Введение к работе
Актуальность темы. Одной из актуальных задач физики прочности и пластичности является установление природы различных видов хрупкости сталей, в том числе проявляющихся при высоких температурах. Настоящая работа посвящена наименее изученным видам высокотемпературной хрупкости, а именно, охрупчиванию в среднетемпе-ратурной аустенитной области (700-1000С), а также при околосолидусных температурах. Первый вид охрупчивания состоит в резком снижении характеристик пластичности при охлаждении до температур ниже 1000С. При этом, в результате развития охрупчивающих процессов на границах зерен, на температурной зависимости пластических свойств формируется провал пластичности с минимумом величины относительного сужения 41 вблизи температуры 800С. Охрупчивание при околосолидусных температурах проявляется в катастрофическом снижении характеристик механических свойств при температурах, находящихся, как правило, на 40-70С ниже расчетной температуры со-лидуса. При этом снижение механических свойств происходит в узком температурном промежутке, ширина которого не превышает 10С. По аналогии с низкотемпературной хрупкостью (хладноломкостью), данное явление получило название вязко-хрупкого перехода при околосолидусных температурах и характеризуется температурой перехода Тв/х, при которой величина Ф принимает нулевое значение. Разрушение образцов при нагреве до Т > Тв/х> в отличие от известного явления ТИХ (температурный интервал хрупкости при охлаждении из жидкого состояния), развивается по границам зерен, тогда как в интервале ТИХ - по границам дендритов.
Важность изучения природы высокотемпературной хрупкости определяется тем, что с охрупчиванием в указанных интервалах связано появление поверхностных и внутренних трещин при непрерывной разливке, сварке и других технологических операциях, предусматривающих применение высокотемпературного нагрева. При этом необходимо изучение влияния таких факторов, как термомеханическая предыстория (предварительная деформация, отжиг), химический состав (примеси) и других. Недостаточно изученным является также вопрос о механизме разрушения, особенно при околосолидусных температурах. Изучение указанных вопросов, имеющих важное значение для понимания природы высокотемпературной хрупкости сталей, является основной целью настоящей работы.
- 'і. -
Научная новизна.
-
Впервые изучено совместное влияние примесей серы и алюминия на охрупчивание границ зерен в интервале 700-1000С. Показана принципиальная возможность устранения высокотемпературной хрупкости низколегированных магранцовистых сталей за счет снижения содержания указанных примесей до уровня < 0,005.
-
Впервые проведено комплексное исследование природы вязко-хрупкого перехода при околосолидусных температурах, включающее изучение влияния термомеханической предыстории, химического состава сталей (примесей), среды испытаний, механизма разрушения. Исследования выполнены на низколегированных сталях технической чистоты, повышенной, а также особовысокой степени чистоты с. суммарным содержанием примесей < 0,005%.
-
Показано, что охрупчивание при околосолидусных температурах не является "природным свойством" материала, а определяется наличием примесных элементов, главным образом S и Р, а также загрязненностью , среды испытаний кислородом. Загрязнение кислородом приводит к насыщению границ зерен этим элементом, вызывая понижение температуры вязко-хрупкого перехода.
4. Охрупчивание при околосолидусных температурах обусловлено локальным образованием жидкой фазы.в местах зернограничных стыков, обогащенных примесными элементами. Появление жидкой фазы сопровождается образованием вдоль стыков зерен протяженных трубчатых пор, играющих роль зародышевых трещин. Показано, что источниками жидкой фазы могут быть как легкоплавкие, так и тугоплавкие неметаллические включения. Практическая значимость.
-
Показана возможность значительного подавления высокотемпературной хрупкости низколегированных сталей за счет предварительной высокотемпературной деформации (Тд = 1100С), а также предварительного высокотемпературного отжига в условиях вакуума.
-
Обнаружен эффект дополнительного охрупчивания границ зерен под влиянием небольших пластических деформаций (Тд * 800С), который необходимо учитывать в практике термической обработки, сварки, горячей пластической деформации, непрерывной разливки сталей.
. 3. Предложена эмпирическая зависимость температуры вязко-хрупкого перехода Тв/х от содержания в стали элементов С, S,
- b -
P, Kin, Si, позволяющая прогнозировать изменение температуры вязко-хрупкого перехода.
А. Показано, что температура оплавления границ зерен в инструментальных вольфрам-молибденовых сталях (сталь Р6М5) может совпадать с принятым на практике интервалом температур нагрева под закалку, что необходимо учитывать при термической обработке инструментальных сталей.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы доложены на Республиканском семинаре "Термическая обработка и свойства конструкционных сталей" (Киев, 1988); 1-ой конференции молодых ученых ФТИ (Ижевск, 1988); Всесоюзной конференции "Фазовые и структурные превращения в сталях", посвященной памяти академика В.Д.Садовского (Екатеринбург, 1992); VIII Международной конференции по разрушению материалов (Киев, 1993); 1-ой и 2-ой Российских университетско-академических научно-практических конференциях (Ижевск, 1993; Ижевск, 1995); XIV Международной конференции по физике прочности и пластичности материалов (Самара, 1995); третьем Собрании металловедов России (Рязань, 1996).
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической главы, двух глав, содержащих результаты исследований, заключения и списка литературы (123 наименования). Работа изложена на 179 страницах, содержит 99 рисунков и 13 таблиц.
