При какой температуре сталь становится хрупкой
Обновлено: 04.05.2024
После длительного нагрева сталей в области определенных повышенных температур снижается их ударная вязкость. Это снижение может наступить при комнатной или несколько повышенной температуре, а у некоторых сталей и сплавов и при рабочей температуре.
Снижение ударной вязкости стали после длительного воздействия повышенной температуры называется тепловой хрупкостью.
Температурные условия, скорость и степень развития тепловой хрупкости зависят от химического состава и термической обработки стали, т. е. от стабильности и характера структуры.
У перлитных сталей развитие тепловой хрупкости наблюдается при более низкой температуре, чем у аустенитных сталей или сплавов.
Скорость развития тепловой хрупкости связана с характером процессов, которые ее вызывают. Если тепловая хрупкость стали обусловлена структурными изменениями, связанными с такими элементами внедрения, как углерод и азот, скорость диффузии которых в твердом растворе относительно велика, то развитие тепловой хрупкости идет с большей скоростью и протекает за более короткий промежуток времени.
Во всех случаях тепловая хрупкость стали до определенного предела развивается тем больше, чем выше температура (в пределах температурного интервала развития хрупкости) и длительнее температурное воздействие. Пластическая деформация в условиях ползучести также во многих случаях оказывает ускоряющее влияние на процессы развития тепловой хрупкости, особенно в случае распада твердого раствора с выделением упрочняющих фаз.
Снижение ударной вязкости в результате развития тепловой хрупкости у перлитных сталей не сопровождается изменением прочностных и пластических свойств. У аустенитных сталей наблюдается одновременное снижение ударной вязкости и пластичности.
Степень изменения пластических и прочностных характеристик стали при развитии тепловой хрупкости зависит от состава и класса стали, т. е. от характера и степени структурных изменений, протекающих в условиях длительной выдержки при повышенных температурах.
Меньшую чувствительность к тепловой хрупкости имеют относительно более структурно-стабильные стали и, наоборот, стали, у которых структура менее устойчива к температурному воздействию, обладают повышенной чувствительностью к тепловой хрупкости.
B результате развития тепловой хрупкости ударная вязкость снижается до определенного для каждой стали минимального предела, после чего более длительное температурное воздействие либо не изменяет ударной вязкости стали, либо несколько ее увеличивает.
Поскольку все стали в большей или меньшей степени чувствительны к тепловой хрупкости, необходимо, чтобы в результате максимального развития тепловой хрупкости сталь имела достаточную для безопасной службы ударную вязкость.
В настоящее время на основании обширных экспериментальных данных считают, что между тепловой и отпускной хрупкостью перлитных сталей нет принципиального различия. Природа тепловой и отпускной хрупкости одинакова, примерно одинаковы и особенности развития процесса этих видов хрупкости стали. Известно, что отпускная хрупкость наблюдается не только у закаленной и отпущенной стали, а также и у предварительно нормализованной или отожженной стали, причем в последнем случае наблюдается только лишь меньшая чувствительность стали к отпускной хрупкости.
Общность процессов тепловой и отпускной хрупкости перлитных сталей выражается в следующем:
1. Процессы развития хрупкости протекают в том же температурном интервале и, как правило, у сталей одних и тех же марок, причем длительность температурного воздействия сказывается на снижении температуры развития хрупкости.
2. Кроме ударной вязкости, другие механические свойства, в том числе удлинение и сужение, не изменяются сколько-нибудь заметно.
3. Чувствительность стали к хрупкости определяется химическим составом и, прежде всего, легирующими элементами и примесями (фосфор, азот), а не углеродом.
4. Легирование сталей умеренным количеством молибдена или вольфрама снижает чувствительность их к хрупкости, причем вольфрам действует слабее молибдена.
5. Тепловая и отпускная хрупкость – обратимый процесс структурного изменения, может быть устранена нагревом стали выше 600–650°С, с последующим ускоренным охлаждением.
6. Хрупкость возникает поя длительном воздействии температуры как в ненапряженном, так и в напряженном состоянии.
