Стали в деформированном состоянии
○ -07Х7АГ32
⌂ - 07Х5Г25
ᵕ - 07Х6Г28Н3Ф
□ -7Х13АГ28
≥ 07Х13АГ20
≤ - 07Х13Н9Г19АМ2
Термообработка оказывает наиболее весомое влияние на пластические и вязкие свойства. Характерными наблюдаемыми случаями были либо значительный рост пластичности и ударной вязкости с повышением температурой закалки или наличие максимума в области 1000-1100оС, либо незначительно изменяющиеся с ростом температуры закалки, но высокое значение KCV. Для сталей с азотом и ванадием обнаруживались невысокие по сравнению со сталями без них практически одинаковые пластичность и вязкость независимо от температуры закалки. Одновременному повышению пластичности и вязкости в сталях с дендритной структурой и измельченной структурой соответствовало уменьшение темных ликвационных пятен и увеличение светлого основного металла.
Таким образом, ни уменьшение размера дендритной структуры, ни ее полное устранение в результате легирования или деформации или снижение влияния неравномерно распределившихся примесей при закалке не приводит к критическому падению вязких и пластических свойств. Только при температурах ниже 77К прослеживается тенденция к усилению ее воздействия на пластичность и вязкость.
Очевидно, что дендритная структура оказывает негативное влияние в основном при неблагоприятном расположении неметаллических включений или ликватов. Скорее всего, ее вредное влияние связано с тем, что у высокопластичных аустенитных сталей переход в высокопрочное состояние, характеризующееся значительной жесткостью напряженного состояния, происходит, как правило, в области температур 77-20К, что резко увеличивает склонность сталей с грубой литой структурой к хрупкому разрушению.
Рост пластических свойств, характерный для известных сталей, полученных литьем с высокой скоростью кристаллизации, также не приводил к росту вязкости аустенитных сталей. Из литературы известно, что возрастание вязкости с ростом скорости охлаждения происходит в результате измельчения зерна и более благоприятного распределения примесей, однако, эти данные приводятся для сталей других классов. Более мелкая дендритная структура аустенитных Cr-Mn сталей не приводила к ожидаемому росту ударной вязкости, что связано, очевидно, с большей скоростью ликвации легколиквирующих газов по сравнению со скоростью продвижения фронта кристаллизации.
ВЛИЯНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЕЙ
Известно, что значительное влияние на хладноломкость литой стали оказывают неметаллические включения. В литературе в качестве основных отрицательных факторов указываются особенности расположения включений в структуре (по границам дендритов, строчками и т.д.), а также особенности влияния различных характеристик самих включений (форма, размеры и пр.). Их влияние с изменением температуры, как правило, усиливается.
Нами были исследованы основные характеристики неметаллических включений в литых аустенитных Cr-Mn сталях и наиболее известной стали 12Х18Н10ТЛ при помощи анализа изломов травленных и нетравленых шлифов. Характеристики включений (химический состав, форма, размер и пр.) были определены микрорентгеноспектральным, электронографическим и металлографическим методами.
Основными включениями исследованных сталей являлись оксиды, карбонитриды, корунды и алюмосиликаты. Микрорентгеноспектральным и электронографическим методами установлено, что практически все сульфидные включения содержали оксидную или карбидную фазу. Чисто сульфидных включений железа пленочного типа, являющихся наиболее опасными, на поверхности излома не обнаружено за исключением стали 12Х18Н10ТЛ. По-видимому, карбиды и оксиды являлись центрами осаждения сульфидной фазы. Несмотря на преимущественное расположение алюмосиликатов и карбонитридов (в сталях с ванадием) в межосных участках, они не способствовали охрупчиванию сталей.
Свыше 90% исследованных включений сдержали железо, хром и марганец, что свидетельствует о хорошей когерентности кристаллических решеток основного металла и включений. С понижением температуры испытания число включений в изломах, содержащих основные легирующие элементы (Cr, Mn, Fe, V), раскислители (Al, Si) и примеси (S) в изломе не изменялось. Число определенных видов включений, видимых в изломе (оксисульфиды, карбонитриды, корунды и др.) также было примерно одинаково и не зависело от температуры испытаний. Таким образом, химический состав включений не влиял на характеристики зерна.
Очевидно, на характер разрушения больше влияют форма и расположение включений. Влияние включений на характер разрушения оценивали сравнением числа включений на шлифах и изломах. Для учета влияния различных размерных групп включений исследовали шлифы и изломы при последовательных увеличениях.
Сопоставление числа включений на шлифах и изломах показало, что на хрупких изломах количество частиц было почти равно или незначительно выше, чем на шлифах для всех сталей. Соотношение числа частиц в хрупком изломе в литом состоянии и после закалки изменялось незначительно и определялось изменением рельефа хрупкого излома. Сравнение различных размерных групп включений в шлифах и хрупких изломах не выявило заметных различий при всех увеличениях при комнатной и криогенных температурах. Таким образом, количество видимых в изломе включений определялось не способностью включений к зарождению и развитию хрупкого разрушения, а рельефом поверхности и условиями прохождения трещины.
Анализ более 190 микрофотографий изломов не выявил практически ни одного случая, когда бы хрупкая трещина начиналась исключительно от включений или распространялась от включения и далее бы переходила в вязкое течение. Хрупкая трещина проходила неметаллические включения, не изменяя своего направления от частицы к частице. При этом около включений могли образовываться мелкие ямки или пластически продеформированные участки. По-видимому, в пластичных сталях в отличие от высокопрочных, неметаллические включения способны быть релаксаторами напряжений за счет реализации пластической деформации задолго до подхода трещины. Таким образом, неметаллические включения не способствуют образованию хрупкого излома. Хрупкая трещина распространяется не по включениям, а по плоскостям скола, независимо от наличия неметаллических частиц.
Иным было влияние неметаллических включений на вязкий излом. В фокусе хорошо выраженных ямок, как правило, обнаруживались частицы или их следы. Сопоставление ямок различных размеров с включениями, расположение которых в ямке позволяло идентифицировать их как зародыш димпла, показало, что включения могли быть зародышами ямок всех размеров при комнатной и криогенных температурах. С увеличением размера ямки вероятность ее зарождения на включении увеличивалась, при этом практическим все димплы, размером свыше 25мкм зарождались на частицах при комнатной температуре, а размером не ниже 20мкм при криогенных.
При сравнении частот появления включений различных размерных групп в структуре и вязком изломе опытных сталей обнаружено, что зависимости распределения частиц в них различны, рис.5.
Рис. 5. Частота появления неметаллических включений различных размерных групп в структуре (1) и вязком изломе (2)
С увеличением размера включений частота появления их в структуре монотонно убывает. При этом она близка к гиперболической зависимости. В вязком изломе распределение частиц по размерам, характеризуется максимумом в области включений с размером 2-8 мкм и далее монотонно убывает, как при комнатной температуре, так и при криогенных температурах. Отсюда можно заключить, что в образовании вязкого излома в сталях с равной вероятностью участвуют не все включения, а только включения определенных размерных групп.
Влияние различных видов частиц на степень развития вязкого разрушения оценивали при сравнении химического состава, размера (dнв) и формы (фф) неметаллических включений с размером ямки, который они вызывают при различных температурах испытаний. Форму включений оценивали соотношением максимальной и минимальной протяженности самих включений.
Анализ показал, что все виды включений приводят к развитию вязкого разрушения. С повышением размера включения размер вызываемой им ямки увеличивается. Для большинства частиц наиболее вероятный размер ямки, который они вызывают, составляет 5-40 мкм. Выделить соответствующие области для карбидных, оксидных, силикатных и других включений при различных температурах испытаний, однако, не удалось. Химический состав включений играл меньшую роль по сравнению с их другими характеристиками.
Сопоставление размеров ямок и диаметра включений, которое их вызывает при различных температурах испытаний, показало, что с увеличением диаметра включений большую часть видимой ямки занимает не зона пластически продеформировавшихся стенок ямок, а само включение, рис.6.
dя
dя/dнв
Рис. 6. Зависимость диаметра вязкой ямки (dя) от пластической деформации, претерпеваемой ямкой, зародившейся на включении
При примерно одинаковых размерах ямок и включений на фрактограммах наблюдаются ямки отрыва независимо от величины включений. При низком размере включения степень пластического течения, которое претерпевает ямка до слияния с другими ямками, велика, однако сам размер ямки при этом мал (dя<7мкм).
Таким образом, для крупных включений размер образуемой ими ямки приближается к размеру включения, а для малых включений размер ямки, образовавшейся на них, незначителен. В обоих случаях степень пластической деформации, претерпеваемой ямкой, мала. Наиболее часто характерные для сталей вязкие ямки размером 10-40мкм обнаруживались при размере включений 2-8 мкм.
Вслед за размером включения сильное влияние на микроразрушение оказывает его форма. Форму включения можно оценить при помощи известных методик определения форм-фактора, как отношение максимального и минимального размера включений. Сравнение форм-фактора с размером ямки для конкретных включений показало, что с увеличением асимметрии включений происходит как уменьшение размера ямки (dя), так и степени пластической деформации ямки по сравнению с включением, которое ее вызвало (dя\dнв) независимо от состава включения и температуры испытаний.
Сферические, глобулярные и прямоугольные частицы с низким значением форм-фактора (с\а=фф=1,0-1,25) могли обнаруживаться и в малых и в больших ямках. С увеличением вытянутости включения размер вызываемой ими ямки уменьшается. Наиболее низкие значения (dя) и (dя\dнв) имеют вытянутые пластинчатые включения. Для получения высокой пластичности на участке микроразрушения форм-фактор частицы не должен превышать 1,5-1,75.
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ НА ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
При неравномерном распределении элементов и превышении предела растворимости ряда элементов с понижением температуры, они могут значительно охрупчивать сталь, рис. 7.
| |||||||
 | |||||||
| |||||||
| |||||||
| |||||||