Тепловая хрупкость

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.