Предварительная холодная пластическая деформация снижает чувствительность к развитию хрупкости, а холодная деформация стали в состоянии развития хрупкости приводит к повышению ударной вязкости.
Стали аустенитного класса также подвержены тепловой хрупкости, причем, в отличие от перлитных сталей, проявление тепловой хрупкости в сталях аустенитного класса сопровождается заметными изменениями других механических свойств.
Причиной тепловой хрупкости аустенитных сталей является образование новых фаз в результате распада пересыщенного твердого раствора, в частности, карбидной фазы, которые преимущественно выделяются по границам зерен. Чувствительность аустенитных сталей к тепловой хрупкости определяется их химическим составом, т. е. степенью стабильности структуры и главным образом содержанием элементов, имеющих ограниченную растворимость в твердом растворе и способных образовывать в результате длительного воздействия температуры новые фазы.
Температура закалки аустенитных сталей, в которых углерод не стабилизирован специальными добавками титана или ниобия, не должна быть высокой во избежание выделения карбидов по границам зерен в процессе работы при повышенных температурах (или при стабилизирующем отпуске) и значительного снижения ударной вязкости. Аустенитные стали, стабилизированные ниобием или титаном, имеют малую чувствительность к тепловой хрупкости.
Отпускная хрупкость
Отпускная хрупкость присуща многим сталям. Сталь в состоянии отпускной хрупкости характеризуется низкой ударной вязкостью. На других механических свойствах при комнатной температуре состояние отпускной хрупкости практически не сказывается.
На рисунке схематично показано влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали, в сильной степени склонной к отпускной хрупкости. Во многих легированных сталях наблюдаются два температурных интервала отпускной хрупкости. При отпуске в интервале 250 — 400 °С возникает необратимая, а в интервале 450 — 650 °С — обратимая отпускная хрупкость.
Влияние температуры отпуска на ударную вязкость стали
Влияние температуры отпуска на ударную вязкость стали с высокой склонностью к отпускной хрупкости (схема):
1 — быстрое охлаждение в воде или масле;
2 — медленное охлаждение на воздухе или с печью.
Ударная вязкость закаленной стали после отпуска в интервале 250 — 400 °С меньше, чем после отпуска при температурах ниже 250 °С. Если хрупкую сталь, отпущенную при 250 — 400 °С, нагреть выше 400 °С и перевести в вязкое состояние, то повторный отпуск в интервале 250 — 400 °С не возвращает сталь в хрупкое состояние. Скорость охлаждения с температур отпуска в интервале 250 — 400 °С не влияет на ударную вязкость.
Сталь в состоянии необратимой отпускной хрупкости имеет блестящий межкристаллитный излом по границам бывших аустенитных зерен. Эта хрупкость свойственна в той или иной мере всем сталям, в том числе и углеродистым. Поэтому средний отпуск стали, как правило, не используют, хотя он и обеспечивает высокий предел текучести.
Причиной необратимой отпускной хрупкости считают карбидообразование при распаде мартенсита, в частности выделение карбида в виде пленки по границам зерен. Эта пленка при более высоких температурах отпуска исчезает, а при повторном нагреве до 250 — 400 °С не восстанавливается. Кремний в малолегированных сталях, задерживая распад мартенсита, устраняет необратимую отпускную хрупкость.
Ударная вязкость многих сортов легированной стали после высокого отпуска при 450 — 650 °С зависит от скорости охлаждения с температуры отпуска. При быстром охлаждении с температуры высокого отпуска (в воде или масле) повышение температуры отпуска в интервале 450 — 650 °С приводит к нормальному росту ударной вязкости (какой наблюдается у углеродистой стали при любой скорости охлаждения).
После медленного охлаждения с температуры отпуска в интервале 450 — 650 °С (с печью или на воздухе) ударная вязкость многих сортов легированной стали оказывается более низкой, чем после быстрого охлаждения. Сталь в состоянии обратимой хрупкости имеет межкристаллитный излом по границам исходных аустенитных зерен.
Отпускную хрупкость, возникшую из-за медленного охлаждения при высоком отпуске, можно устранить повторным высоким отпуском, но с быстрым охлаждением. Ударную вязкость можно вновь снизить, проведя новый высокий отпуск с медленным охлаждением. Вследствие чередования повышения и понижения ударной вязкости при повторных нагревах с разной скоростью охлаждения отпускная хрупкость, возникающая после отпуска в интервале 450 — 650 °С, называется обратимой.
На восприимчивость стали к отпускной хрупкости большое влияние оказывает химический состав. Углеродистая сталь во время испытаний на ударный изгиб при комнатной температуре нечувствительна к скорости охлаждения после высокого отпуска. Фосфор, сурьма, мышьяк и марганец наиболее активно вызывают отпускную хрупкость, а хром действует слабее.
Хромистые стали без других добавок маловосприимчивы к отпускной хрупкости. Введение в хромистую сталь добавок марганца, кремния и никеля резко повышает ее восприимчивость к отпускной хрупкости. Один никель не вызывает отпускной хрупкости, но при совместном присутствии в стали никеля и хрома или никеля и марганца отпускная хрупкость выражена особенно сильно.
Молибден и вольфрам уменьшают склонность стали к отпускной хрупкости. Особенно эффективен в этом отношении молибден, полезное действие которого проявляется уже при концентрации его 0,2%.
Так как конструкционные стали для ответственных изделий подвергают улучшению, то обратимая отпускная хрупкость является серьезной проблемой. О причинах обратимой хрупкости сушествуют различные мнения.
Длительное время большая часть исследователей придерживалась гипотезы «растворения — выделения», согласно которой ударная вязкость падает из-за выделения по границам зерен каких-то фаз (карбидов, фосфидов или др.). При нагревании стали до температуры высокого отпуска эти фазы переходят в α-раствор, а при медленном охлаждении они выделяются из него и сталь становится хрупкой.
Быстрое охлаждение с температуры высокого отпуска предотвращает выделение фаз, понижающих хрупкую прочность. Гипотеза «растворения — выделения» объясняет обратимость отпускной хрупкости.
Применение специальных реактивов приводит к растравливанию границ исходного аустенитного зерна в стали, находящейся в состоянии обратимой отпускной хрупкости. Пониженная химическая стойкость границ зерен в хрупкой стали подтверждает, что при медленном охлаждении с температуры высокого отпуска действительно на границах зерен происходят какие-то структурные изменения.
Они вызывают снижение ударной вязкости, но практически не сказываются на других механических характеристиках, измеряемых при комнатной температуре.
Объясняется это тем, что ударная вязкость — в высшей степени структурно чувствительное свойство, особенно чувствительное к состоянию границ зерен.
Л. М. Утевский утверждает, что обратимая отпускная хрупкость обусловлена не выделением новой фазы, а лишь изменением состава раствора вблизи границ зерен. Так, обогащение приграничных зол фосфором, снижающим работу образования межзеренных трещин, приводит к развитию отпускной хрупкости.
Практические меры борьбы с обратимой отпускной хрупкостью — быстрое охлаждение с температуры отпуска (в воде или масле) и легирование стали молибденом или вольфрамом.
При какой температуре сталь становится хрупкой
Хрупкое разрушение стальных конструкций наблюдается особенно часто при низких температурах. Упомянутые выше случаи разрушения резервуаров а судов происходили при температурах ниже нуля. В условиях крайнего севера, где металлические конструкции и механизмы работаюг зачастую при температурах —40° и —50°, хрупкие разрушения, особенно часты, и проектирование сооружений, работающих в этих условиях, требует особого внимания. Явление хрупкости стали при низких температурах получило название хладноломкости. Схематическое объяснение хладноломкости может быть следующее (А. Ф. Иоффе, 1924 г.). Пластические свойства металла в сильной степени зависят от температуры, предел текучести с понижением температуры повышается. В то же время сопротивление отрыву практически не зависит от температуры. Поэтому при низких температурах условия перехода от хрупкого разрушения к пластическому меняются и отрыв становится возможным прежде, чем наступит пластическое состояние. В частности, и при растяжении может случиться, что образец разорвется прежде, чем появятся пластические деформации. Не у всех металлов оказывается возможным получить хрупкое разрушение при растяжении за счет понижения температуры; металлы с гранецентрированной решеткой сохраняют пластические свойства при весьма низких температурах, среднеуглеродистая сталь, весьма пластичная в обычных условиях, становится хрупкой при растяжении лишь при температуре жидкого водорода. При динамическом деформировании, предел текучести оказывается выше, чем при статическом, поэтому критическая температура хладноломкости, то есть температура перехода от вязкого разрушения к хрупкому, повышается. В опытах Давидеикова Н. Н. (1936 г.), который испытывал на ударное растяжение цилиндрические образцы из среднеуглеродистой стали, критическая температура получилась —95° для крупнозернистой структуры и — 160° для мелкозернистой. При сложном напряженном состоянии, например в месте концентрации напряжений, условия перехода от пластического разрушения к хрупкому будут другими и критическая температура, определенная в этих условиях, отличается от критической температуры, найденной путем испытания гладких образцов на растяжение. В настоящее время не существует теории, которая позволяла бы надежным образом производить расчеты на прочность в условиях низких температур с тем, чтобы предусматривать возможность хрупкого разрушения, однако надлежащий выбор, материалов и соблюдение некоторых конструктивных и технологических предосторожностей позволяют избежать хладноломкости.
Для нахождения критической температуры хладноломкости стремятся создать такие условия, при которых склонность к хрупкому разрушению проявляется наиболее сильно. Стандартным методом испытаний для этого в настоящее время является испытание на ударную вязкость. Термин «ударная вязкость» в данном случае не очень удачен, определяемая характеристика не имеет ничего общего с физической вязкостью. Образец для этого испытания изображен на рис. 271, сечение его квадратное, с одной стороны сделай надрез.
Образец располагается симметрично на двух опорах так, что на опорах лежит надрезанная сторона, по противоположной стороне, прямо против надреза, производится удар. Копер представляет собою маятник, падающий с известной высоты. Отмечается та высота, с которой упал маятник, а также та высота, которую достигнет его центр тяжести после того, как образец разрушен. Разность этих высот, умноженная на вес маятника, представляет собою затраченную на разрушение работу. Ударной вязкостью и называется работа разрушения, отнесенная к площади сечения образца в месте надреза. Этой величине трудно приписать какое-то определенное физическое значение, это есть некоторая условная характеристика, которая, как оказывается, чрезвычайно чувствительна к способности материала к хрупкому разрушению. Пониженная величина ударной вязкости иногда обнаруживается у материалов, для которых обычные механические характеристики — временное сопротивление и удлинение при разрыве — не выходят за пределы нормы. Однако при сложном напряженном состоянии изделия из таких материалов иногда дают хрупкое разрушение. Поэтому испытание на ударную вязкость является обязательным, например, для поковок роторов турбин и турбогенераторов.
Величина ударной вязкости позволяет выявить склонность к хладноломкости раньше, чем другие методы. На рис. 272 приведена типичная кривая зависимости ударной вязкости от температуры (Е. М. Шевандин). Как видно, с понижением температуры ударная вязкость снижается, сначала постепенно, а потом внезапно, скачком, достигая чрезвычайно низкой величины. Соответствующая температура называется критической температурой хладноломкости. Описанный метод оценки склонности стали к хладноломкости был детально разработан Н. Н. Давиденковым, Ф. Ф. Витманом и другими. Условия, в которых разрушается образец при испытании на ударную вязкость, являются настолько тяжелыми, что для реальных металлических конструкций при температурах, превышающих критическую, опасность хрупкого разрушения не возникает.
Установлено, что содержание фосфора, серы, кислорода, азота и некоторых других примесей чрезвычайно неблагоприятно влияет на прочность стали при низких температурах. Для крупнозернистой стали критическая температура хладноломкости оказывается выше, чем для мелкозернистой, поэтому отжиг оказывает неблагоприятное действие. Нормализация или закалка с высоким отпуском повышает хладностойкость. В конструкциях, предназначенных для службы при низких температурах, следует избегать концентраторов напряжений, а также принимать меры к устранению остаточных напряжений, которые появляются, например, в результате сварки.
