ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Влияние примесей из "Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа " В 1956 г, впервые было показано [42], что в развитии обратимой отпускной хрупкости решающую роль играют содержащиеся в стали примеси высокочистая по примесям хромоникелевая сталь оказалась не восприимчивой к отпускной хрупкости, хотя при обь(чной, характерной для промышленных плавок чистоте этой стали отпускная хрупкость в ней развивается в значительной степени. О том, что некоторые примесные элементы (фосфор, сурьма, мышьяк) оказывают влияние на склонность стали к отпускной хрупкости, было известно и до 1956 г. Эти данные, систематизированные в работах [1, 21], свидетельствовали о том, что повышение содержания примесных элементов в стали от тысячных до сотых долей процента может значительно увеличивать степень их охрупчивания с соответствующим усилением травимости границ зерен пикриновой кислотой и возрастанием доли межзеренного хрупкого разрушения. Однако доказательств определяющей роли примесей, заключающейся в отсутствии отпускной хрупкости в чистых по примесям сталях при развитии ее в тех же сталях с примесями, не было. [c.34] Рассмотрим основные закономерности влияния примесей на развитие отпускной хрупкости сталей и сплавов железа. [c.35] Проведенное с использованием метода Оже-электронной спектроскопии уточнение закономерностей охрупчивающего действия добавок фосфора (0,05—0,2 %) к чистому железу [278] выявила при минимальной (в исследованном интервале) концентрации фосфора повышение критической температуры хрупкости сплава примерно на 200 С в результате изотермической выдержки при 700°С (после предварительной закалки от 1000°С). При этом оказалось, что обогащение границ зерен фосфором, достигающее на поверхности межзеренного излома десятков атомных процентов развивается практически только при температурах существования а-фазы зернограничной сегрегацией фосфора в аустените можно пренебречь. Аналогичные результаты получены и для зернограничной сегрегации сурьмы в железе [278]. [c.35] Результаты такого исследования показали, что в чистом железе термическая обработка в а-области интеркристаллитной хрупкости не вызывает, а добавка даже 0,008 % Р приводит к хорошо выраженному охрупчиванию в интервале температур 500-750°С (рис. 5 . Минимальная низкотемпературная пластичность и максимальная доля межзеренного разрушения в изломе наблюдается после отжига при 600—650 С, т.е. охрупчивание не может быть обнаружено, если за вязкое состояние принимать, как это обычно делают при изучении отпускной хрупкости легированных сталей, состояние после отпуска при 600—650°С с быстрым охлаждением. [c.36] Эти данные представляют интерес потому, что отпускной хрупкости оказалось подверженным кремнистое железо с примесью фосфора (Ре + 2,5 % 81 + 0,06 % Р), имеющее ОЦК решетку, т.е. представляющее собой ск раствор, во всей температурной области существования твердой фазы. Следовательно, специфическое влияние примесей на развитие обратимой отпускной хрупкости не связано с особенностями их растворимости и сегрегации на границах зерен в аустените. Результаты этого исследования показали, что принципиально те же процессы обогащения границ зерен фосфором возможны в феррите, не содержащем границ исходного аустенитного зерна. [c.37] Сведения об охрупчивающем действии фосфора и его аналогов и зернограиичной сегрегации этих примесей при развитии хрупкости получены также в результате исследования сплавов Ре — М , Ре — Сг, Ре - Мп [3,15] и других. [c.37] Таков же характер влияния фосфора на охрупчивание при медленном охлаждении и для более легированной Сг — N1 — Мо — V стали 15Х2НМФА [2]. Сталь с 0,003 % Р не обнаруживает никаких признаков охрупчивания во всем интервале скоростей охлаждения (см. рис. 1), в то время как в сталях с 0,010 и 0,014 % Р отпускная хрупкость развивается в значительной степени, и при скорости охлаждения 2,5—5°С/ч повышение температуры хрупко-вязкого перехода достигает соответственно 50 и 75°С. [c.38] Такое влияние фосфора на охрупчивание стали при медленном охлаждении коррелирует с его воздействием на развитие хрупкости при изотермических выдержках. Это можно видеть, например, из сравнения данных по изотермическому охрупчиванию тех плавок стали 15Х2НМФА (с различным содержанием фосфора), для которых на рис. 1 приведены результаты исследования охрупчивания при медленном охлаждении. [c.38] Результаты определения критической температуры хрупкости этих сталей (предварительно стабилизированных длительным высоким отпуском) после изотермических выдержек длительностью до 3000 ч при температурах 400—550°С показали [21, что чистая сталь (плавка с 0,003 % Р) практически не охрупчивается во всем интервале температур даже при максимальной продолжительности изотермических выдержек. Отпускная хрупкость плавки, содержащей 0,010 % Р, развивается в тех же условиях весьма заметно (рис. 2, а) повышение температуры хрупко-вязкого перехода достигает при температуре максимального охрупчивания значения ЛГ =80°С, Наблюдаемое охрупчивание и полученные закономерности влияния на него фосфора можно с уверенностью отнести к классическим проявлениям обратимой отпускной хрупкости, поскольку повышение температуры хрупко вязкого перехода не сопровождается какими-либо статистически значимыми изменениями структурно-чувствительных свойств коэрцитивной силы, твердости, предела текучести однако при этом повь(шается травимость зерен пикриновой кислотой, увеличивается доля межзеренного хрупкого разрушения в изломе, наблюдается высокотемпературная обратимость [2]. Показано также, что охрупчиванию этой стали соответствует сегрегация фосфора по границам зфен, определенная методами внутреннего трения [22] и Оже-электронной спектроскопии [45]. [c.38] Суммируя основные результаты исследований, в которых наряду с охрупчиванием различных сталей изучали сопутствующее развитию обратимой хрупкости обогащение границ зерен примесями (фосфором, сурьмой, оловом, мышьяком), можно заключить следующее. [c.39] Использование методов Оже-электронной, рентгеновской фотоэлектронной и ионной спектроскопии, внутреннего трения, микрорентгено-спектрального анализа параллельных направлению электронного пучка границ зерен и других методов позволило получить количественные данные о параметрах зернограничной сегрегации примесей, в том числе концентрации их на границах зерен, глубине обогащенной зоны, концентрационном профиле и кинетике обогащения, энергии связи примесей с границами зерен. [c.39] Линейные зависимости такого рода [АТ С ) известны для зернограничной сегрегации фосфора [5, 44, 51—54, 300], сурьмы [14, 24, 31, 44], олова [5, 44]. На рис. 7 приведены примеры, подтверждающие справедливость таких зависимостей для различных примесных элементов в хромоникелевых сталях. [c.40] Кинетика обогащения границ зерен примесями (рис. 8) аналогична кинетике развития отпускной хрупкости она монотонна, и характер кинетических зависимостей зернограничной сегрегации (скорость роста, тенденция к насыщению и т.д. в основном повторяет характер кинетических зависимостей охрупчивания [31, 49, 51, 55]. Определение концентрации примесей на границах зерен в сталях, подвергнутых после охрупчивания повторному высокому отпуску, показало [31, 50, 51], что обратимости охрупчивания соответствует и обратимость зернограничной сегрегации примесей обогащение границ примесями, даже весьма значительное в охрупченном состоянии, исчезает после повторного высокого отпуска. [c.40] Имеются доказательства того, что в а-области обогащаются границы не только бывших аустенитных зерен, но и новые границы типа феррит — феррит, образовавшиеся при стабилизирующем отпуске, т.е. фактически все большеугловые границы [31, 56]. Наиболее убедительно это следует из данных об интеркристаллитном охрупчивании и сегрегации примесей на границах зерен в сталях, структура которых после закалки из 7-области была практически полностью рекристаллизована в процессе длительного высокого отпуска [56], т.е. при последующей охрупчивающей обработке границы бывших аустенитных зерен уже не существовали, а имелись только границы феррит — феррит. Не менее убедительны и уже упомянутые данные [3] о развитии обратимой отпускной хрупкости и зернограничной сегрегации фосфора в сплаве Ре — 81, представляющем собой феррит как в области высокотемпературного нагрева при предварительной обработке, так и в области изотермических выдержек при охрупчивающей обработке. [c.41] При наличии обогащенных границ обоих типов (бывших аустенитных и ферритных зерен) трещина при межзеренном разрушений предпочтительнее проходит по бывшим аустенитным границам вследствие меньшей энергоемкости такого разрушения, обусловленной меньшим количеством изменений направления в развитии трещины и большей длиной прямых участков по сравнению с более мелкими ферритными зернами. Именно этим, а не преимущественным обогащением в 7-области объясняется наблюдаемое обычно разрушение стали в состоянии отпускной хрупкости по границам бывших аустенитных зерен [31]. [c.41] Именно поэтому данные о сегрегации примесей по границам зерен в аустенитной области привлекают, как правило, только для трактовки таких явлений как необратимая отпускная хрупкость [57—59] и задержанное разрушение [60—62], в случае которых стали не подвергаются высокому отпуску и образовавшееся при нагреве под закалку распределение примесей не изменяется. [c.42] Получен ряд результатов, позволяющих судить о природе зернограничной сегрегации примесей. В первую очередь это относится к определению концентрационного профиля сегрегации. Использование послойного ионного травления в совокупности с методами Оже-спектроско-пии показало [31, 32, 48, 51], что обогащение границ зерен примеснь -ми атомами, значительное на поверхности межзеренного излома, бы стро уменьшается при удалении от нее и на глубине, не превышающей, как правило, десяти атомных слоев, концентрация примеси уменьшается до значений, соответствующих концентрации в теле зерна (рис. 9). Значительная часть избыточной концентрации примеси сосредоточена в ближайших к поверхности межзеренного излома двух-трех атомных слоях. [c.42] Такое распределение примесных атомов в обогащенной приграничной зоне свидетельствует о равновесном характере сегрегации, т е. об ее адсорбционной природе. [c.42] В отличие от этого, неравновесная сегрегация не определяется равенством химических потенциалов примеси на поверхности раздела и в объемной фазе. Она возникает в результате переходных процессов от одних состояний системы к другим, а уровень неравновесной сегрегации не сохраняется в течение длительных выдержек при данной температуре после завершения переходного процесса в системе установится (в течение времени, зависящего от диффузионной подвижности атомов примеси) равновесное обогащение, которое может значительно отличаться от предшествующего неравновесного уровня. [c.43] Вернуться к основной статье