Wpływ austenityzowania na ciągliwość i odporność na pękanie stali

W przeciwieństwie do nieznacznych zmian ciągliwości, εf, stali niestarzonej (po różnej wstępnej obróbce cieplnej poprzedzającej starzenie), ciągliwość stali starzonej zmienia się w sposób radykalny, od εf = 0,90 w wariancie vS po przesycaniu w 830°C do około εf = 0,10 w wariancie vB. Stal, która miała εf < 0,15, jest określana jako krucha, tj. próbki wytrzymałościowe z materiału o tej wartości ciągliwości mają przełom kruchy. Stal wykazywała kruchość, jeżeli po homogenizowaniu próbki zostały wytrzymane w zakresie temperatury od 775 do 875°C w ciągu godziny (bez międzyoperacyjnego studzenia do temperatury pokojowej), tj. w wariancie vB.

Kruchość wykazuje tylko stal starzona, o wytrzymałości prawie dwukrotnie większej niż stal niestarzona. Stąd należy przeanalizować, czy bardzo wysoka wytrzymałość stali jest przyczyną jej kruchości w niektórych warunkach obróbki cieplnej. Jeśli tak, to także ciągliwość niestarzonej stali typu maraging powinna szybko ulegać obniżeniu, gdy jej wytrzymałość zostanie podwyższona na jakiejkolwiek innej drodze niż starzenie. Szybkość tego spadku wraz ze wzrostem wytrzymałości w stali „uwrażliwionej” przez obróbkę cieplną (prowadzącą do dużego ziarna i wydzieleń po granicach ziaren, co opisano w [1]), powinna być przy tym większa niż w stali bez wydzieleń na granicach ziaren. Wytrzymałość stali niestarzonej jest wyższa, jeżeli np. badanie własności mechanicznych wykonane zostanie w obniżonych wartościach temperatury (podzerowych).

W celu zweryfikowania takiej hipotezy przeprowadzono dodatkowe badania własności w temperaturze ciekłego azotu, które wykazały, że granica plastyczności stali obrobionej cieplnie zgodnie z wariantem vB (z wytrzymaniem w temperaturze 825°C) wzrasta do około 1210 MPa, w porównaniu do około 800 MPa w temperaturze pokojowej. W warunkach ciekłego azotu odkształcenie pękania, ef, wynosi 0,65, tj. spada o około 50% w porównaniu do wyniku otrzymanego w temperaturze pokojowej (rys. 6).

Natomiast w stali bez wydzieleń na granicach ziaren odkształcenie pękania obniża się od 1,35 w temperaturze pokojowej do 1,13 w temperaturze ciekłego azotu, tj. tylko o 16% (1,13 jest średnią wartością ciągliwości z 1,15 i 1,11, otrzymaną dla wariantu vS, po austenityzowaniu odpowiednio w 825°C i 1225°C). Na rys. 6 naniesiono również zależność odkształcenia pękania od granicy plastyczności w temperaturze pokojowej (linia przerywana), opracowaną na podstawie tablic ASM [5], odnoszących się do czterech gatunków stali typu maraging (starzonych i niestarzonych). Otrzymane dla danych ASM równanie regresji liniowej w postaci ef = 1,64 – 0,473 · Re charakteryzuje się bardzo dobrym dopasowaniem ze współczynnikiem korelacji r = 0,97.

W przypadku stali badanej w niniejszej pracy i obrobionej cieplnie zgodnie z wariantem vS obniżanie się ciągliwości wraz z wytrzymałością przebiega równie szybko jak w powyższej zależności liniowej, natomiast dla wariantu vB ciągliwość spada znacznie szybciej, co wskazuje na inny mechanizm pękania niż w stali niemającej wydzieleń na granicach ziaren (tj. obrobionej cieplnie według wariantu vS). Dodatkowo na korzyść zaproponowanej hipotezy odnośnie mechanizmu pękania stali typu maraging przemawia fakt, że poszczególne wyniki praktycznie nie odstają od dopasowanych linii prostych, tj. zarówno dla danych własnych (warianty vS, vB), jak i standardowych (ASM).

Uzyskane wyniki wskazują, że kruchość stali X2NiCoMo18-9-5 może pojawić się jedynie przy bardzo wysokiej wytrzymałości (stal niestarzona o niskiej wytrzymałości, mająca bardzo duże ziarno i wydzielenia na granicach ziaren, nie wykazywała kruchości). Jednak pełne wyjaśnienie tego zjawiska wymaga głębszej analizy mikromechanizmów pękania, tzn. analizy uwzględniającej mikrostrukturę w procesie inicjowania i propagacji pęknięć.

Piśmiennictwo
1. Pawlak S.J.: Ciągliwość i mechanizmy pękania superwytrzymałych stali konstrukcyjnych. Wydawnictwa AGH, Kraków 2018.
2. EN 3532:2007 Aerospace series. Steel FE-PM2701 (X2NiCoMo18-8-5).Vacuum induction melted and vacuum arc remelted. Solution treated and precipitation treated. Plate.
3. ISO/DIS 12135, 1999 Metallic materials – Unified method of test for the determination of quasistatic fracture toughness.
4. Borisow I.A.: Pieriekristałlizacyja stali w krupnoziernistom sostojanii pri nagriewie, „Mietałłowiedienije i Tiermiczeskaja Obrabotka Mietałłow”, 1995,
no. 7, s. 8-10.
5. Engineering Properties of Steel. Ed. P.D. Harvey, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1982, s. 469-481.
6. Rice J.R., Johnson M.A.: The role of large tip geometry changes in plain strain fracture. [W:] Inelastic Behavior of Solids. Eds. M.F. Kanninen i in., McGraw Hill, New York 1970, s. 641-670.

> (otwiera się na nowej zakładce)”>Przeczytaj inne artykuły z zakresu jakości i pomiarów >>

Galeria

Zobacz więcej