Файл: Сокол, И. Я. Двухфазные стали.pdf

По мнению авторов работы [109], гетерогенное об­ разование нитридных пластин связано с расщеплением полных дислокаций на частичные и движением послед­ них в плоскостях {110} и {112} о. ц. к. матрицы, причем этому способствует понижение энергии дефектов упаков­ ки вследствие присутствия атомов азота. Об этом сви­ детельствуют, в частности, особенности формы нитридов (изгибы, ступенчатость), чрезвычайно быстрый их рост (длина пластин достигает нескольких тысяч ангстрем при ширине несколько десятков ангстрем уже после 3—5 мин выдержки при 475° С), а также то, что на на­ чальных стадиях их образования дифракционный кон­ траст похож на контраст от дефектов укладки. Следует отметить, что между крупными пластинами нитридов при электронномикроскопическом исследовании обнару­ живаются мелкие равноосные выделения, свидетельст­ вующие о том, что часть азота выделяется гомогенно.

В случае резкой закалки в растворе щелочи высоко-

О

дисперсные [2,5—5 нм (25—50А)] когерентные части­ цы Cr2N обнаруживаются после 1 ч отпуска при 500° С. Они зарождаются гомогенно сразу по всему объему фер­ ритного зерна, что, по-видимому, обусловлено большей концентрацией атомов азота и высокотемпературных ва­ кансий в твердом растворе.

После закалки с температур ниже температуры рас­ творения нитридов, а также после удаления азота из хромистых сплавов в результате водородного отжига не наблюдалось быстрого изменения свойств при кратко­ временных выдержках образцов, при 475° С. В более по­ здней работе Н. Г. Шульга и др. [ПО, с. 55] исследовали пять плавок стали Х27 с различным содержанием азота от 0,0024 до 0,060%. По их данным, интенсивность и ско­ рость выделения игольчатых нитридов хрома в процес­ се отпуска при 480° С возрастают по мере увеличения содержания азота в твердом растворе (исходное со­ стояние— закалка в воде с 950° С — обеспечило полное растворение Cr2N в ферритной матрице). В сталях с 0,0024 и 0,0045% N электронномикроскопическое иссле­ дование не показало наличия нитридов даже после 650 ч выдержки, тогда как при 0,03% N игольчатые выделения

102

[90; ПО, с. 55], выделение нитридов хрома, сопровождающееся снижением удельного электросопротивления и ударной вязкости и повышением коэрцитивной силы, приводит к ускорению процесса расслоения железохро­ мистого феррита.

Таким образом, можно, по-видимому, считать, что первая (быстрая) стадия 475-градусной хрупкости вы­ сокохромистых сталей обусловлена гомогенным выделе­ нием высокодисперсных когерентных нитридных частиц типа O 2N, наличие которых может существенно уско­ рить вторую стадию процесса охрупчивания, связанную с разрывом растворимости a -твердого раствора в систе­ ме Fe—Сг при низких температурах.

2. Охрупчивание хромистых сталей после высокотемпературной закалки

Склонность ферритных сталей с высоким содержани­ ем хрома к хрупкости в закаленном состоянии известна довольно давно. Работами В. Биндера, а также И. Гохмана и Я. М. Бокшицкого с сотрудниками была дока­ зана решающая роль примесей — углерода, кислорода и азота в этом явлении. И если ранее высокотемператур­ ную хрупкость связывали в основном только с обогаще­ нием границ ферритных зерен углеродом, обязательно сопровождающимся образованием аустенита и последую­ щим мартенситным превращением при охлаждении, то в работе [ 111] было показано, что каждый из трех указанных элементов может привести к охрупчиванию металла. Авторы работы [112] пришли к выводу о том, что при содержании в стали Х27 вакуумной выплавки более 0,01% углерода его влияние на ан на порядок пре­ вышает влияние газов. В очень чистой по углероду

(0,002—0,004%), кислороду (0,006%) и азоту (0,0015— 0,002%) стали 000Х28ВИ хрупкое разрушение не на­ блюдается даже после закалки с 1200° С, когда средний размер зерна составляет 0,5—0,7 мм [ПО, с. 54]. Увели­ чение ^содержания кислорода до 0,06—0,08% приводит к хрупкости крупнозернистой стали. Авторы отмечают, что укрупнение зерна приводит к большей сегрегации примесных атомов по границам зерен и способствует охрупчиванию, но само по себе не является основной причиной хрупкого разрушения.

В промышленных высокохромистых сталях открытой

103

* После отжига в водороде.

