Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о влиянии бора и вводимых совместно с ним добавок на прокаливашость и другие свойства конструкционных сталей 14
1.1. Применение микродобавок бора при производстве конструкционных сталей .14
1.1.1. Взаимодействие бора с основными элементами стали. 14
1.1.2. Изменение прокаливаемое и величины зерна аустенита стали при введении бора.. 22
1.1.3. Влияние бора на структуру и свойства сталей при их закалке и отпуске 28
1.2. Структура, фазовый состав и свойства борсодер-жащих сталей с добавками редкоземельных метал-лов (РЗМ), циркония и молибдена... 39
1.3. О влиянии химического состава и термической обработки на склонность к обратимой отпускной хрупкости сталей, микролегированных бором . 43
1.3.1. Современные представления о развитии обратимой отпускной хрупкости 43
1.3.2. Влияние углерода, марганца, кремния, хрома, молибдена, циркония и титана на склонность сталей к обратимой отпускной хрупкости. 48
1.3.3. Развитие обратимой отпускной хрупкости в сталях, микролегированных бором и РЗМ... 54
1.3.4. Задачи исследования 59
Глава 2. Материалы и методика исследования 61
2.1. Исследуемые стали, их выплавка и термическая обработка 61
2.2. Определение прокаливаемости сталей... 69
2.3. Проведение механических испытаний и обработка результатов. 69
2.4. Определение малоцикловой выносливости. 70
2.5. Оценка склонности исследуемых сталей к хрупкому разрушению 70
2.6. Методика оценки склонности сталей к обратимой отпускной хрупкости 72
2.7. Методики исследования микроструктуры и строения изломов сталей 73
2.7.1. Металлографические и электронно-микроскопические исследования 73
2.7.2. Определение фазового состава карбидов в сталях 74
2.7.3. Микрорентгеноспектральный анализ сталей... 75
2.7.4. Исследования строения изломов сталей. 76
Глава 3. Иссщование влияния микро добавок бора и вводимых совместно с ним элементов на прокаливаемость, механические свойства и склонность к хрупкому разрушению улучшаемых сталей 79
3.1. Термическая обработка и прокаливаемость сталей, микролегированных бором, РЗМ и цирконием 79
3.2. Влияние микролегирования бором на механические свойства, малоцикловую усталость и склонность к хрупкому разрушению конструкционных сталей .. 88
3.3. Исследование влияния редкоземельных металлов, циркония и молибдена на механические свойства, малоцикловую выносливость и склонность к хрупкому разрушению борсодержащих сталей в улучшенном состоянии 93
3.4. Влияние микролегирования на склонность к обратимой отпускной хрупкости исследуемых сталей 99
Глава 4. Влияние микролегирования на строение изломов образцов исследуемых сталей... 105
4.1. Особенности строения изломов конструкционных сталей, микролегированных бором 105
4.2. Влияние микродобавок РЗМ, циркония и молибдена на строение изломов борсодержащих сталей 115
4.3. Изменение микромеханизма разрушения сталей с добавками бора, РЗМ, циркония и молибдена при развитии обратимой отпускной хрупкости... 125
Глава 5. Роль структуры и химического состава в формировании свойств улучшаемых борсодержащих сталей 131
5.1. Влияние микролегирования на структуру сталей. 131
5.2. Исследование изменения химического и фазового состава приграничных зон зерен при введении бора и редкоземельных металлов и его влияния на межзеренное разрушение сталей. 136
5.3. Выбор оптимального химического состава - резерв повышения эксплуатационной надежности простых углеродистых и легированных борсодержащих сталей после закалки и высокого отпуска 159
5.3.1. Разработка комплексного микролегирования для повышения свойств простых углеродистых сталей 160
5.3.2. Выбор химического состава с целью уменьшения склонности к хрупкому разрушению легированных бореодержащих сталей 167
5.4. Обсуждение результатов исследования 172
Выводы 181
Литература. 184
Приложение 202
- О влиянии химического состава и термической обработки на склонность к обратимой отпускной хрупкости сталей, микролегированных бором
- Проведение механических испытаний и обработка результатов.
