Изменение внутреннего трения в процессе отпуска стали 30ХГСА » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Изменение внутреннего трения в процессе отпуска стали 30ХГСА

19.05.2021

Как известно, «отпускной хрупкостью» стали принято называть понижение ее вязкости, выявляемое по возрастанию переходной температуры и увеличивающейся доле межзеренного хрупкого разрушения, наблюдаемого в изломе образцов и изделий. В результате нагрева и выдержки стали при температурах высокого отпуска (450—550 °С) возникает отпускная хрупкость.

Факторы, оказывающие основное воздействие на развитие отпускной хрупкости конструкционных сталей, до сих пор служат объектом многих исследований. В некоторых работах высказывается предположение о том, что основной причиной образования обратимой отпускной хрупкости стали является концентрация выделений по границам зерен при нагреве во время отпуска и последующем охлаждении. Иного мнения придерживается Л.М. Утевский, экспериментально показавший, что обратимая отпускная хрупкость связана только с изменением состава твердого раствора в приграничных участках зерен. Это изменение объясняется неодновременным протеканием процессов карбидообразования в объеме зерен и возле их границ при отпуске. Происходящее при этом обогащение приграничных участков фосфором способствует снижению сопротивления стали межзеренному хрупкому разрушению.

Целью исследования, результаты которого излагаются ниже (опыты проводились автором и А.Е. Федоровским), было использование метода измерения внутреннего трения для оценки процессов, происходящих при охрупчивании стали 30ХГСА (очень восприимчивой к обратимой отпускной хрупкости) в результате отпуска при 550 °С.
Изменение внутреннего трения в процессе отпуска стали 30ХГСА

Из прутка диаметром 20 мм изготовляли заготовки диаметром 12 и длиной 205 мм, которые закаливали в масле после выдержки в соляной ванне при 900, 1000 и 1150 °С. Одновременно из прутка той же плавки изготовляли заготовки квадратного сечения для образцов Meнаже и подвергали закалке с тех же температур с последующим отпуском при 640 °С в течение 2 час. с охлаждением в масле и при 540 °C в течение 15, 45 и 100 мин. также с охлаждением в масле.

После термической обработки из круглых заготовок путем шлифования изготовляли образцы диаметром 8 мм и длиной 200 мм для измерений внутреннего трения на установке ИМАШ-6. Из квадратных заготовок изготовляли образцы Менаже размерами 10X10X60 мм с надрезом глубиной 1 мм и радиусом закругления 1 мм.

В результате измерения на установке ИМАШ-6 внутреннего трения стали 30ХГСА при нагреве и охлаждении были получены температурные зависимости, представленные на рис. 247. При нагреве образцов обнаруживается пик внутреннего трения около 350 °С; с повышением температуры примерно до 450 °C внутреннее трение уменьшается почти до значений начала низкотемпературной ветви пика. При дальнейшем нагреве до 500 °С и выше затухание не обнаруживает заметных аномалий и кривая внутреннего трения резко вдет вверх; при 650—700 °С б достигает значений более 10в-2.

Для объяснения пика, возникающего при температуре около 350 °С, можно предположить, что этот пик имеет релаксационное происхождение и связан с процессами, протекающими в интервале охрупчивающего отпуска. Однако это предположение опровергается тем фактом, что пик не повторяется при охлаждении (кривая 4) даже после кратковременной выдержки (в течение 5—10 мин.) при 540 °C (оптимальная температура развития отпускной хрупкости), в то время как за такое малое время процессы охрупчивания не успевают получить своего развития.

Зависимость ударной вязкости от продолжительности охрупчивающего отпуска, полученная нами при испытании образцов Менаже, закаленных с 900, 1000 и 1150 °С, и приведенная на рис. 248, свидетельствует о том, что на начальных стадиях отпуска при 540 °C существенно повышается ударная вязкость; начало развития хрупкости соответствует выдержке больше 15 мин. Кроме того, пик внутреннего трения не наблюдается у образцов, предварительно отпущенных на вязкое состояние при 650 °C с выдержкой в течение двух часов и охлаждением в воде (рис. 249), в то время как при повторном нагреве процессы, приводящие к охрупчиванию стали, должны происходить.

Как видно из рис. 249, температурная зависимость внутреннего трения для вязких (кривая 2) образцов полностью аналогична такой зависимости для образцов, не подвергнутых термической обработке (кривая 1). Указанные факты позволяют сделать вывод, что пик внутреннего трения не связан с охрупчиванием стали и соответствует процессам, которые протекают и могут закончиться при температурах ниже 540 °С.

Для выяснения природы пика нами были проведены опыты по исследованию температурной зависимости внутреннего трения на образцах, подвергнутых предварительному отпуску при разных температурах (300, 350, 400 и 450 °С) и различной продолжительности выдержки. Поскольку качественное различие внутреннего трения в образцах, закаленных с разных температур, отсутствует, эти опыты производились только на образцах, закаленных в воде с 1000 °С.

Внутреннее трение отпущенных образцов измеряли в процессе нагрева в интервале температур от 20 до 450° С. Из графиков температурной зависимости внутреннего трения для образцов, подвергнутых предварительному отпуску при 350° С (рис. 250), видно, что в процессе отпуска при 350 °C пик очень быстро затухает и после выдержки примерно 2 часа максимальное значение внутреннего трения остается достаточно высоким и мало снижается с увеличением выдержки. Это позволяет сделать вывод, что максимальной скорости процесса, приводящего к снижению пика, соответствуют более высшие температуры. В самом деле, после отпуска при 400 °C высота пика снижается значительно быстрее, и пик можно считать почти полностью отсутствующим при выдержке больше двух часов. В результате отпуска при 450 °C пик снижается еще более интенсивно, так что 15-мин. выдержка при этой температуре оказывает такое же действие, как и двухчасовая при 400 °С. При дальнейшем повышении температуры предварительного отпуска скорость снижения пика еще больше возрастает и после нагрева примерно до 500 °С пик полностью исчезает, если даже нагрев производится без выдержки при загрузке образца в предварительно нагретую до необходимой температуры печь.

Таким образом, процесс, обусловливающий снижение пика внутреннего трения, характеризуется очень малой скоростью при температурах вплоть до 350 °С, быстрым увеличением ее с повышением температуры отпуска и достижением максимальных значений при 450—500 °С.

Тот факт, что скорость процесса, снижающего пик, очень мала при ~350 °С, не позволяет связывать этот пик с распадом мартенсита закалки или превращением остаточного аустенита, поскольку в исследуемой стали распад мартенсита закалки заканчивается ниже 350 °С, а процесс превращения остаточного аустенита должен развиваться при температуре порядка 350 °C с существенной скоростью.

По-видимому, появление пика на кривых температурной зависимости внутреннего трения обусловлено каким-то другим процессом, протекающим при отпуске.

Происхождение пика можно достаточно удовлетворительно объяснить, если предположить, что причиной его возникновения является гетерогенность твердого раствора, состоящего из множества разноориентированных кристаллов. При таком предположении максимум затухания может быть вызван необратимыми потерями энергии упругих колебаний с частотой f на неупругое скольжение отдельных кристаллов твердого раствора вдоль границ раздела при температуре, когда время т релаксации напряжения вдоль этой границы равно 1/2пf. При этом высота пика внутреннего трения должна быть пропорциональна числу частиц, решетка которых имеет обособленную ориентацию. Некоторый сдвиг положения пика по оси температур при повышении температуры закалки (см. рис. 247) может быть в этом случае объяснен возрастанием времени релаксации т вследствие увеличения размеров когерентных областей твердого раствора. На основании измерений внутреннего трения после предварительного отпуска была построена зависимость высоты пика от продолжительности отпуска (рис. 251) при температурах, указанных выше. За высоту пика принимали разность между максимальным bмакс и минимальным vмин затуханием, соответствующим полному окончанию вызывающего пик процесса (кривая 6 на рис. 250).

Кривые, приведенные на рис. 251, можно приближенно описать уравнением

где А0 — максимальная высота пика;

T — температура отпуска.

Если полагать, что высота пика пропорциональна количеству имеющих независимую ориентацию участков твердого раствора, то скорость снижения пика будет равна скорости снятия искажений решетки твердого раствора.

При справедливости уравнения (68) должна быть линейная зависимость In А/А0 от продолжительности отпуска при каждой данной температуре Т.

Значения In А/А0, вычисленные на основании графика рис. 251, вполне удовлетворительно ложатся на прямые линии, исходящие из начала координат (рис. 252). Угол наклона каждой из этих прямых определяет максимальную скорость исчезновения разориентировки объемов твердого раствора при данной температуре Т. Эта скорость выражается равенством, следующим из уравнения (68):

Построенная на основании рис. 252 функция имеет вид, представленный на рис. 253, и может быть с достаточной степенью точности аппроксимирована уравнением

тогда выражение (68) принимает вид

Величина T0 в уравнениях (70) и (71) соответствует температуре отпуска, при которой высота пика внутреннего трения не снижается и, следовательно, уменьшение количества независимо ориентированных объемов твердого раствора не происходит. Если полагать, что на первых стадиях отпуска уходящие из твердого раствора атомы примесей располагаются по границам кристаллов твердого раствора, препятствуя возможности их слияния после распада, то величина T0 в этом случае должна соответствовать температуре начала коагуляции атомов этих примесей (по нашим данным, для стали 30ХГСА Т0=240 °C).

Аналогично величина 0 соответствует температуре отпуска, при которой vмакс бесконечно велика и может быть определена как «критическая» температура, при которой скорость исчезновения искажений в твердом растворе достигает очень больших значений, определяемых лишь временем, необходимым для перемещения атомов в кристаллической решетке (в соответствии с нашими данными для стали 30ХГСА 0 составляет около 460 °С).

Поскольку в интервале T0—0 существует значение температуры Т, при котором отношение T-T0/0-T обращается в единицу, величина а соответствует максимальной скорости снижения пика, т. е. скорости исчезновения искажений при температуре Т, определяемой соотношением

Интересно отметить, что температура T0 для исследованной нами стали очень близка к началу интервала температур наибольшего развития отпускной хрупкости первого рода.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: