная от выплавки и разливки и кончая заключительной термической и механической обработкой. Поэтому при выборе стали для конструкции северного исполнения следует учитывать не только химический состав, но также возможность изменения свойств стали термической обработкой.

Входящие в состав современных машиностроительных сталей элементы по их происхождению или назначению можно разделить на несколько основных групп. Во всех конструкционных сталях в большем или меньшем коли­ честве присутствуют углерод, марганец и кремний.

УГЛЕРОД, МАРГАНЕЦ И КРЕМНИЙ

Углерод. Влияние углерода на свойства стали следует рассматривать в двух аспектах. Прежде всего, растворен­ ный в феррите углерод является наряду £ азотом одной из главных примесей, определяющих склонность стали

к хладноломкости. Взаимодействие атомов этой примеси

сдислокациями вызывает переход стали в хрупкое состоя­ ние при низких температурах. Известно, что значительное уменьшение содержания углерода в железе путем зонной переплавки позволяет понизить его температуру перехода в хрупкое состояние до 4° К- С помощью легирования феррита можно влиять на активность углерода в твердом растворе, на характер и силу его взаимодействия с дисло­ кациями, а следовательно, и на хладноломкость феррита.

42

Второе направление, в котором следует рассматривать влияние углерода на хладостойкость стали, имеет смысл для сплавов, содержащих углерода больше, чем может раствориться в феррите. В структуре таких сплавов есть карбидные фазы. Состав и количество этих фаз, распреде­ ление между ними и ферритом легирующих элементов, характер расположения карбидных включений в феррит­ ной матрице — все эти структурные особенности углеродо­ содержащей стали в большей или меньшей степени влияют на ее хладноломкость. Поэтому рассмот­ реть влияние общего количества содержащегося в стали углерода на ее хладостойкость, не огова­ ривая всех остальных обстоя­ тельств, невозможно. В зависимо­ сти от структурного состояния стали углерод может влиять на хладостойкость не только по ве­ личине, но и по знаку.

Основные результаты исследо­ ваний влияния углерода на хла­ достойкость феррито-перлитных сталей по состоянию на 1951 г. обобщены в работе [1761. Главным выводом из этих исследований было заключение о том, что,углерод

сильно влияет на склонность стали к хладноломкости, если ее определять по верхней критической температуре перехода в хрупкое состояние. На нижней критической температуре повышение содержания углерода в стали ска­ зывается сравнительно слабо. Этот вывод базируется в основном на экспериментальных результатах работы [267], воспроизведенных на рис. 20. Здесь испытанию на образцах Щарпи с V-образным надрезом подвергались стали, содержавшие различное количество углерода и практически одинаковые количества других элементов (в %): 1,01 Мп; 0,30 Si; 0,020 S; 0,006 Р. Испытания прово­ дились после нормализации с 900° С. Влияние углерода, установленное в работе [267], в общих чертах подтверди­ лось в более позднем исследовании [246].

При исследовании нелегированных сталей с содержа­ нием до 0,29% С и около 0,8% Мп было показано, что

43

критическая температура нормализованных с 900° С проб

прочих элементов было почти постоянным). Стали испыты­ вали на образцах типа 1 по ГОСТу 9454—60 после терми­

хладноломкость, если сталь имеет ферритоперлитную структуру. Основанием для такого вывода послужило сравнение сталей по температурным зависимостям коли­ чества вязкой составляющей в изломе ударных образцов. Все стали при оценке их по этому критерию были признаны полностью хрупкими при температурах от —40 до —50° С, так как при этих температурах волок­ нистая часть в изломе исчезала. В то же время ударная вязкость при этих температурах для всех исследованных сталей была не ниже 5 кГм1смъ, а для половины из них превышала 8 кГм!смг.

Причина расхождения оценок склонности сталей к хладноломкости по величине ударной вязкости и по виду излома исследована в работе [112]. Эта работа выполнена на группе малоуглеродистых сталей опытной лабораторной плавки, содержавших различное количество марганца, достигавшее 2,4%. Стали испытывали на хладо-

4 4

стойкость в отожженном и улучшенном состоянии методом серийного определения ударной вязкости на образцах типа 1. Оценка критической температуры хрупкости по различным критериям подтвердила наблюдения, сделан­ ные в работе [44]: в сталях с повышенным содержанием марганца полная хрупкость по виду излома наступала при таких температурах, при которых ударная вязкость еще сохранялась на довольно высоком уровне.

Электроиномикроскопическое исследование изломов этих сталей показало, что в макроскопически хрупком изломе марганцовистых сталей имеется значительное ко­ личество микроскопических участков типичного вязкого излома. На образование этих участков должна расходо­ ваться значительная работа. Поэтому в таких случаях при макроскопически хрупком изломе ударная вязкость еще остается высокой. К таким же выводам на основании аналогичного исследования пришли авторы работ [6, 7]. Таким образом, выясняется, что оценка хладостойкости сталей только по виду излома, без учета температурной зависимости работы разрушения, является односторонней и не полностью отражает способность стали сопротивляться хрупкому разрушению при низкой температуре.

В работе [4] исследовали склонность к хрупкости строительных низколегированных сталей 09Г2, 14Г2, 18Г2Т, 10Г2С, 15ГС и 15ХСНД в горячекатаном состоя­ нии. Критическую температуру определяли по уровню ударной вязкости 3 кГм1см2. При этом было установлено, что увеличение содержания углерода отрицательно влияет на хладостойкость.

Для хромоникелевых сталей, содержавших (в %) 0,16—0,81 С; 0,59—0,74 Мп; 0,20—0,23 Si; 0,69—0,76 Сг; 1,36—1,44 Ni при нормальном количестве серы и фосфора, показано, что в закаленном и отпущенном состоянии уве­ личение содержания углерода вызывает повышение кри­ тической температуры хрупкости, определяемой по тем­ пературным зависимостям ударной вязкости [11].

Увеличение содержания углерода в пределах от 0,05 до 0,25% в нелегированных сталях и в сталях с добавкой бора от 0,004 до 0,009%, испытывавшихся-после закалки и отпуска при 320° С, вызывало повышение критической температуры хрупкости, определяемой по 50%-ной хруп­ кой составляющей в изломе и по уровню ударной вязкости 2 кГм1см2 при испытании образцов типа 1 (рис. 22).

45

В работе [42] сделан вывод, что критическая темпе­ ратура хрупкости стали при повышении содержания угле­ рода снижается. Эти исследования выполнены на четырех сталях, содержавших 0,19; 0,28; 0,42 и 0,55% С. Содер­ жание остальных элементов было приблизительно постоян­ ным (в %): 0,26—0,34 Si; 0,96—1,12 Мп; 0,030 S; 0,028 Р;

1,9—2,0Cr; 1,35—1,40 Ni; 0,12— 0,13 V. Стали закаливали в ма­ сле с температуры 900° С и подвергали отпуску при 650° С

Такая продолжительность отпуска была выбрана для того, чтобы для разных сталей получить минимальную разницу по твердости. Одни образцы после отпуска охла­ ждали в воде, другие, в которых хотели получить эффект отпускной хрупкости, охлаждали до 350° С с печью и далее на воздухе. После такой обработки, в особенности после охрупчивающего варианта, температурные кривые удар­ ной вязкости действительно расположились так, что можно было сделать заключение о положительном влиянии повы­ шенного содержания углерода на хладостойкость стали (рис. 23). По-видимому, в этой серии опытов повышение хладостойкости сталей было обусловлено не столько пря­ мым действием химического состава, сколько изменением

46

распределения углерода и легирующих элементов между ферритом и карбидными фазами, которое происходило при увеличении продолжительности отпуска, сопровож­ давшемся увеличением содержания углерода.

Нами исследовалось влияние температуры испытания на хладостойкость группы сталей промышленной плавки в листах и фасонном прокате [15]. В группу входили спокойные и кипящие стали обыкновенного качества и ка­ чественные, содержавшие углерода от 0,08 (БСт.Зкп) до

Рис. 24. Влияние содержания углерода на максималь­ ную ударную вязкость (ан) и верхнюю температуру хрупкости (to) Для сталей качественных (К) и обыкно­ венного качества (ОК)

0,47% (сталь 45) и марганца от 0,1 (опытная плавка) до 1,4% (сталь 20Г2). Стали испытывали после улучшения. В результате была установлена зависимость верхней кри­ тической температуры хрупкости и величины ударной вязкости в области вязких изломов от содержания в стали углерода (рис. 24). Оказалось, что для сталей обыкновен­ ного качества исследованные характеристики изменяются с повышением содержания углерода быстрее, чем для ка­ чественных сталей.

Гопкинс и Типлер исследовали сплавы железа с 0,001— 0,003% кремния и содержанием примесей, кроме угле­ рода, не более 0,006%. Сплавы выплавляли в индукцион­ ной печи, переплавляли в вакууме и разливали под раз­ режением при остаточном давлении около 5 см рт. ст. Испытание проводили на образцах Шарли с V-образным надрезом после отжига при 950° С, нормализации и за-

47

калки в воде с той же температуры. За температуру пере­ хода в хрупкое состояние принимали температуру, при которой ударная вязкость резко (в пределах 2—3° С) снижалась от максимальных до весьма малых значений или составляла 50% максимального значения. Результаты этого исследования представлены на рис. 25.

Для сплавов в отожженном и нормализованном состоя­ ниях критическая температура хрупкости существенно по-

Рис. 25. Зависимость критической температуры хрупкости железоуглеродистых сплавов от содержания углерода после различной термической обработки:

а — после отжига; 6 — после нормализации; в — после закалки

вышалась при увеличении содержания углерода до 0,04%. Размеры зерна при этом уменьшались. Это уменьшение для отожженного состояния было небольшим — от № 2—3 до № 3—4 по шкале ASTM, а для нормализованного со­ стояния значительным — от № 2—3 до № 6. В микро­ структуре отожженных и нормализованных сталей име­ лось значительное количество структурно-свободного це­ ментита, увеличивающееся при повышении содержания углерода. В соответствии с этим повышалась вероятность хрупкого разрушения, начинавшегося в исследованных плавках с появления трещин в цементитных включениях. По-видимому, при содержании углерода около 0,04% до­ стигается некоторая критическая плотность цементитных включений, достаточная для обеспечения появления опас­ ного количества зародышевых трещин. Поэтому дальней­ шее увеличение количества этих включений уже не влияет

48

на вероятность хрупкого разрушения и не повышает кри­ тическую температуру хрупкости. Небольшое понижение критической температуры при дальнейшем увеличении содержания углерода до 0,117% вызывается, вероятно, продолжающимся измельчением ферритного зерна.

При закалке в воду весь углерод остается в твердом растворе и выделений структурно-свободного цементита не наблюдается. С повышением содержания углерода до 0,028% зерно закаленных сплавов существенно измель­ чается (от № 3—4 до № 7), что, по-видимому, и является причиной резкого понижения критической температуры

кислорода на хладостойкость технического железа после нормализации кованых образцов с 930° С, а также образ­ цов в литом состоянии. В сплавах с содержанием кислорода меньше 0,01% наблюдалась четкая зависимость критиче­ ской температуры хрупкости, определяемой по критерию ан = 0,5 аиш.,х при испытании образцов DVM, от содер­ жания углерода. Если углерода в сплаве было 0,002%, то критическая температура составляла 160° С. При уве­ личении содержания углерода до 0,006% эта температура линейно снижалась до —15° С. Дальнейшее увеличение содержания углерода до 0,011% не приводило к измене­ нию критической температуры. Таким образом, было подтверждено, что повышение содержания углерода в пре­ делах весьма малых концентраций этой примеси снижает критическую температуру хрупкости за счет измельчения ферритного зерна.

При исследовании влияния термической обработки на хладостойкость углеродистых сталей было обнаружено, что повышение содержания углерода от 0,22 до 0,63% очень существенно снижает критическую температуру хрупкости сталей в улучшенном состоянии (рис. 26) [2811. Особенно сильно снижается критическая температура хрупкости при повышении содержания углерода от 0,22 до 0,32%. Микроструктурное исследование показало, что при этом в улучшенной стали пропадают структурно-сво­ бодный феррит и сопровождающие его включения погра­ ничного цементита, структура принимает чисто сорбитный характер.

Марганец. Добавка марганца к углеродистым сталям повышает пределы прочности и текучести, увеличивает прокаливаемость при неизменном содержании углерода. Эти свойства в сочетании с доступностью марганца де­ лают его весьма перспективным для использования в ка­ честве легирующей добавки к конструкционным сталям различного назначения.

В работе [176] сделан вывод о том, что добавка мар­ ганца к малоуглеродистым сталям повышает их хладостойкость. При этом положительное действие повышения содержания марганца ограничивается 1,5%.

На рис. 27 показано влияние повышения содержания марганца с 0,30 до 1,55% в стали с 0,27% углерода [267]. Характер смещения температурной кривой ударной вяз­ кости позволяет предполагать, что в отожженном состоя­ нии увеличение содержания марганца в сталях этого состава благоприятно действует на хладостойкость стали преимущественно ввиду измельчения зерна.

При исследовании малоуглеродистой конструкционной стали с обычным содержанием марганца было устано­ влено, что каждая добавленная 0,1% марганца пони­ жает критическую температуру хрупкости на 2,0—5,5° С.

50