в результате равновесной сегрегаци концентрация вредных рримесей на поверхности излома может в десятки и сотни раз пре-выщать их среднюю концентрацию в стали. Обычно концентрация вредных примесей в стали промышленной чистоты составляет тысячные-сотые доли процента, а на поверхности излома она измеряется целыми процентами. Толщина приграничного слоя сегрегации - несколько атомных диаметров.

Физическая природа (механизм) охрупчивания из-за сегрегации Р, Sb, Sn и As окончательно не выяснена. Согласно одному предположению примесные элементы снижают поверхностную энергию и тем самым уменьшают работу образования межзеренной трещины. Прямых подтверждений этого нет. Согласно другому предположению вредные примесные элементы, замещающие атомы железа, из-за большего, чем у железа, атомного диаметра увеличивают среднее расстояние между поверхностными атомными слоями по обе стороны от границы. В результате сцепление между соседними зернами ослабевает. Чем больше атомный диаметр примеси превышает атомный диаметр железа, тем сильнее ее охруп-чивающее действие. Этим можно объяснить, почему сурьма намного сильнее охрУпчивает сталь, чем фосфор, если концентрация этих элементов (число атомов) на межзеренной поверхности одинакова.

, Для дальнейшего анализа воспользуемся классической схемой академика А. Ф. Иоффе (рис. 178), объясняющей переход материала из пластичного состояния в хрупкое тем, что с понижением температуры предел текучести (Sj) растет интенсивно, а сопротивление отрыву (So) мало изменяется. При температуре перехода Тх кривые Sr и So пересекаются. Ниже Гх материал разрушается

хрупкому разрушению (кривая 1) достигается раньше, чем может быть достигнут предел текучести (кривая 2). Если

гоо ш 600 800 1000

Время отпуска, ч

Рис. 177. Зависимость концентрации St) и Ni на границе зерен в изломе {Cj,p) от времени отпуска при 480° С стали с 0,008% С, 1,7% Gr. 3,5% NiH 0,07% Sb {Отаии, Феидж; Мак-Магон, Мульфорд!

Температура

Рис. 178. Температурные мви-симости предела текучести и сопротивлелия: хрупкому разрушению (схема)

в состоянии отпускной хрупкости сцепление зерен, т. е. сойро-тивление межзеренному разрушению понижено (кривая 5), то при том же пределе текучести (кривая 2) температура перехода окажется выше (Г, > Тх). Повышение предела текучести (кривая 4) при неизменной прочности границ зерен (кривая 3) может усилить отпускную хрупкость (Тх > Тх).

Используя эту схему и экспериментальные данные о сегрегации примесей, можно объяснить основные факты проявления отпускной хрупкости.

Экспериментально показано, что температура перехода растет с повышением концентрации вредной примеси на границах зерен. Сегрегация контролируется диффузионным подводом атомов элемента к границе зерна, причем концентрация примеси в приграничном слое растет с затуханием (см. рис. 177, а), стремясь к предельной величине, характерной для данной температуры [см. формулу (26)]. Одновременно растет с затуханием и (см. рис. 177, б).

У стали, загрязненной фосфором, при достаточно высокой температуре отпуска величина проходит через максимум после достижения равновесной концентрации фосфора на межзеренной границе. Это обусловлено тем, что длительный отпуск приводит к разупрочнению тела зерен при неизменном сопротивлении межзеренному разрушению, а снижение предела текучести, как следует из схемы на рис. 178, приводит к понижению Т.

В стали, загрязненной сурьмой, с увеличением времени отпуска Тх не проходит через максимум, так как сурьма, диффундирующая намного медленнее фосфора, после разупрочнения при отпуске еще продолжает сегрегировать на границы, снижая здесь хрупкую прочность.

С ростом температуры диффузионный процесс образования зернограничной сегрегации ускоряется и одновременно уменьшается абсолютная величина равновесной сегрегации, размываемой тепловым движением. Действие этих факторов обусловливает , С-образный характер кривых времени достижения определенной (см. рис. 176).

Расчеты показывают, что зависимость времени достижения заданной степени равновесной сегрегации фосфора от температуры изображается С-кривыми, аналогичными С-кривым Т. Чем меньше общее содержание фосфора в стали, тем правее расположены С-кривые определенной степени его сегрегации и соответственно меньше склонность стали к обратимой отпускной хрупкости. ,

При температурах выше 600-650° С сегрегация примеси или полностью исчезает (Sb) или находится на очень низком уровне (Р). При последующем охлаждении стали в воде сегрегации не успевают восстанавливаться.

Конструкционная электросталь открытой дуговой плавки обычно содержит 0,01-0,02% Р, 0,005-0,01% Sn, 0,002- 328

0,005% Sb и 0,005-0,01% As. В стали, полученной кислородно-конверторным и мартеновским способами, типичное содержание фосфора еще больше - 0,02-0,03 и 0,025-0,035% соответственно. Чем больше примеси в стали, тем выше ее концентрация на границе зерна [см. формулу (26)]. Поэтому хотя сурьма значительно сильнее повышает Т, чем фосфор (при равной концентрации примеси на границе), но так как в промышленных сталях фосфор содержится в больших количествах (сотые доли процента), чем сурьма (тысячные доли процента), он дает больший вклад в повышение при отпуске. Кроме того, по сравнению с сурьмой фосфор значительно быстрее сегрегирует на границы зерен. С учетом всего этого фосфор следует считать наиболее вредной примесью, и для уменьшения отпускной хрупкости от него необходимо очищать сталь в первую очередь.

Роль легирующих элементов

В развитии отпускной хрупкости не меньшую роль, чем примеси, играют легирующие элементы. Сплавы Fe-С, содержащие те же количества вредных примесей, что и легированные стали, не склонны к обратимой отпускной хрупкости. В железоуглеродистых сплавах сегрегация вредных примесей столь мала, что не вызывает отпускной хрупкости. В присутствии легирующих элементов (Ni, Сг и Мп) сегрегация вредных примесей резко увеличена. При этом сами легирующие элементы, не образующие равновесных сегрегации в сталях высокой чистоты, в присутствии вредных примесей сегрегируют к границам зерен (см. рис. 177, а). Следовательно, можно говорить о взаимодействии легирующего элемента и примеси в а-растворе, способствующем их совместной сегрегации. Предполагается, что если атомы примеси и легирующего элемента сильнее взаимно притягиваются, чем атомы этой же примеси и железа, то сегрегация примеси и легирующего элемента будет взаимно усилена. Именно так ведут себя Р и Ni, Р и Сг, Sb и Ni, Sb и Мп и другие пары примесь - легирующий элемент. Второй легирующий элемент может дополнительно усилить сегрегацию примеси. Например, никель и хром вместе вызывают большую сегрегацию сурьмы, чем это следует из простого сложения эффектов их раздельного влияния.

Повышение концентрации вредных примесей в приграничных слоях твердого раствора под действием легирующих добавок ослабляет межзеренную связь (So на рис. 178) и является одной из причин высокой склонности к отпускной хрупкости легированных сталей, содержащих Ni, Сг и Мп.

Выделение карбида при отпуске может повлиять на кинетику сегрегации чримеси. Рассмотрим это влияние на примере сплава Fe-С-Ni-Sb. Из-за того что растворимость никеля в карбиде очень мала по сравнению с его растворимостью в а-фазе, атомы никеля при выделении карбида оттесняются на границу карбид-феррит, где образуют узкий слой а-раствора с неравновесным избытком никеля, который медленно рассасывается. г- i