Твердость и хрупкость: две стороны ножевой стали
Между твердостью стали и ее хрупкостью есть прямая взаимосвязь. Чтобы разобраться, сначала следует уяснить для себя верную терминологию.
Мы говорим о твердости, когда сталь невозможно чем-либо поцарапать (разве только алмазом, с помощью которого мы и точим стальные ножи). Но этого качества недостаточно, если у ножа нет прочности – сталь с экстремально высоким показателем твердости может разбиться от легкого удара. Это и есть хрупкость.
Почему сталь становится хрупкой
Хрупкость возникает, во-первых, когда сталь перекалена: хотя она и приобретает высокую твердость, но при этом становится уязвима и может треснуть от удара.
Некоторые легирующие элементы, такие как хром или ванадий, опять-таки повышают твердость стали и снижают ее прочность.
Сама по себе любая сталь является сплавом железа с углеродом и некоторым количеством легирующих элементов, призванных улучшать свойства сплава. Если в железе преобладает углерод, мы называем сталь углеродистой; если в значительном количестве присутствуют легирующие присадки, мы называем ее легированной. А как же «нержавейка». А нержавейка, которую обычно противопоставляют углеродистой стали, это и есть одна из разновидностей легированных большим количеством хрома сталей. Например, если в сплаве более 13 % такого легирующего элемента, как хром, она и будет называться коррозионностойкой.
Стали, применяемые для изготовления режущих инструментов, должны обладать высокой износостойкостью, прочностью и достаточной вязкостью. Поэтому для изготовления ножевой инструментальной легированной стали часто, кроме хрома, вводят дорогие легирующие элементы (марганец, ванадий, молибден).
Как упрочнить сталь
Химические способы
Добавление в состав стали легирующих элементов способно упрочнить сталь. Например, многие японские стали содержат до 8 % молибдена, и это существенно повышает не только их прочность, но и вязкость, что делает сплавы с ним очень ценными.
Еще один способ повысить прочность и износостойкость стали – это добавление в сплав марганца: он делает структуру более мелкозернистой и прочной. Кроме этого, такой сплав лучше поддается заточке – чем более мелкие зерна у его структуры, тем более тонкую режущую кромку можно будет вывести и даже довести ее до бритвенной остроты.
Механический способ
Теперь, когда мы определились с составом сплава, мы можем перейти и к самому важному способу увеличения прочности стали – ее отпуску. Сделаем небольшое пояснение по этапам работы со сталью, чтобы была ясна разница между закалкой и отпуском.
Отпуск после закалки стали
После отжига и механической обработки заготовки сталь закаляется – подвергается нагреву до определенной температуры. Обычно называется цифра в 800 градусов, хотя для разных марок она, конечно, будет разной. При отсутствии оборудования оптимальная температура определяется по цвету, до которого раскаляется сталь при закалке: подходящим считается вишневый или алый цвет, иногда – желтый. Оттенки, близкие к белому, говорят о том, что температура перевалила за допустимую отметку и достигла как минимум 1 300 градусов. Если мы с определенной скоростью охладим нагретый под закалку сплав, то с ним можно работать – отпускать и повышать его прочность, а вот сплав, который перекалился, иногда нельзя спасти даже отпуском.
Заготовки из стали охлаждаются с заданной скоростью в различных охлаждающих средах: в растворе соли или масле. В чистой воде сталь охлаждать нельзя: скорость охлаждения будет слишком высока и на заготовке могут появиться трещины; соль, напротив, снижает скорость охлаждения, что добавляет клинку вязкости.
Теперь у нас есть очень твердая сталь, которую получится поцарапать только алмазом, а вот разбить мы ее сможем легко – у нее пока нет нужной прочности. Значит, нужно провести отпуск. Это практически та же закалка, только многократная и, что важно, имеющая куда более низкие температуры. Для изготовления ножей подходит низкотемпературный отпуск – до 250 градусов.
Охлаждается нож между подходами отпуска точно так же, как после закалки – в солевом растворе или масле.
Читайте также: