Вязкость разрушения порошковых мартенситно-стареющих сталей в спеченном состоянии

Повышение прочности компактных сталей приводит, как правило, к снижению вязкости разрушения. Для порошковых мартенситно-стареющих сталей в большинстве случаев наблюдается обратная зависимость - с повышением прочности (как в результате старения, так и с повышением содержания легирующих элементов) возрастает вязкость разрушения (рис. 76). Корреляция между характеристиками прочности и вязкости разрушения отмечалась и для других порошковых материалов. Это явление, по-видимому, связано с наличием пор в структуре спеченных сталей.

На рис. 77-80 приведены микрофрактограммы образцов порошковых мартенситно-стареющих сталей, разрушенных в процессе испытания на вязкость разрушения. Для сталей, содержащих до 2 % титана, разрушение относится к вязкому внутризеренному типу. На поверхности разрушения сталей СПН14К7М5Т и СПН14К7М5Т1 наряду с мелкими ямками присутствуют крупные (рис. 77, 78). Это свидетельствует о том, что разрушение спеченных сталей происходит путем роста имеющихся в структуре пор, а также образованием на дефектах новых пор. На фоне вязкого ямочного разрушения, как правило, видны вытянутые гребни и вершины, разрыв которых происходит после формирования ямок. Это связано с тем, что процесс присоединения пор к вершине трещины при разрушении является фактически своеобразной формой образования "внутренней шейки", когда материал между порами и вершиной трещины (а также между порами, удаленными от вершины) деформируется до тех пор, пока не теряет способности выдерживать нагрузку.

В центре ряда ямок относительно небольшого размера присутствуют включения, которые явились причиной образования и роста пор. В связи с тем, что размер пор в спеченных мартенситно-стареющих сталях много больше размера присутствующих в структуре включений оксидов титана, разрушение начинается путем роста уже имеющихся в материале пор и лишь на поздних стадиях разрушения образуются дополнительные поры на включениях. С увеличением содержания титана в стали, а следовательно, ростом прочности размер ямок на поверхности уменьшается, что, возможно, связано с увеличением количества окислов титана в структуре.

Разрушение сталей с 0,5 и 1 % титана имеет внутризеренный характер, а на поверхности разрушения стали с 2 % титана появляются участки межчастичного разрушения. Это связано с тем, что с увеличением прочности и вязкости разрушения стали повышается уровень локальных напряжений перед фронтом распространяющейся трещины, который в ряде случаев превосходит величину межчастичного сцепления.

На поверхности разрушения стали, содержащей 3 % титана, наряду с участками квазивязкого разрушения присутствуют области, занимающие около 40 % площади, где разрушение произошло квазисколом (хрупко). Встречаются участки межчастичного и межзеренного разрушений (рис. 80). Присутствие в изломе значительной доли (до 40 %) квазихрупкого разрушения объясняет низкие значения К1с этой стали.

Процесс разрушения порошковых сталей при наличии в структуре пор можно описать моделью, предложенной Дж.Райсом и М.Джонсоном. Анализируя вязкость разрушения компактных материалов, содержащих хрупкие включения, они показали, что

где о0,2 - предел текучести; E - модуль упругости; Л - 0,2 среднее расстояние между включениями.

Вязкий характер разрушения порошковых сталей и присутствие на фрактограммах значительного количества ямок показывают, что разрушение протекает путем раскрытия пор, имеющихся в структуре, и образования "новых" пор на включениях и дефектах.

Повышение содержания титана в стали СПН14К7М5Т от 0,5 до 3 % приводит к увеличению предела текучести (табл. 66) и количества окислов титана. Пористость сталей при этом остается на одном уровне (4-6 %). Увеличение вязкости разрушения стали в закаленном состоянии с повышением содержания титана показывает, что согласно выражению (18) рост предела текучести имеет преобладающий характер по сравнению с уменьшением параметра Л. Включения окислов титана, размер которых на порядок меньше размера пор, оказывают второстепенное влияние на процесс разрушения. Поэтому в выражении (18) А следует положить среднему расстоянию между порами.

Увеличению предела текучести сталей СПН14К7М5Т и СПН14К7М5Т1 после старения сопровождается возрастанием K1с, что также согласуется с предложенной моделью. Однако стали, легированные 2 и 3 % титана, имеют после старения более низкий уровень вязкости разрушения по сравнению с закаленным состоянием. Это связано, по-видимому, с тем, что значительно более сильное упрочнение сталей в процессе старения, а также закрепление дислокаций выделившимися интерметаллидными частицами приводят к смене механизма разрушения.

В работе показано, что в сталях с высоким уровнем прочности разрушение происходит не путем слияния пор с трещиной, а за счет декогезии полос скольжения, и коэффициент интенсивности напряжений оценивается следующим выражением:

где wf - критическая величина относительного смещения в зоне течения, при которой возникает декогезия полос скольжения.

При этом механизме разрушения дефекты не играют решающей роли при распространении трещины. Значительное снижение подвижности дислокаций приводит к появлению в изломе участков разрушения сколом, что особенно характерно для стали СПН14К7М5Т3.

В табл. 66 приведены механические свойства и характеристики вязкости разрушения порошковых мартенситно-стареющих сталей в состоянии после спекания и последующего старения. Сталь СПН10ТЮ, в составе которой отсутствует молибден, имеет наиболее низкие прочностные характеристики и показатели вязкости разрушения. Это связано с выделением интерметаллидных частиц в процессе старения в отсутствии молибдена по бывшим границам аустенитного зерна, что приводит к значительному снижению сопротивления хрупкому разрушению. Стали типа СПН14К7М5Т имеют наиболее благоприятное из рассмотренных сталей сочетание прочностных свойств и вязкости разрушения. Они имеют прочность от 1350 до 1920 МПа при уровне показателя вязкости разрушения от 42 до 52 МН/м3/2.

Повышение содержания титана в этих сталях приводит к росту прочности и снижению пластичности и ударной вязкости, однако характеристики вязкости разрушения при увеличении содержания титана до 2 % остаются практически на одном уровне. Это говорит о том, что в порошковых сталях можно повышать содержание титана по сравнению с литыми, в которых количество этого элемента ограничивают в связи с образованием на границах аустенитного зерна большого количества карбидов и карбонитридов титана, снижающих показатели вязкости разрушения. Порошковые мартенситно-стареющие стали, полученные из чистых исходных компонентов, содержат значительно меньшее количество углерода и растворенных газов, поэтому с повышением содержания титана в этих сталях не происходит снижения характеристик вязкости разрушения.

Полученные методом порошковой металлургии стали типа Н18К9М5Т, имеющие в литом исполнении оптимальное сочетание прочности и вязкости разрушения, характеризуются невысокими прочностными свойствами и показателями сопротивления хрупкому разрушению.

Удельная работа разрушения образцов с усталостной трещиной хорошо коррелирует со значениями К1c, что подтверждает возможность использования этой характеристики при выборе технологических режимов получения и состава сталей.

Показатели пластичности b, w и ударная вязкость КС не коррелируют с величиной вязкости разрушения порошковых сталей, что подтверждает необходимость проводить оптимизацию технологических режимов получения и выбор рационального легирования не только по стандартным характеристикам механических свойств, а также и по параметрам вязкости разрушения.