Роль примесей

Поскольку отпускная хрупкость в очень чистой стали не возникает и непременным условием ее развития является присутствие вредных примесей - Р, Sb, Sn и As, то для понимания природы и основных закономерностей развития хрупкости необходимо прежде всего установить поведение этих элементов при отпуске.

Длительное время многие исследователи придерживались гипотезы растворения-выделения, согласно которой ударная вязкость падает из-за выделения по границам зерен каких-то фаз, например фосфидов. При нагреве до -650°С эти фазы переходят в α-раствор, а при медленном охлаждении выделяются и охрупчивают сталь; быстрое охлаждение предотвращает выделение фаз, снижающих хрупкую прочность. Однако электронно-микроскопический анализ установил, что сталь в состоянии отпускной хрупкости не имеет особых выделений по границам зерен и, следовательно, гипотеза растворения-выделения несостоятельна.

Другая гипотеза объясняла отпускную хрупкость повышением концентрации примесей в приграничных слоях твердого раствора. Об этом свидетельствовала повышенная травимость границ зерен растворами пикриновой кислоты в состоянии отпускной хрупкости. Гипотеза о ведущей роли сегрегации примесей полностью подтвердилась в последние годы в блестящей серии работ, в которых был использован метод оже-спектроскопии, позволяющий определить концентрацию элементов в моноатомных поверхностных слоях. Этим методом была выявлена сегрегация фосфора и других примесных элементов на поверхности разрушения стали в состоянии отпускной хрупкости, измерена их концентрация (как и концентрация легирующих элементов) у поверхности излома и показано, что развитие отпускной хрупкости (увеличение Тх) прямо связано с ростом концентрации примесей вблизи границ бывших аустенитных зерен (рис. 5).

В результате равновесной сегрегаци концентрация вредных примесей на поверхности излома может в десятки и сотни раз превышать 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.

Рис.5. Зависимость концентрации Sb и Ni на границе зерен в изломе (Crp) от времени отпуска при 480° С стали с 0,008% С, 1,7% Сr. 3,5% Ni и 0,07% Sb (Отани, Фендж; Мак-Магон, Мульфорд)