книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

полными аналогами. Они имеют близкие атомные радиусы, почти одинаковые диффузионные характеристики, в об­ ласти комнатной и несколько повышенной температуры они практически одинаково взаимодействуют с дислока­ циями. Однако эту аналогию нельзя распространять на стали, содержащие азота и углерода заметно больше пре­ дела их растворимости в феррите и имеющие в структуре выделения карбидной или нитридной фазы.

На рис. 25 было показано, что при повышении содер­ жания углерода выше равновесной растворимости его

кГм/спг

2

О

-8 0 - 4 0 0 40 80 t,’C

Рис. 39. Влияние содержания азота на темпера­ турную зависимость ударной вязкости стали [40]

вферрите лучшая хладостойкость получается в том слу­ чае, если путем закалки задержать избыточный углерод

втвердом растворе и не допустить выделения структурно­ свободного цементита. Азот, в отличие от углерода, осо­ бенно сильно и неблагоприятно влияет на температуру перехода стали в хрупкое состояние, находясь в твердом

растворе. Исследовались весьма чистые сплавы железа с азотом, содержавшие до 0,003% С, столько же кремния и остальных примесей порядка тысячных долей процента каждой. Азота в сплавах было около 0,010%. На рис. 40 показаны температурные зависимости работы разрушения на образцах Шарпи с V-образным надрезом, полученные после различной термической обработки и старения при комнатной температуре. Результаты этой работы дают основание считать, что появление в структуре стали нит­ ридов, в отличие от появления структурно-свободного це­ ментита, не подавляет значительного повышения хладо-. стойкости, возникающего за счет уменьшения концентра­ ции примеси в твердом растворе.

61

В работе 118] исследовали опытные плавки улучшен­ ной бессемеровской стали в сравнении с кипящей и спо­ койной мартеновской сталью. Повышенная хладостойкость опытных бессемеровских плавок объяснялась тем,

щей 0,12% С и в качестве упрочняющей добавки около 0,03% Nb, найдена количественная зависимость между критической температурой хрупкости и связанным в нит­ риды азотом. Эта температура понижалась на 5,5° С на каждую 0,001% N, удаляемую из твердого раствора.

В некоторых исследованиях было показано, что повы­ шенное содержание в стали азота в определенных условиях не только не ухудшает хладостойкости стали, но даже действует в обратном направлении, понижая критическую температуру хрупкости [74, 157]. В работе [74] это обна­ ружилось при исследовании сталей, содержащих от 0,03 до 0,85% С. Если азот связывался в нитриды, то повы­ шение общего его количества приводило к понижению кри­ тической температуры хрупкости.

62

Благоприятное влияние повышенного содержания азота на хладостойкость было обнаружено при исследовании сталей, содержавших около 0,3% С, 0,2—0,3% Si и 0,9— 1,6% Мп. Часть сталей дополнительно обрабатывали не­ большим количеством алюминия. Критическая темпера­ тура сталей, обработанных алюминием, была на 30—50° С ниже, чем у сталей без алюминия. На этом основании сде­ лан вывод, что азот понижает критическую температуру

в сталях, выплавляемых в контакте с воздухом. Раствори­ мость кислорода в стали невелика, поэтому большая его часть находится в стали в виде оксидных включений.

Находясь в твердом растворе в феррите, кислород может оказывать влияние на его свойства. Кроме того, оксидные включения, когда их много в структуре металла и они располагаются особенно неблагоприятно, также вли­ яют на механические свойства стали, в том числе и на склонность к хрупкому разрушению при низкой темпе­ ратуре.

Вработе [176] кислород считается одной из главных примесей в стали, уменьшающих ее хладостойкость.

Висследовании, проведенном на сплавах, переплавлен­ ных в вакууме и разлитых при пониженном давлении, показано, что увеличение содержания кислорода сильно повышает критическую температуру хрупкости (рис. 41). Сплавы испытывали в литом состоянии после нормализа­ ции с 950° С. При испытании на растяжение при —196° С

63

временное сопротивление сплавов резко падало при дости­ жении 0,003% кислорода. При таком содержании начи­ налось также повышение кристической температуры хруп­ кости.

Исследование хладостойкости малоуглеродистой стали с содержанием 0,19% С, разлитой на воздухе и в вакууме и прокатанной в листы толщиной 100 и 120 мм, показало, что вакуумная разливка, снижавшая содержание кисло­ рода до 2,4 мл на 100 г металла против 5,2 мл на 100 г в невакуумированном металле, существенно повышает ударную вязкость при низких температурах.

Вработе [241 ] установлено, что увеличение содержа­ ния кислорода вызывает повышение температуры пере­ хода в хрупкое состояние, но не оказывает влияния на ве­ личину прироста критической температуры в результате старения.

Очень сильное неблагоприятное действие кислород оказывает на хладостойкость железа с никелем [265].

Водород. Содержание водорода в углеродистых сталях невелико и, кроме того, непостоянно, так как даже при комнатной температуре водород, попавший в металл при плавке, может выделяться в окружающую среду. В ра­ ботах [170, 207, 209, 253, 277] влияния водорода на хлад­ ноломкость не обнаружено. В исследованиях [22, 218] приводятся данные о снижении ударной вязкости сталей при введении в них водорода.

Вработе [160] исследовали влияние водорода, прони­ кающего в металл при электролитическом железнении, на склонность к хладноломкости стали состава (в %): 0,18 С; 0,4 Мп; 0,05 Si; 0,03 Р; 0,025 S; 0,39 Ni. Сталь ис­ пытывали после нормализации с 800° С на ударный изгиб на образцах типа 1. В одной серии испытывали образцы без железнения, в двух других их подвергали железнению в электролите различной кислотности. Результаты испытания представлены на рис. 42. Железнение в элек­ тролите повышенной кислотности привело к существен­ ному снижению ударной вязкости во всем исследованном интервале температур. Критическая температура хруп­ кости (по критерию ан = 4 кГм/см2) повысилась в резуль­

тате такой обработки на 10° С. Железнение в .электролите нормальной кислотности снизило ударную вязкость в об­ ласти вязких разрушений, но одновременно понизило, хотя и незначительно, критическую температуру хруп-

64

кости. Железнение в электролите повышенной кислотности приводило, по-видимому, к более высокому содержанию в металле водорода.

Известно исследование, в котором обнаружилось по­ ложительное влияние водорода на хладостойкость стали [1951. Здесь испытанию на ударную вязкость на образцах Шарли с V-образным надрезом подвергали малоуглеро­

Исследование температурных зависимостей ударной вяз­ кости сталей 35, 35XH3M и 35X3 до и после насыщения водородом показало, что ударная вязкость наводороженной стали во всем исследованном интервале температур от +20 до —80° С ниже, чем стали без водорода. Сниже­ ние ударной вязкости отожженных углеродистых сталей начинается при содержании водорода около 8 мл!100 г (около 0,0008%). Для легированных сталей и углероди­ стой стали после закалки это снижение наблюдается с со­ держания водорода 2 мл!100 г.

Нами обнаружено повышение температуры перехода

вхрупкое состояние сплава железа с 5% Сг при введении

внего водорода в количестве 2 мл/100 г [184]. Это явление наблюдалось при медленном растяжении гладких цилин­ дрических образцов.

Вработе [67] присутствие в стали водорода считается главной причиной повышения склонности металла к хруп-

кому разрушению при низких температурах. Такое заклю­ чение о роли водорода в проблеме хладноломкости стали следует, однако, считать предположительным, так как оно не подтверждено какими-либо экспериментальными данными.

Сера. Во всех конструкционных сталях, за исключе­ нием небольшой группы автоматных сталей, сера считается

Неблагоприятное влияние серы на хладостойкость по­ казано, в частности, при исследовании литой стали марки 25Л с различным содержанием этой примеси (рис. 43) [95]. По прокатанному металлу и поковкам столь определенного влияния повышенных содержаний серы на хладноломкость не замечается, хотя в работе [176] неблагоприятное влия­ ние серы считается общеизвестным и утверждается без каких-либо доказательств и оговорок.

Более поздние исследования показывают, что в ряде случаев влияние серы на критическую температуру хруп­ кости сравнительно невелико [239]. Следует, однако, иметь в виду, что снижение ударной вязкости сталей при высоком содержании серы (0,112 и 0,179%) в области вяз­ ких разрушений настолько велико, что если критическую температуру хрупкости определять по уровню работы раз­ рушения 4 кГм, то исследованные в работе [239] стали с таким содержанием серы придется признать хрупкими

66

во всем исследованном интервале температур от —200 до

+150° С.

Вработе [224] исследовали влияние повышения со­ держания серы от 0,005—0,007 до 0,022—0,027% на склон­ ность к хладноломкости пяти сталей опытной плавки.

Работа разрушения в температурном интервале вязких разрушений для большинства сталей под влиянием серы снижалась. Для хромомолибденовой стали с 1% Сг это снижение достигало 40%. При этом температура перехода в хрупкое состояние изменялась незначительно. Некото­ рое повышение хрупкости с увеличением содержания серы связывается с тем, что с увеличением количества неметаллических включений они становятся центрами зарождения трещин наряду с карбидными частицами.

Понижение ударной вязкости в области вязких раз­ рушений при увеличении содержания серы от 0,01 до 0,098% в сталях с 0,2% С и от 0,53 до 1,37% Мп, раски­ сленных кремнием и алюминием, наблюдалось также в ра­ боте [278]. Критическая температура при этом не только не повышалась, но даже несколько снижалась, что было объяснено авторами как результат торможения развития хрупких трещин сульфидными включениями.

