книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

после отпуска при 615° С с быстрым охлаждением повыси­ лась на 55° С, после такого же отпуска с медленным ох­ лаждением — на 70° С, после отпуска при 500° С — на 80° С. Отпуск при 220° С дал такое же повышение крити­ ческой температуры хрупкости, как и отпуск при 615° С с охлаждением в масле.

Сравнительное исследование легированных сталей, вы­ плавленных из материалов высокой чистоты в вакууме, и аналогичных сталей промышленной чистоты показало, что отпускная хрупкость наблюдается в сталях промыш­ ленной чистоты, а в высокочистых она появляется только при введении в них фосфора [205]. В этой работе иссле­ довали стали, содержавшие0,25—0,45% С; 0,75—1,39% Сг; 1,4—2,99% Ni и до 0,26% Мо. Испытания на хладостойкость проводили на образцах Шарли с V-образным надре­ зом после закалки с 850° С в масле и отпуска в интервале от 150 до 550° С. Чистые стали не имели максимума на кри­ вой зависимости температуры хрупкости от температуры отпуска, наличие которого в работе [205] в промышленных плавках и плавках с добавкой фосфора связывается с этой примесыо.

Одним из путей уменьшения отпускной, хрупкости и снижения критической температуры хрупкости легиро­ ванных сталей является подавление вредного влияния фосфора с помощью легирования стали молибденом [190, 238]. Для этого, по данным [190], молибден должен вво­ диться в пятикратном количестве по отношению к содер­ жанию фосфора.

Одно из наиболее полных исследований влияния фос­ фора на хладноломкость легированных сталей в зависи­ мости от температуры отпуска выполнено в работе [270]. Исследованы стали 37 марок, относящиеся по содержанию легирующих элементов к восьми группам. Стали иссле­ довали в прокатанных полосах после закалки и отпуска при разных температурах с охлаждением в воде (образцы Шарли cV -образным надрезом). За температуру перехода в хрупкое состояние принимали температуру, при которой работа разрушения составляла 80% максимальной. Для всех исследованных сталей обнаружился максимум тем­ пературы перехода в хрупкое состояние после отпуска в интервале от 250 до 350° С. Введение в стали молибдена снижало температуру перехода в хрупкое состояние после отпуска при различных температурах. Молибден в коли­

71

честве около 0,2% существенно уменьшал неблагоприятное действие повышенного количества фосфора (рис. 47).

Рис. 47. Влияние содержания молибдена, фосфора и углерода на зависимость критической температуры

Мышьяк. В ряде специально поставленных исследова­ ний отрицательного влияния мышьяка на свойства сталей при низких температурах обнаружено не было. Для стали Ст.Зкп такой результат получен в работах [64, 65], для стали Ст.З — в работе [52], для стали 15ХСНД — в [19], для рельсовой стали — в [158]. Влияние мышьяка на

72

свойства стали 40Х зависит от содержания в стали фос­ фора [66]. Поэтому для ответственных изделий было ре­ комендовано ограничивать содержание мышьяка так, чтобы оно не превышало содержания фосфора более чем в 2,4 раза. В этой работе отмечено, что в некоторых случаях мышьяк, как и фосфор, может понижать температуру перехода стали в хрупкое состояние.

При введении мышьяка в количестве до 0,2% в мало­ углеродистую сталь, содержащую от 0,14 до 0,20% С, было найдено, что мышьяк повышает критическую тем­ пературу хрупкости этих сталей на 1° на каждую 0,01% этой примеси. Значительное повышение критической тем­ пературы хрупкости малоуглеродистой стали с содержа­ нием углерода 0,10% при введении в нее мышьяка до 0,6% было обнаружено Отаке. При введении в сталь Ст.Зкп мышьяка в количестве, вдвое превышавшем его содержа­

В работе [71 ] показано, что при введении мышьяка в стали Ст.З кипящей и спокойной плавки в количестве бо­ лее 0,20% уменьшаются хрупкая прочность и пластичность сталей при низких температурах. При содержании мышь­ яка до 0,20% влияния его на склонность к хрупкому раз­ рушению не замечено.'

Отмечено также, что повышение критической темпе­ ратуры хрупкости при введении в сталь мышьяка особенно заметно при испытании поперечных образцов [851. Это, повидимому, является следствием повышения в присутствии мышьяка анизотропии свойств стали по отношению к напра­ влению прокатки из-за увеличения полосчатости структуры.

При одновременном введении в сталь с 0,2% С мышьяка в количестве до 0,33% и фосфора до 0,16% было показано, что в присутствии фосфора отрицательное влияние мышь­ яка сказывается сильнее [28].

При содержании мышьяка в стали М16С в количествах от 0,17 до 0,25% механические свойства этой стал», регла­ ментируемые стандартом, не изменялись, но при испыта­ нии в сложнонапряженном состоянии и при низкой тем­ пературе отрицательное влияние мышьяка на сопротивляе­ мость хрупкому разрушению становилось заметным.

При исследовании влияния содержания мышьяка в пре­ делах от 0,14 до 0,75% на свойства сталей с содержанием

73

от 0,15 до 0,75% С было показано, что повышение со­ держания мышьяка более 0,25—0,30% снижает темпе­ ратуру перехода в хрупкое состояние [165]. По данным Л. М. Школьника, мышьяк усиливает склонность рельсо­ вой стали к хладноломкости, но в меньшей степени, чем фосфор. К- Ф. Стародубовым и В. В. Кузнецовым уста­ новлено, что добавка к рельсовой стали мышьяка в коли­ честве от 0,14 до 0,18% еще не оказывает влияния на тем­ пературу перехода в хрупкое состояние. Дальнейшее по­ вышение содержания мышьяка до 0,24% повышает тем­ пературу перехода в хрупкое состояние на 70° С.

ЛЕГИРУЮЩИЕ ДОБАВКИ

Большинство легированных сталей применяется в ма­ шиностроении в термически обработанном состоянии, так как только при помощи соответствующей термической обработки можно реализовать заложенные легированием возможности получения необходимых свойств стали. По­ этому рассмотрение влияния легирующих элементов на хладостойкость сталей должно производиться в тесной связи с их термической обработкой.

Никель. Никель является одним из элементов, в боль­ шинстве случаев существенно повышающим хладостой­ кость сталей. В применении к низколегированным сталям такое заключение сделано, в частности, в работе [176] и в большинстве других. В то же время были выявлены случаи неблагоприятного влияния никеля на хладостой­ кость стали. Один из этих случаев — повышение темпе­ ратуры перехода в хрупкое состояние нормализованной стали с 0,25% С при введении в нее 2,85% Ni описан в ра­ боте [176]. Предполагается, что такое влияние никеля было связано в данном случае с получением при нормали­ зации троостито-мартенситной или троостито-сорбитной структуры, обладающей повышенной хрупкостью.

Дальнейшие исследования влияния никеля на хладо­ стойкость сталей развивались в основном по двум направле­ ниям. Во-первых, были предприняты попытки выяснить влияние никеля на сопротивляемость хрупкому разруше­ нию чисто ферритных сталей с более или менее низким содержанием углерода и понять природу этого влияния. Во-вторых (этих исследований большинство), изучалось влияние никеля на хладостойкость реальных сталей раз­ личного состава и назначения.

74

К первому направлению, в частности, относится под­ робное исследование [265], в котором изучали сплавы железа, содержавшие до 5% Ni. Эта работа выполнена на сплавах в прокате после нормализации с 950° С с после­ дующим четырехчасовым отпуском при 600° С, завершав­ шимся охлаждением на воздухе. Ударные испытания про­

растает и при содержании 5% Ni

превышает критическую температуру чистого железа более чем на 200° С. Отпуск после нормализации на сплавах с со­ держанием более 2% Ni смягчил неблагоприятное дей­ ствие этого элемента, но все же во всем исследованном интервале его содержания хладостойкость сплавов после отпуска была значительно меньше, чем в безникелевом железе. Причина такого влияния никеля на хладостойкость железа .в работе [265] не исследована. Можно предпола­ гать, что при повышении содержания никеля либо изме­ нялась величина аустенитного зерна, либо при довольно быстром охлаждении при нормализации получались нерав­ новесные мартенситообразные структуры. Следует'отме­ тить, что введение в сплав железа с 1% Ni всего лишь

75

0,005% С понизило критическую температуру хрупкости в нормализованном состоянии на 40° С, а после нормали­ зации с отпуском — более чем на 60° С. Дальнейшее повы­ шение содержания углерода до 0,013% сопровождалось повышением критической температуры хрупкости. Такое влияние малых добавок углерода на хладостойкость железа с никелем напоминает его влияние на хладостойкость чи­

сплавы после аустенизации при 920° С охлаждали с раз­ личной скоростью. Ударную вязкость определяли на образцах типа 1. Переход безуглеродистых сплавов в хруп­ кое состояние совершался очень резко, путем срыва удар­ ной вязкости при вполне определенной температуре, ко­ торая была принята за критическую температуру пере­ хода в хрупкое состояние. Зависимость этой температуры от содержания в сплавах никеля представлена на рис. 49. Результаты работы [39] совершенно противоположны работе [265], в которой было обнаружено весьма небла­ гоприятное влияние никеля на хладостойкость феррита.