выплавки содержание углерода обычно составляет

0,04—0,10%, азота 0,02—0,04%, кислорода 0,01—0,03%.

В этом случае, по данным авторов работы [109], основ­ ной причиной упрочнения и охрупчивания хромистых сталей после закалки является наличие в них азота. Ре­ зультаты определения твердости закаленных образцов, представленные в табл. 11, могут быть объяснены толь­ ко тем, что повышение концентрации азота в твердом растворе наблюдается лишь после нагрева выше темпе­

ном сплаве 0Х23ЮТ, в котором азот связан в тугоплав­ кие карбонитриды титана, а также в двойном и тройном сплавах после удаления азота в результате водородного отжига при 1100° С, твердость образцов после высоко­ температурной (с 1100° С) закалки оставалась низкой, а хрупкость отсутствовала. Очевидно, что основной при­ чиной хрупкости ферритных сталей после закалки с вы­ соких температур является закрепление дислокаций примесными атомами уже в процессе быстрого охлаж­ дения. Во всяком случае, существенное снижение порога хладноломкости промышленной стали Х28ВИ(ЭП602) было достигнуто авторами [113] путем снижения содер­ жания углерода до 0,008%, кислорода до 0,005% и азо­ та до 0,003—0,004%. В этом случае (металл выплавлял­ ся в вакуумно-индукционной печи с применением карбо­ нильного железа) ударная вязкость образцов после за­ калки с 950 и 1100° С составляла не менее 3800 кДж/м2

(38 кгс-м/см2).

104

3. Изучение природы низкотемпературного упрочнения и охрупчивания двухфазных сталей

Начиная с середины шестидесятых годов внимание многих исследователей было привлечено к проблеме ох­ рупчивания высокохромистых аустенито-ферритных Сг—№—Ti и Сг—Ni—Ti—А1 сталей при отпуске в ин­ тервале 450—600° С [30, 53, 24, 41].

В настоящее время в технической литературе имеет­ ся две точки зрения на причину этого явления. В работах [41; 24, с. 13; 89] основная ответственность за охрупчи­ вание подобных сталей возлагалась только на так назы­ ваемую 475-градусную хрупкость высокохромистого феррита. Авторы работ [37, 80—83] считали, что основ­ ной причиной как упрочнения, так и охрупчивания по­ добных двухфазных сталей является выделение (или предвыделение) из 6-феррита при старении интерметаллидных фаз на базе никеля, титана и (или) алюминия.

Ниже изложены результаты основных эксперимен­ тальных работ различных исследователей в этом направ­ лении.

Как видно из данных, представленных на рис. 25 и 34, упрочнение, сопровождающееся снижением ударной вязкости и пластичности, наблюдается при отпуске зака­ ленных образцов сталей Х21Н5Т1, 0Х25Н12ТЮ и им по­ добных в интервале температур 450—600° С с максиму­ мом при 500—550° С. Одновременно существенно изме­ няются физические свойства стали: уменьшаются период решетки 6-феррита, удельное электросопротивление и термо- э. д. с. (в паре с медным электродом); несколь­ ко возрастает величина магнитного насыщения (4лА) и существенно повышается коэрцитивная сила. С увеличе­ нием продолжительности отпуска при 450, 500 и 550° С быстро и непрерывно увеличиваются прочность и твер­ дость и падает ударная вязкость и пластичность. При повышении температур до 600—650° С степень упрочне­ ния снижается. Характер кинетических кривых одно­ значно указывает на ярко выраженную диффузионную природу процессов, ответственных за изменение механи­ ческих свойств стали.

105

ОСП

Рис. 34. Влияние отпуска на свойства закаленной стали марок Х21Н5Т1 (а, б) и Св-08Х20Н9С2БТЮ (б)

* Металл плавок 1 и 2 был выплавлен с разливками по титану.

Рис. 35. Зависимость твердости стали Х21Н5Т1 от условий нагрева при пе* рестариванин (а; б, кривая /) и повторном старении при 550° С, 1 ч (б, кри­ вая 2). Исходное состояние 1000° С + 550° С, 1 ч

данных, приведенных на рис. 35, а, видно, что твердость стали заметно уменьшается в первые же минуты вы­ держки. Степень упрочнения при последующем повтор­ ном старении при 550° С зависит от предыдущей термо­ обработки (рис. 35, б). Нагрев при температурах не ниже 750° С полностью разупрочняет металл и сообщает ему склонность к твердению при повторном старении.

107