книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

Это наблюдение согласуется с результатами работы

Положительное влияние повышенного содержания мар­ ганца в пределах немного больше 1% на хладостойкость

стали при увеличении его содержания от 0,30 до 1,55%, наблюдавшееся в работе [267], подтвердилось затем для улучшенного, отожженно­

при пониженном содержа­

нии Si (0,02—0,10%). С увеличением содержания марганца в пределах 0,67—1,3% критическая температура хрупко­ сти снижалась на 3,4—4,4° С на каждую 0,1% содержа­ ния этого элемента.

Нами проведено сравнение хладостойкости сталей 20 и 20Г, содержащих соответственно 0,51 и 0,96% Мп. Стали испытывали в отожженном и улучшенном состояниях (рис. 28). В улучшенном состоянии повышение содержа­ ния марганца весьма значительно (до 40° С) снижало тем­ пературу перехода в хрупкое состояние. В отожженном состоянии увеличение содержания марганца неблагопри­ ятно влияло на хладостойкость.

В работе [44] показано влияние добавок марганца до 1,98% к ферритной стали, содержавшей 0,02—0,03% С, и к малоуголеродистой стали, в которой было0,15—0,17% С. Стали обеих групп исследовали после отжига при 940° С и охлаждения с печью до 640° С и далее на воздухе. Такая термическая обработка позволила получить в каждой

группе сталей одинаковое зерно в разных плавках. Для сплавов с ферритной структурой испытания проведены до —100° С. При этой температуре количество волокнистой части в изломе было равно нулю для всех сплавов. При оценке по ударной вязкости такая температура для сплава с 1,98% Мп еще не может считаться критической темпера­ турой хрупкости, так как ударная вязкость при ней со­ ставляет около 15 кГм1см2. Таким образом, для чисто

Рис. 29. Температурные зависимости работы разру­ шения (V-образный надрез) сталей с содержанием 0,05% С и различным содержанием Мп в отожжен­ ном состоянии

ферритной стали с весьма малым содержанием углерода, находящейся в отожженном состоянии, увеличение со­ держания марганца до 2% снижает температуру перехода

вхрупкое состояние. Для стали с содержанием углерода около 0,16% пределом благоприятного влияния марганца

вработе [44] считается его содержание до 1%. Такое за­ ключение сделано на основании рассмотрения темпера­

турных зависимостей количества вязкой составляющей в изломе. Если же подойти к оценке хладостойкости по уровню вязкости, то экспериментальные результаты ра­ боты [44] дают возможность утверждать, что в сталях с содержанием углерода около 0,16% благоприятное влия­ ние добавки марганца на хладостойкость распространяется до 2%. Такое же влияние марганца на хладостойкость феррита и сталей отмечается в работах [182, 188] (рис. 29).

52

В нормализованном состоянии критическая темпера­ тура хрупкости при всех исследованных в работе [188] содержаниях марганца приблизительно на 40° С ниже, чем в отожженном состоянии (рис. 30). Хладостойкость сталей с 2% Мп в закаленном состоянии явно хуже, чем маломарганцовистых сталей.

В работе [32] исследовали хладостойкость улучшен­ ных сталей, содержавших до 2,88% Мп при содержаниях

Рис. 30. Зависимость критической температуры хрупкости от содержания Мп после отжига (О), нормализации (Н) и закалки в воде (3) [188]:

а — 0,05% С: б — 0,03% С

углерода от 0,21 до 0,6%. При всех содержаниях угле­ рода повышение содержания марганца благоприятно влияло на хладостойкость только до 1,3%. Отмечено, что

с 0,0054 до 0,0113%. Это позволило предположить, что повышение температуры хрупкости среднемарганцовистых сталей с увеличением содержания марганца является в ос­ новном результатом сопутствующего повышения содер­ жания азота.

При исследовании литых низколегированных сталей установлено, что повышение содержания марганца в угле­ родистой стали с 0,20% С до 1,3% повышает ее хладостой­ кость. Введение более 2% Мп в такую сталь нецелесооб­ разно, так как при этом склонность к хрупкости увеличи­ вается [63].

53

Неблагоприятное влияние марганца на хладостойкость стали обнаружено в работе [103]. Исследовали хромони­ келевые стали с добавками бора и марганца(0,20—0,22%С; 0,58—1,04% Мп; 0,93— 1,03% Сг; 0,9— 1,04% Ni; 0 - 0,0031% В) после закалки и отпуска до HRC 25. Испыта­ ния на хладостойкость производили на образцах типа 1. Результаты исследования показали, что если у стали 20ХН критическая температура хрупкости (ан = 4 кГм!смг) была

достойкость группы сталей, содержавших от 0,10 до 0,23% С и от 0,27 до 1,19% Мп. Отношение Мп/С изме­ нялось в этой группе сталей от 1,42 до 11,9. Стали испы­ тывали в нормализованном и отожженном состояниях на образцах Шарли с V-образным надрезом. Результаты испытаний представлены на рис. 31. Значительное пони­ жение критической температуры наблюдалось при уве­ личении рассматриваемого отношения до 4.7.

На рис. 32 приведены зависимости критической тем­ пературы хрупкости {Ан = 2,1 кГм) при испытании об­ разцов Шарли с V-образным надрезом, полученные в ра­ боте [267]. Стали испытывали после отжига. Результаты этой работы показывают, что чем выше отношение Мп/С, тем ниже критическая температура хрупкости и тем сла­ бее она зависит от изменения этого отношения. Такое же

54

по величине смещение критической температуры при соот­

венно (в %) 0,22 и 0,20 С, 0,45 и 0,76 Мп и имевших отно­ шение Mn/С, равное 2 и 3,8, было установлено, что крити­ ческая температура на образцах Шарпи с ключевым над-

t/(p,

резом снижалась при повышении отношения Мп/С в ука­ занных пределах с —6 до —25° С [226]. Такое влияние отношения Мп/С на хладостойкость согласуется с показан­ ным в работах [193, 267].

Исследование группы литых раскисленных кремнием сталей, в которых содержание углерода изменялось от 0,15 до 0,34%, а содержание марганца — от 0,60 до 0,97%, показало, что повышение отношения Mn/С с 2 до 5,2 сни­ жает температуру перехода в хрупкое состояние нормали­ зованной стали приблизительно на 80° С [248].

В работе [135] исследовали литые стали 45Л, ЗОЛ и 25Л в отожженном, нормализованном и улучшенном состо­ яниях. Для испытания применяли стандартные образцы, типа 1. Результаты испытания показали (рис. 33), что кри­

55

от 1 до 3,3 на 40—60° С в зависимости от состояния стали. Совместное изучение влияния марганца (от 0,43 до 0,98%) и углерода (от 0,15 до 0,45%) на критическую тем­ пературу хрупкости раскисленных кремнием и алюминием сталей опытной плавки проведено в работе [235]. Стали исследовали после нормализации с 925° С и отпуска при 650° С с охлаждением до комнатной температуры вместе с печью. Испытание проводили на образцах Шарпи с V-об- разным надрезом. При рассмотрении результатов испыта­ ний групп сталей с постоянным содержанием марганца или углерода обнаружено, что неблагоприятное влияние углерода на критическую температуру хрупкости (Ан = = 2,7 кГм) уменьшается с повышением содержания мар­

жить, что определенная зависимость критической темпе­ ратуры от отношения Mn/С в общем случае имеет место только для сталей с узкими пределами содержания углеро­ да. Это предположение подтвердилось в исследовании [111].

Кремний. Этот элемент в относительно небольших ко­ личествах, не превышающих обычно 0,4%, вводится в стали в качестве раскислителя. Раскисленные кремнием стали, известные как спокойные стали, имеют значительно более низкую температуру перехода в хрупкое состояние по сравнению со сталями того же состава, но выплавлен­ ными кипящими, т. е. без раскисления кремнием. Этот вывод о влиянии кремния как раскислителя был сделан в работе [176] и подтвержден многими последующими исследованиями [225, 235].

В работе [225] исследовали стали, прокатанные в листы толщиной 19 мм без термической обработки (рис. 34). Стали содержали различные количества углерода и мар­ ганца и разделялись по содержанию этих элементов на несколько групп. Содержание фосфора, серы и азота во всех плавках было приблизительно одинаковым и соста­ вляло соответственно 0,017, 0,027 и 0,004%. В одной группе (д на рис. 34) содержалось около 0,03% А1. Для всех исследованных групп наблюдалось заметное снижение критической температуры при увеличении содержания кремния от нуля до 0,17%.

56

В другой работе отмечается, что раскисление мало­ углеродистой стали с обычным содержанием марганца кремнием в количестве 0,15—0,30% снижает критическую температуру хрупкости на 11° С.

Благоприятное влияние небольших количеств кремния на хладостойкость выявлено также в работе [44]. Одна из исследованных групп сталей состояла из малоуглеро­ дистых плавок, содержавших 0,02—0,03% С и 0,04—0,05%

1кр, с

Мп, другая представляла собой стали с содержанием уг­ лерода около 0,18% и марганца около 0,22%. Стали ис­ следовали в отожженном состоянии. На рис. 35 предста­ влены полученные в этой работе зависимости критической температуры хрупкости (ан = 4 кГм/см2, образцы типа 1) от содержания кремния. Результаты показывают, что до­ бавка кремния до 0,5% снижает критическую температуру хрупкости. При повышении содержания кремния до 1,2% критическая температура остается постоянной. Неблаго­ приятное влияние кремния в ферритных сталях с очень малым содержанием углерода и марганца обнаруживается сразу же при повышении содержания кремния выше 0,5%.

В табл. 9 приведены результаты испытания четырех сталей после нормализации на образцах Шарпи с V-об- разным надрезом. Критическая температура определена

57

всоответствии с экспериментальными данными работы

[246]по уровню работы разрушения 4 кГм. Результаты этого исследования качественно подтверлада-

ют вывод о том, что при повышении содержания кремния

зано в работе [86] при испытании горячекатаных элек­ тротехнических сталей (рис. 37).

В работе [199] исследовали свойства весьма чистого железа с добавками кремния от 0,004 до 2,02%. Сплавы

5 8

выплавляли и разливали в вакууме и испытывали на хладостойкость после ковки и отжига. Здесь не обнаружено определенного влияния кремния на критическую темпе­ ратуру хрупкости. Исследование этих сплавов, выпла­ вленных и разлитых в вакууме и поэтому не нуждавшихся в раскислении, подтверждает установившееся представле­ ние о том, что в обычных сталях благоприятное влияние

кремния на хладостойкость связано с действием его как раскислителя.

Методически весьма близко к работе [199] исследова­ ние [265 ], также выполненное на сплавах высокой чистоты. В этой работе исследовали сплавы железа, содержавшие до 5% Si при весьма малом содержании углерода (до 0,0024%), марганца (меньше 0,005%), фосфора и серы (ты­ сячные доли процента). Сплавы прокатывали в полосы и нормализовали с 950° С. Ударную вязкость определяли на образцах Шарпи с V-образным надрезом. Было обнару­ жено, что относительные удлинение и сжатие при растя­ жении резко уменьшаются при понижении температуры в определенном температурном интервале, лежащем приб-

59

лизительно на 160° С ниже температуры резкого падения ударной вязкости. При повышении содержания кремния от 0 до 5% критическая температура хрупкости сплавов в нормализованном состоянии повышалась на 260° С (рис. 38).

ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ПРИМЕСИ

К загрязняющим примесям в конструкционных сталях обычно относят серу, фосфор, водород, кислород и азот, содержание которых невелико, но влияние на свойства стали значительно. Эти примеси вредны и с точки зрения хладостойкости.

Азот. Весьма сильное и неблагоприятное влияние азота на сопротивляемость стали хрупкому разрушению отме­ чено Корнфельдом, который предложил формулу для вы­ числения ударной вязкости в зависимости от химического состава стали. Согласно этой формуле азот влияет на свой­ ства стали в 5 раз сильнее, чем фосфор.

Японские исследователи изучали хладостойкость электролитически чистого железа, переплавленного в воз­ душной среде, в вакууме и в атмосфере азота. Испытания проводили на нестандартных цилиндрических образцах малого сечения. Самая высокая температура перехода в хрупкое состояние была у сплава, переплавленного в азотной атмосфере и содержавшего 0,0109% N.

Определенная связь хладноломкости с повышенным со­ держанием азота установлена при исследовании листовой стали толщиной 12—30 мм, выплавленной в основной мар­ теновской печи и в конверторах на кислородном дутье чистотой 96 и 99,5% кислорода.

На рис. 39 показано влияние примеси азота на хладо­ стойкость стали по данным [40]. Согласно этим данным при увеличении содержания азота до 0,02% температурная кривая ударной вязкости перемещается в сторону высо­ ких температур на 30—40° С приблизительно эквидистант­ но. При дальнейшем повышении содержания азота до 0,03% положение кривой резко меняется: увеличивается ее наклон, в результате чего сильно повышается темпе­ ратура верхнего порога хладноломкости.

В проблеме хрупкого разрушения, особенно при рас­ смотрении физической природы влияния примесей на ме­ ханизм охрупчивания феррита, азот и углерод считаются

60