В работе [39] исследовали также стали, содержавшие 0,39-0,41% С; 0,60-0,66% Мп; 0,26-0,36 Si; 0,02— 0,03% S и 0,018—0,025% Р.Содержание никеля составляло от 0 до 5%. Для получения одинакового аустенитного зерна, соответствовавшего 7—8-му маллу, и одинаковой твердости после отпуска (HRC 30—31) стали закаливали и отпускали при разных температурах. Критическую тем­ пературу определяли по изменению количества вязкой составляющей в изломе. Минимальная температура, при

76

которой еще не появлялось кристаллической составляю­ щей в изломе, плавно снижалась от 0 до —50° С при повы­ шении содержания никеля от 0 до 5%. Температура, при которой полностью исчезала вязкая составляющая в из­ ломе, снижалась при этом от —100 до —120° С. Таким об­ разом, в работе 139] было показано, что и для сталей с содержанием около 0,4% С, если они приведены в струк­ турно одинаковое состояние, добавка никеля до 5% по­ вышает сопротивляемость металла хрупким разрушениям при низких температурах.

В работе [102] исследовали влияние добавок никеля в количествах до 4,1 % на хладостойкость стали 40Х стан­ дартного состава после закалки и отпуска при температу­ рах 525—550 и 650° С. После отпуска при 650° С хладо­ стойкость сталей увеличивалась по мере повышения со­ держания никеля. После охрупчивающего отпуска (525— 550° С) никель действовал на хладостойкость явно небла­ гоприятно, повышая верхнюю критическую температуру на 60° С.

При исследовании сталей четырех групп, в которых углерода содержалось соответственно 0,18; 0,33; 0,45 и 0,50% при содержании никеля от 0,1 до 4,4—4,7%, было установлено, что влияние добавки никеля на хладостой­ кость стали зависит от содержания углерода и темпера­ туры отпуска [31, 32].

Таким образом, обзор работ по влиянию никеля на хла­ достойкость сталей показывает, что полной ясности и определенности в этом вопросе, как это представлено в ра­ боте [176], нет. Совершенно не выяснена природа влияния никеля на хладостойкость феррита, а экспериментальные данные об этом влиянии чрезвычайно противоречивы. Не­ сомненно положительное влияние никеля в сталях с малым содержанием углерода. По-видимому, можно уверенно говорить о полезном влиянии никеля в сложнолегирован­ ных машиностроительных сталях со средним содержанием углерода (0,40—0,45%) после термической обработки, не угрожающей появлением отпускной хрупкости.

Попытка выяснить природу влияния никеля на хладо­ стойкость феррита предпринята в работе [163]. Здесь предположено,, что одним из факторов, влияющим на хла­ достойкость феррита, является величина энергии взаимо­ действия между дислокациями и атомами примесей. Ме­ тодом измерения внутреннего трения при свободных кру­

77

тильных колебаниях с частотой порядка 1 гц определяли энергию взаимодействия атомов углерода и азота с дисло­ кациями в железе технической чистоты и в сплавах этого железа с 3,6 и 5% Ni. В результате установлено, что вве­ дение никеля в железо, содержащее углерод и азот в ко­ личествах, достаточных для блокировки дислокаций, уменьшает энергию взаимодействия между дислокациями и примесными атомами внедрения. На этом основании сделано предположение, что повышение хладостойкости железа при введении в него никеля при сохранении по­ стоянной величины ферритного зерна является следствием ослабления никелем углеродно-азотной блокировки дис­ локаций.

На изменение характера взаимодействия между дисло­ кациями и внедренными в решетку железа атомами угле­ рода в присутствии никеля указывают также результаты работы [249]. В этой работе изучали низкотемпературный пик внутреннего трения при крутильных колебаниях низ­ кой частоты в сплавах железа с никелем, содержавших менее 0,015% С. По изменению положения пика (смеще­ ние его в сторону более низких температур) и уменьшению его площади авторы заключили, что в исследованных спла­ вах возникает взаимодействие ближнего порядка между атомами никеля и углерода, предотвращающее участие последних в релаксационном процессе.

Хром. Влияние хрома на хладостойкость стали очень неопределенно и зависит от термической обработки и на­ личия в стали других элементов. Этот вывод, сделанный в работе [176], дает основание считать, что влияние хрома на склонность стали к хрупкому разрушению осуществ­ ляется не столько ввиду изменения свойств феррита, сколько косвенным образом — вследствие влияния хрома на процессы, происходящие при термической обработке и определяющие структуру продуктов превращения при нор­ мализации, закалке и отпуске.

В дальнейшем были проведены исследования с целью проверки влияния хрома на хладостойкость феррита. В ра­ боте [265 ] исследовали высокочистые сплавы железа с хро­ мом, содержавшие углерода не более нескольких тысячных долей процента. Сплавы после прокатки нормализовали с 950° С и испытывали на хладостойкость на образцах Шарли с V-образным надрезом. За критическую темпера­ туру принимали такую, при которой ударная вязкость

78

снижалась на 5.0% максимального значения. Результаты этого исследования показали, что введение в феррит хрома в количестве до 5,6% снижает критическую температуру хрупкости на 15—20° С.

В работе [94 ] исследовали сплавы, содержавшие менее 0,01% С, в которых содержание хрома изменялось от 0,08 до 0,81 %. Критическую температуру хрупкости опре­ деляли по. уровню ударной вязкости, равной 5 кГм1см2. Здесь показано, что сравнительно небольшие количества хрома в феррите понижают критическую температуру хрупкости.

жавшие 0,03—0,035% С.

Для получения одинакового или хотя бы близкого по раз­ мерам зерна феррита (5—7-го балла) сплавы нагревали до 920° С и охлаждали с разной скоростью. Ударные испыта­ ния проводили на образцах типа 1. Критическую темпера­ туру определяли по резкому снижению ударной вязкости со значений 24—36 до 1—2 кГм/см2. Результаты исследо­ вания этих сплавов приведены на рис. 50. Они качественно согласуются с данными, опубликованными в [94, 265], только при содержании хрома не более 1%. При дальней­ шем повышении содержания хрома хладостойкость фер­ рита, по данным [39], уменьшается.

Нами исследовано влияние добавок хрома и марганца на хладостойкость стали 20 после отжига при 860° С и после за­ калки от 880° С с отпуском при 600° С. Добавка к этой стали, содержавшей 0,21% С, 0,91% Сг, очень незначительно понизила температуру перехода в хрупкое состояние стали после отжига (рис. 51). В улучшенном же состоянии темпе­ ратура перехода в хрупкое состояние стали с хромом пони­ зилась на 45° С. В исследованном случае обнаружилось аддитивное влияние марганца и хрома на хладостойкость улучшенной стали, что видно из сравнения рис. 28 и 51.

79

Исследование среднеуглеродистой стали состава (в %): 0,38—0,46 С; 0,17—0,60 Мп; 0,56—1,38 Сг; 1,26—2,06 Ni; 0,16—0,28 Si; 0,130—0,148 Р показало, что добавка хрома при наличии в стали никеля приводит к измельчению зерна

иснижению критической температуры хрупкости [154].

Вработе [39] было исключено влияние легирования хромом на хладостойкость стали путем измельчения зерна. Исследовали стали с 0,4% С (содержание остальных эле­ ментов такое же,что и при исследовании влияния никеля).

женном (пунктир) и улучшенном состояниях (сплошные линии)

Для обеспечения одинакового размера аустенитного зерна, соответствующего 7—8-му баллу, стали с содержанием 0,5; 1; 3 и 7% Сг закаливали соответственно с температур 860, 890, 900 и 950° С. Для получения одинаковой твердости HRC 29,0—31,5 стали отпускали соответственно при 500, 530, 600 и 600° С. После такой обработки стали подвергали испытанию на ударную вязкость. Склонность к хладнолом­ кости оценивали по виду излома. Результаты этого испы­ тания (рис. 52) показывают, что хром повышает крити­ ческую температуру хрупкости сталей, приведенных тер­ мической обработкой в одинаковое структурное состояние с одинаковой твердостью.

Молибден. Введение в сложнолегированные стали мо­ либдена благоприятно действует на хладостойкость стали, если она склонна к отпускной хрупкости, так как эта добавка уменьшает такую склонность. Влияние молибдена на хладостойкость феррита, как показано в работе [265],

80