- Влияние микролегирования бором на механические свойства, малоцикловую усталость и склонность к хрупкому разрушению конструкционных сталей
- Влияние микродобавок РЗМ, циркония и молибдена на строение изломов борсодержащих сталей
Введение к работе
Повышение эксплуатационных характеристик сталей, создание новых конструкционных материалов, увеличение выпуска качествен» ной металлопродукции, упрочненной термической обработкой, являются важнейшими задачами, поставленными ХХУІ съездом КПСС в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 г.г. и на период до 1990 года". Успешное решение этих задач невозможно без широкого применения малоотходной технологии, рационального использования топлива, сырья и легирующих элементов.
Перспективным направлением, позволяющим экономить дорогостоящие металлы, значительно повышать физико-механические и технологические свойства сталей, является микролегирование, которое оказывает существенное влияние на чистоту стали, изменяет условия кристаллизации, строение приграничных зон зерен, способствует получению однородной структуры. Совершенствование состава сталей с целью повдаения надежности и долговечности деталей машин требует всестороннего изучения рафинирующего, модифицирующего и легирующего влияния микродобавок. Особенно актуальны эти вопросы для деталей, работающих при низких температурах.
На основании исследований, выполненных советскими учеными (В.И.Архаров, Д.А.Прокошкин, А.Г.Рахштадт, А.П.Гуляев, Ю.М.Лахтин, А.Г.Васильева, Ю.А.Шульте, Я.Е.Гольдштейн, Л.Л.Пятакова) и зарубежными учеными (Р.Грейндж, М.Гроссман, Д.Макклин, К.Кавамура, Д.Тевелье), установлено, что малые добавки элементов, проявляющих высокую химическую активность по отношению к железу и примесям, входящим в его состав, оказывают комплексное воздействие на структуру стали и ее свойства. При этом в результате модифицирующего и рафинирующего эффекта микродобавок изменяются количество, дисперсность и морфология неметаллических включений, а при легирова ний матрицы - прокаливаемость, однородность структуры и сопротивление хрупкому разрушению сталей.
Особый интерес представляют исследования влияния микродобавок на хрупкое разрушение улучшаемых сталей, при котором значительную роль играет состояние границ зерен. Ослабление прочности межзеренной связи приводит к резкому снижению трещиностойкости сталей. Поэтому устранение зернограничного разрушения, характеризующегося самой низкой энергоемкостью, является одной из главных задач в проблеме повышения работоспособности улучшаемых сталей.
Хотя исследования в данном направлении проводятся, но такие вопросы, как межкристаллитная внутренняя адсорбция микродобавок, локальное пресыщение и распад твердых растворов на границах зерен, сопровождающие охрупчивание материала, механизм процессов, способствующих устранению охрупчивания, еще до конца не решены. Нет также достаточных сведений и о влиянии микродобавок на распределение легирующих элементов, дислокационную структуру и процессы карбидообразования при отпуске сталей. А исследования совместного влияния легирующих элементов и микродобавок на хладностойкость и отпускную хрупкость конструкционных сталей весьма ограничены и несистематизированы.
Целью данной работы является разработка комплексного микролегирования для повышения прокаливаемости и конструктивной прочности сталей путем совместного воздействия микродобавок и легирующих элементов. Для решения этой задачи особое внимание было уделено выявлению природы влияния малых добавок элементов на склонность к хрупкому разрушению и развитие обратимой отпускной хрупкости конструкционных сталей.
В результате проведенных исследований установлены закономерности изменения прокаливаемости, механических свойств, склонности к хрупкому разрушению и малоцикловой усталости при введении малых добавок бора, РЗМ, циркония и молибдена. При этом определена роль легирования хромом и марганцем в формировании свойств бор-сод ерокащих сталей.
Впервые с помощью методов локального физико-химического анализа и электронной микроскопии выявлены причины уменьшения сопротивления хрупкому разрушению сталей, микролегированных бором, после закалки и высокого отпуска, показана связь между структурными изменениями при отпуске и характером разрушения сталей. Экспериментально установлено, что повышение стабильности дислокационной структуры простых углеродистых сталей и развитие химической и структурной неоднородности в пределах зерна после закалки и отпуска легированных сталей при введении бора сопровождается увеличением размеров фасеток скола и появлением межзеренного излома. Обнаружено явление неоднородного распределения легирующих элементов и карбидов при отпуске и охрупчивающей обработке бореодержа-щих сталей.