Благоприятное влияние повышения содержания серы на хладостойкость стали наблюдалось при сульфидирова­ нии поверхности готовых ударных образцов [108]. Объек­ том этого исследования была сталь 40Х. На отпускную хрупкость чистых хромоникелевых сталей сера не влияет, а склонность к хрупкости при низких температурах после старения при 450° С у этих сталей с повышением содер­ жания серы даже несколько уменьшается [206].

Рассмотрение немногочисленных данных о влиянии серы на хладостойкость стали дает основание заключить, что склонность стали к хладноломкости при повышении содержания серы может как повышаться, так и понижаться в зависимости от характера распределения сернистых включений, их размеров и, вероятно, состава. Влияние серы при этом остается небольшим, несоизмеримым с влия­ нием углерода или азота.

Фосфор. Влияние фосфора на хладостойкость стали подробно рассмотрено в работе [176] и признано весьма неблагоприятным. Одним из оснований для такого вы­ вода послужили экспериментальные результаты работы [267], показанные на рис. 44.

Неблагоприятное влияние повышенного содержания фосфора на хладостойкость стали неоднократно подтверж­ дено для сталей различного класса. Весьма сильное отрицательное влияние фосфора на сопротивляемость ли-' той стали хрупкому разрушению в работе [213] объяснено сегрегацией этой примеси в междендритных пространствах первичных кристаллов.

В работе [95] исследовали влияние содержания фос­ фора в пределах 0,02—0,112% на хладостойкость литой

стали 35Л [95]]

стали 35Л после нормализации с 900° С и отпуска при 680° С. Результаты этого исследования, представленные на рис. 45, показывают, что повышение содержания фос­ фора приводит к повышению критической температуры хрупкости более чем на 60° G.

В бесперлитных сталях, содержащих* 0,015% С, охрупчивающего влияния фосфора обнаружено не было [271 ].

Систематическое исследование влияния фосфора в ко­ личествах до 0,3% на хладостойкость железа и сплавов железа с углеродом (до 0,15% С), практически не содер­ жащих марганца и кремния, выполнено в работах [34, 243]. Сплавы исследовали после различной термической обработки. Критическую температуру определяли по сни­

68

зации с 850° С. При таком повышении содержания фос­ фора критическая температура хрупкости (ан = 4 кГм/см2) повысилась на 60° С.

В работе [56] исследовали две стали, содержавшие около 0,4% С, 3% Сг и 0,45% Мо и различавшиеся содер­ жанием фосфора — 0,028 и 0,099%. Стали закаливали в масле и отпускали в течение 10 ч при 650° С. После от­ пуска одни образцы охлаждали в воде, а другие — вместе с печью со скоростью 20°1ч. В малофосфористой стали об­ работка на отпускную хрупкость повысила температуру перехода стали в хрупкое состояние (ан = 4 кГм/см2) с —175 до —100° С. В высокофосфористой стали крити­ ческая температура хрупкости как в неохрупченном со­ стоянии, так и в охрупченном была на 100° С выше. В этой работе отрицательное влияние фосфора на хладостойкость выявилось вполне отчетливо, но склонность к отпускной хрупкости под влиянием повышения содержания фосфора не изменилась.

При исследовании влияния содержания фосфора от 0,008 до 0,08% на хладостойкость литых сталей, содержав­ ших (в %) 0,2 С; 1,0 Сг; 1,0 Mo; 0,2 V и подвергнутых нор­ мализации с отпуском и охлаждением после отпуска в масле, установлено, что повышение содержания фосфора до 0,05% существенно не влияет на температуру перехода в хрупкое состояние, определяемую по критерию Ан = = 2,7 кГм при испытании образцов Шарпи с V-образным надрезом.

В работе [191] исследовали хромоникельмолибденовые стали (3% Ni; 0,75% Сг и 0,57% Мо) с различными добавками. Содержание фосфора при одном и том же основ­ ном составе было 0,005—0,007, 0,016 и 0,026%. Стали испытывали на образцах Шарпи с V-образным надрезом после закалки с отпуском при 615° С (охлаждение в масле и в печи), при 500 и 220° С (охлаждение в печи). При вве­ дении в сталь 0,016% Р критическая температура хруп­ кости (Ан = 2,8 кГм) после отпуска при 615° С повыси­ лась на 20° С независимо от скорости охлаждения после отпуска. После отпуска при 220° С эта температура под влиянием фосфора не изменилась. Отпуск в районе, близ­ ком к области максимального развития отпускной хруп­ кости при 500° С, повысил критическую температуру хрупкости стали с 0,016% Р на 35° С. При увеличении содержания фосфора до 0,026% критическая температура

70