С помощью количественной оценки вклада различных микромеханизмов в процесс разрушения в условиях, наиболее способствующих зернограничному сколу, выявлено влияние микродобавок на долю межзеренного излома сталей. Впервые показано, что добавки РЗМ, циркония и молибдена уменьшают долю межзереннога излома борсодержащей стали; это обусловлено повышением однородности распределения легирующих элементов и карбидов в структуре, изменением состояния меж-зеренных поверхностей и межфазных границ, снижением их охрупчива-ния при отпуске.
Разработана новая сталь типа 40ХГМР, повышенной прокаливаемос-ти и повышенного сопротивления хрупкому разрушению, содержащая молибден и цирконий, которые предотвращают образование специальных карбидов, обогащение границ зерен примесями, межзеренное разруше ниє высокоотпущенной борсодержащей стали. Предложено также микролегирование алюминием борсодержащей пружинной стали 70, обеспечивающее повышение ее технологической пластичности и долговечности.
Анализ полученных результатов позволил впервые установить ряд закономерностей, которые защищаются в данной работе:
1. Особенности изменения структуры, свойств и характера разрушения улучшаемых сталей при введении бора, редкоземельных металлов, циркония и молибдена, в частности:
- результаты определения прокаливаемости борсодержащих сталей в зависимости от условий выплавки, содержания углерода и легирующих элементов;
-данные электронно-микроскопических, микрорентгеноспектраль-ных, рентгеноструктурных исследований микроструктуры, приграничных зон зерен и изломов сталей;
- установленные закономерности разрушения сталей, микролегированных бором, редкоземельными металлами, цирконием и молибденом после улучшения, а также охрупчивающей обработки;
- вывод о том, что в условиях хрупкого разрушения доля зер-нограничного скола зависит от температуры испытания: процент меж-зеренного излома с повышением температуры возрастает;
обнаруженное явление влияния химического и фазового состава приграничных зон зерен на интеркристаллитное разрушение микролегированных сталей 2. Новые аспекты механизма влияния добавок бора, редкоземельных металлов, циркония и молибдена на склонность к хрупкому разрушению и работоспособность простых углеродистых и легированных сталей после закалки и высокого отпуска.
3. Рекомендации по повышению прокаливаемости и конструктивной прочности улучшаемых борсодержащих сталей.
- микролегирование, обеспечивающее уменьшение склонности к межзеренному разрушению высокоотпущенных сталей с бором;
- преимущества новых экономнолегированных борсодержащих сталей.
Работа состоит из введения, пяти глав и выводов. Во введении сформулирована общая постановка задачи и изложены основные результаты работы. Первая глава посвящена литературному обзору. Рассмотрено взаимодействие микродобавок с основными элементами стали, изменение фазового состава, структуры и свойств конструкционных сталей при введении бора и редкоземельных металлов. Особое внимание уделено роли химического состава и термической обработки в развитии обратимой отпускной хрупкости сталей с микродобавками.
Во второй главе описаны оборудование, разработанное для выплавки и фракционнофазливки сталей в контролируемой среде, а также методы введения микродобавок. Дается краткая характеристика исследуемых материалов, основные режимы их термической обработки. Изучение выбранных сталей, широко применяемых в машиностроении, представляет не только практический, но и научный интерес, ибо позволяет выявить общие закономерности влияния микродобавок как легирующих элементов, что имеет большое значение для решения проблемы хрупкого разрушения.
Дано обоснование применения в работе современный методов исследования, таких как электронной микроскопии, рентгенострук-турный и микрорентгеноспектральный анализы. Показано, что определение химического состава поверхности изломов с помощью эмиссионного спектрального анализа, а также количественная оценка вклада различных микромеханизмов в процесс разрушения необходимы для установления связи между структурой и характером разрушения сталей.
Третья глава посвящена исследованию прокаливаемости, механических свойств и склонности к хрупкому разрушению сталей, микролегированных бором и редкоземельными металлами» Показано, что увеличение содержания углерода и наличие легирующих элементов снижают влияние бора на прокаливаемость. Наибольшее увеличение критического диаметра образцов сталей происходит при совместном введении бора и циркония. Приведены результаты испытаний сталей на ударный изгиб в интервале температур вязкохрупкого перехода. Установлено, что при введении бора порог хладноломкости ( ) легированных сталей сдвигается в сторону высоких температур на большую величину, чем у простых углеродистых. Добавки редкоземельных металлов, циркония и, особенно, молибдена уменьшают склонность к хрупкому разрушению борсодержащих сталей после закалки и высокого отпуска.
В четвертой главе представлены результаты изучения характера строения изломов сталей. Построены зависимости изменения доли транскристаллитного скола, микровязкого и межзеренного излома от температуры испытания образцов. Показано, что при хрупком разрушении доля межзеренного излома возрастает с увеличением температуры. Проведена оценка влияния микродобавок на межзеренное разрушение сталей в условиях, наиболее способствующих появлению зернограничного скола. Установлено, что максимальная доля межзеренного раз-рушения наблюдается в стали, микролегированной бором, после охруп-чивающего отпуска. При введении редкоземельных металлов, циркония и молибдена доля межзеренного излома уменьшается, но возрастает площадь занимаемая участками транскристаллитного скола.
В пятой главе описана связь между структурными изменениями, происходящими при микролегировании сталей, и их сопротивлением хрупкому разрушению. Показано, что при отпуске сталей процессы кар-бидообразования в объеме и у границ зерен протекают с разной ско ростьго, что приводит к значительному изменению состава локальных объемов твердого раствора приграничных зон. Развитие химической и структурной неоднородности способствует зарождению и распространению трещин вдоль межфазных поверхностей карбид-матрица, увеличивая при этом долю интеркристаллитного разрушения. Микролегирование бором ведет к повышению концентрации легирующих элементов, особенно хрома, в приграничных зонах зерна и к выделению специальных карбидов. При добавке редкоземельных металлов происходит более равномерное распределение легирующих элементов, а наличие циркония и молибдена задерживает образование специальных карбидов на границах зерен,что способствует уменьшению их охрупчива-ния. На основании полученных результатов предлагается теория, объясняющая природу изменения свойств сталей при введении малых добавок бора, редкоземельных металлов и циркония, дается описание новых сталей, с повышенной прокаливаемостью и сопротивлением хрупкому разрушению. Показана перспективность применения комплексного микролегирования для улучшения технико-экономических условий использования экономнолегированных конструкционных сталей в промышленности.
Основные результаты работы опубликованы в ряде статей [151, 152,153,155,158,161,164,167,169( , а также докладывались на трех Всесоюзных научно-технических конференциях "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (сентябрь 1980 г., г.Запорожье), "Термическая и термомеханическая обработка стали - важнейший резерв экономии металла (сентябрь 1981 г., г.Днепропетровск), "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (сентябрь 1983 г.,г.Запорожье), на четырех Всесоюзных и республиканских семинарах "Новое в металловедении и термообработке конструкционных сталей и специальных спла BOB" (октябрь 1978 г., г.Челябинск), "Излом и хрупкость стали и сплавов" (февраль 1982 г., г.Киев), "Термическая обработка стали и сплавов" (февраль 1983 г., г.Киев), " Новые технологические решения по повышению качества стали" (май 1983 г., г.Киев), на ХХХІУ-XL конференциях Львовского политехнического института, защищены авторскими свидетельствами [168,170] .
О влиянии химического состава и термической обработки на склонность к обратимой отпускной хрупкости сталей, микролегированных бором
Для повышения свойств конструкционных сталей в металлургии все шире применяют малые добавки редкоземельных металлов церие-вой подгруппы.
Анализ литературных данных показал, что изменение структуры и свойств сталей при введении РЗМ вызывается следующими основными факторами [55,56]: 1) модифицирующим действием РЗМ (измельчение кристаллов металла; 2) рафинированием сталей и сплавов от примесей неметаллов ухудшающих свойства сталей и сплавов;3) образованием редкоземельных тугоплавких соединений с вредными примесями;4) изменением механизма пластической деформации основы сплава;5) изменением температуры рекристаллизации сталей.
При изучении воздействия РЗМ как технологических добавок на свойства сталей установлено, что редкоземельные металлы обладают высокой термодинамической активностью и присутствуют в стали главным образом в составе неметаллических включений, а также в твердом сС или р -растворе, интерметаллидах и только в ничтожном количестве в карбидной фазе [57]. Остаточное содержание РЗМ зависит как от содержания примесей в стали, так и от условий выплавки и введения и намного меньше задаваемого по расчету.
Растворимость РЗМ в железе, по данным одних исследователей,40 равна 0,1-0,2 % по данным других составляет такими концентрациями связывают появление новой, богатой РЗМ фазы на периферии зерен стали. Появляясь у границ зерен, интер-металлиды резко ухудшают механические свойства стали [б] Растворимость РЗМ в Т -железе ниже их растворимости в оС -железе и возрастает с переходом от лантана к неодиму [бі].
Вопрос о распределении редкоземельных металлов между твердым раствором и неметаллическими включениями до конца не изучен. По одним данным, малые добавки (до 0,15 %) РЗМ в стали промышленной чистоты расходуются на взаимодействие только с кислородом и серой [62]. В других работах [63] установлено, что при содержании серы 0,013-0,015 % добавление до 0,15 % РЗМ приводит к появлению их в твердом растворе в количестве 0,01-0,013 %. Большая часть РЗМ связана в сульфиды, оксисульфиды и окислы, причем РЗМ связывают не более 5,5 % общего содержания серы, а количество серы, присутствующей в форме оксисульфидов РЗМ, составляет в среднем 10 %.
Большинство авторов отмечает, что РЗМ влияют на состав, форму и расположение неметаллических включений, а также на содержание газов в стали. Так, в работе [64] показано, что добавка в литую сталь 0,15 % Св приводит к уменьшению содержания кислорода на 55-58 %, водорода на 15-25 %. Общее количество неметаллических включений снижается на 45-50 %, причем церий способствует их измельчению и глобуляризации. Неметаллические включения располагаются равномерно в объеме всего кристалла и не образуют межкристаллических прослоек, состоящих из легкоплавких элементов. По другим данным [65], введение РЗМ способствует появлению в стали мелких сульфидных включений, которые равномерно распределены по сечению заготовки и незначительно деформируются при горячей пластической
Проведение механических испытаний и обработка результатов.
Методики исследования микроструктуры и строения изломов сталей Металлографические и электронно-микроскопические исследования Микроструктуру образцов сталей после закалки и отпуска, а также после охрупчивающей обработки изучали на металлографическом микроскопе МИМ-8 и на трансмиссионном электронном типа УЭМВ-ЮОК при ускоряющем напряжении 50 кВ. Изображение поверхности рельефа образцов получали также с помощью растрового электронного микроскопа "Стереоскан C4-I0" (при ускоряющем напряжении 30 кВ).
Для металлографических исследований образцы шлифовали, подвергали механической и электролитической полировке в электролите, состоящем из 17 %-ного раствора хромового ангидрида в орто-фосфорной кислоте, при плотности тока 0,8 10 А/м Химическое травление образцов проводили в 4 %-ном спиртовом растворе азотной кислоты. Для выявления границ зерен образцы после электролитической полировки травили в насыщенном водном растворе пикриновой кислоты, нагретом до температуры 60 С.
В целях определения формы, размеров, а также распределения карбидных фаз в структуре сталей после закалки с высоким отпуском и охрупчивающей обработки проводили электронно-микроскопические исследования при помощи угольных реплик, экстрагированных со шлифов сталей. Реплики готовили по общепринятой методике напылением в вакуумной установке ВУП-2К. 1 Отделяли их электролитически в 10 $-ном растворе азотной кислоты в метиловом спир те при плотности тока 0,2 I04 А/м (время отделения от 120 до 360 с). Реплики промывали в водном растворе серной и соляной кислот (соотношение кислот и воды 1:1:3), а затем в дистиллированной воде.Определение фазового состава карбидов в сталях
Исследование карбидной фазы проводили посредством рентге-ноструктурного анализа карбидных осадков. Карбиды выделяли путем анодного растворения образцов при плотности тока 50-100 А/м в охлажденном до температуры 0 С электролите следующего состава: 75 г хлористого калия, 5 г лимонной кислоты, 100 мл дистиллированной воды [144]. Применение хлористых солей обеспечивает активное состояние железного анода, т.к. хлористые соли хорошо растворимы. Слабая кислотность электролита исключает возможность разложения выделенного карбидного осадка.
После электролитического выделения карбидные осадки промывали в спирте, эфире и высушивали в эксикаторе. Для получения карбидов была изготовлена установка, позволяющая проводить одновременное растворение двенадцати образцов. В конструкции установки предусмотрена цилиндрическая форма катода, которая обеспечивает равномерное распределение плотности тока вокруг образца.
Из полученных порошкообразных осадков изготавливали цилин-дрические образцы (диаметром (0,2-0,7) 10 м для камеры РКД. Рентгенограммы снимали на установке УРС-55 с хромовым анодом в течение 7200 с при токе накала 4 мА и рассчитывали их по известной методике [і45]. На рентгенограммах регистрировались линии цементита, тогда как линии специальных карбидов не выявлялись. Это может быть связано с исчезновением слабых линий некоторыхкарбидов, или же с их отсутствием из-за малых размеров частиц, наложения линий разных порядков и других факторов. Для более точной оценки состава карбидных фаз проводили разделение карбидов путем обработки карбидного осадка в кипящей серной кислоте в течение 240 с. При этом цементит, входящий в состав карбидного осадка, растворяется, а специальные карбиды остаются нерастворенными.
Влияние микролегирования бором на механические свойства, малоцикловую усталость и склонность к хрупкому разрушению конструкционных сталей
Исследование влияния редкоземельных металлов» циркония и молибдена на механические свойства» малоцикловую усталость и склонность к хрупкому разрушению борсодеркащих сталей в улучшенном состоянии
В работе нами установлено» что при добавлении бора значительно повышается прокаливаемость сталей» но при этом увеличивается склонность к хрупкому разрушению и снижается их выносливость в улучшенном состоянии. Поэтому с целью повышения сопротивления хрупкому разрушению и усталости проводили дополнительное микролегирование борсодеркащих сталей редкоземельными металлами» цирконием и молибденом В процессе исследования выявлено, что добавки РЗМ не оказывают существенного влияния на механические свойства ( э$ » о02 » 8 %Уґ ) (табл. 3.3). При введении же празеодима прочность стали 40ХГР снижается на 8-Ю %» а пластичность возрастает на 10-12$. Присутствие молибдена способствует повышению прочности этой стали на 10-12 % и небольшому спаду пластичности (на 6-8 %).
При введении редкоземельных металлов» циркония и молибдена увеличивается сопротивление малоцикловой усталости борсодеркащей стали (рис 3 12)» причем наибольшее повышение долговечности наблюдается в стали» содержащей молибден. Но наиболее эффективно вводимые добавки влияют на склонность борсодеркащих сталей к хрупкому разрушению Необходимо отметить» что характер их влияния зависит от количества вводимого элемента и наибольший эффект достигается при оптимальном содержании микродобавок Из анализа полученных данных (рис. 3 13) следует, что процентное содержание редкоземельных металлов влияет как на величину ударной вязкости, так и на порог хладноломкости При наличии в стали ЗОХР 0,025 % РЗМметаллов (рис. 3.14). А при наличии циркония и празеодима смещение порога хладноломкости происходит всего на 10-12 С (рис. 3.15). Но наиболее интенсивно снижает степень охрупчивания добавка молибдена. При введении молибдена порог хладноломкости в борсодержащей стали после охрупчивающего отпуска значительно смещается в сторону низких температур. Например, в стали 40ХГР смещение происходит на 35-40 С, и порог хладноломкости {Т50 ) лежит на 12-15 С ниже, чем в стали, не микролегированной бором в вязком состоянии.
Склонность сталей к обратимой отпускной хрупкости определяли также и по изменению длины зоны стабильного роста трещины образцов, испытанных при различных температурах.
Из анализа полученных результатов (табл. 3.4) следует, что длина зоны стабильного роста трещины исследуемых сталей после охрупчивающего отпуска уменьшается. Наибольшее смещение критической температуры хрупкости в сторону высоких температур наблюдается у легированной стали с бором. Закономерность смещения критической температуры хрупкости, выявленной по длине зоны стабильного роста трещины, аналогична смещению порога хладноломкости, определенного по проценту вязкой составляющей в изломе.
В то же время следует отметить, что у части образцов величина смещения неодинакова, что связано с особенностями строения изломов.
Испытания на малоцикловую усталость показали, что охрупчи-вающий отпуск снижает циклическую прочность сталей, причем в большей степени при длительной выдержке. Например, у стали 40ХГ после охрупчивающего отпуска с выдержкой 50 ч долговечность при напряжении 0,7 6 уменьшается на 30-35 % (рис. 3.20).
Влияние микродобавок РЗМ, циркония и молибдена на строение изломов борсодержащих сталей
Развитие обратимой отпускной хрупкости способствует уменьшение когезивной прочности в приграничных зонах зерен, в связи с чем энергия, затрачиваемая на распространение трещин вдоль гра-ниц значительно уменьшается по сравнению с соответствующей энергией транскристадлитного разрушения Поэтому охрупчиваицая обработка приводит к увеличению доли межзеренного излома в сталях, причем на характер разрушения ощутимое влияние оказывает химический состав сталей, в том числе микродобавки, такие как бор, редкоземельные металлы, цирконий и молибден. Вопрос о влиянии малых добавок на строение изломов после охрупчивания почти не изучен, хотя в некоторых работах [I56J указывалось на перспективность применения микролегирования адеорбционно-активными примесями для устранения межзеренного разрушения.
Проведенные с помощью оптического микроскопа исследования позволили установить, что в изломах сталей, прошедших охрупчиваю-щую обработку, увеличивается количество фасеток, характерной особенностью которых является отсутствие ручьистого строения и ступеней скола. Эти участки межзеренного излома имеют криволинейную поверхность. Поэтому исследования с помощью оптического микроскопа дают ограниченную информацию о их строении. Электронно-фрактографические исследования позволили более полно изучить влияние микродобавок на особенности строения изломов сталей после охрупчивающей обработки. Установлено, что поверхности макрохрупких изломов охрупченных сталей состоят из участков транскристадлитного скола, межзеренного и мик ровязкого разрушения. Добавки бора, РЗМ, циркония и молибдена существенно влияют на строение изломов сталей в охрупченном состоянии. При введении бора увеличивается доля межзеренного излома, на котором выявляются следы пластической деформации в виде ступеней, чашек, гребней (рис. 4.6). На межзеренных поверхностях наблюдается большее количество неоднородных по величине и форме карбидных частиц (размером до I мкм), чем на поверхности изломов вязких образцов. В стали с добавками РЗМ на поверхности межзерен» них изломов меньше следов пластической деформации, чем в стали с бором (рис. 4,9).
В стали с празеодимом в изломах встречаются в основном равноосные карбиды (рис. 4.10). Охрупчивающий отпуск увеличивает плотность карбидных частиц и их следов на поверхности межзеренных изломов сталей, микролегированных бором и РЗМ, причем поверхность разрушения огибает частицы по границам карбидов с матрицей, не раскалывая их (рис. 4.II). При введении молибдена в борсодер-жащей стали уменьшается плотность карбидных частиц и их следов на поверхности межзеренных изломов (рис. 4.12). Следовательно, в стали с молибденом поверхность раздела карбид-матрица играет меньшую роль при разрушении, чем в вышеуказанных сталях.
Так как при испытаниях образцов не всегда реализуются структурно-механические условия, способствующие зернограничному разрушению [157] в работе также изучалось влияние температуры испытания на строение излома, т.е. на количественное соотношение между его составляющими (транскристаллитное, межзеренное и микровязкое разрушение). При исследовании стали 40ХГ в вязком состоянии, а также после охрупчивающей обработки с выдержкой при отпуске в течение 2 и 50 ч (рис. 4.13, 4.14) установлено, что с повышениемдоля температуры испытания и уменьшением макрохрупкого участка межзе ренного излома увеличивается, достигая максимума при наличии мак
