Kruchość odpuszczania I rodzaju

Jak już wcześniej wspomniano kruchość odpuszczania I-ego rodzaju charakteryzuje się spadkiem udarności stali odpuszczanych w zakresie temperatur bliskich 350 °C.

Istnieje kilka teorii próbujących wyjaśnić zjawisko kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju. Jedną z nich jest nierównomierny rozpadu martenzytu [14,135]. Martenzyt, który w zahartowanej stali jest strukturą metastabilną ulega podczas odpuszczania rozpadowi na mieszaninę faz złożoną z ferrytu i węglików [16].

Teoria nierównomiernego rozpadu martenzytu, jako przyczynę kruchości odpuszczania I –ego rodzaju zakłada nierównomierność rozpad przesyconego roztworu węgla w żelazie α [16]. Rozpad ten, wg autora pracy [135] w zakresie temperatur ok. 300 °C ma najintensywniejszy przebieg i zachodzi prawie całkowicie na granicach ziaren byłego austenitu. Skutkiem tego są duże różnice pomiędzy wytrzymałością podstawowej części ziarna a jej warstw przygranicznych. Warstwy zewnętrzne ziaren wskutek mniejszej wytrzymałości oraz tego, że są miejscem koncentracji naprężeń ulegają kruchemu rozdzielaniu.

Można, więc wysnuć wniosek, iż podwyższenie temperatury odpuszczania albo wydłużenie czasu tego procesu powinno spowodować wyrównanie stopnia rozpadu żelaza α w objętości ziarna a przez to przywrócić stali ciągliwość.

Na podstawie badań fraktograficznych stali wykonanych skaningowym mikroskopem elektronowym, przedstawiony wyżej pogląd na przyczynę kruchości „300” wydaje się być zbyt uproszczony. W pracy [176] autorzy sugerują, że pękanie międzykrystaliczne nie musi prowadzić do spadku udarności stali, lecz wskazuje jedynie drogę łatwego pękania. Większa intensywność procesów wydzielania z martenzytu w pobliżu granic ziaren byłego austenitu powinno prowadzić do powiększenia strefy odkształceń plastycznych w tym obszarze, czego

- 54 -

skutkiem powinno być zwiększenie odporności na pękanie. Zakładając silną lokalizację odkształcenia plastycznego w pobliżu granic ziaren i związany z tym miejscowy wzrost umocnienia osnowy, zaskakuje niemal całkowity brak oddziaływania wydzielonych drobnych węglików na charakter przełomu.

Według badań opisanych w pracach [1,16,22] tworzący się podczas odpuszczania cementyt zarodkuje niezależnie. Powoduje to, że wydzielone wcześnie węgliki przejściowe oraz skupiska atomów węgla ulegają rozpuszczaniu. Stwarza to dobre warunki do redystrybucji atomów węgla w rejony granic listew martenzytu lub też w rejony granic mikrostruktury komórkowej oraz granic ziaren. Taka redystrybucja zachodzi przez cały okres rozpuszczania węglików przejściowych i niezależnego (a więc innych niż węgliki przejściowe miejscach) zarodkowania i wzrostu cząstek cementytu. Prowadzi to do lokalnego obniżenia odporności na pękanie wzdłuż tych uprzywilejowanych miejsc w mikrostrukturze o zwiększonej zawartości węgla [176]. Oznacza to, że droga łatwego pękanie w zakresie występowania kruchości odpuszczania I-ego rodzaju przebiega wzdłuż granic listew martenzytu i granic komórek oraz granic ziaren. Takie obserwacje zostały już wcześniej dokonane przez autorów pracy [174], którzy wskazali, że przełomy niskoodpuszczonej stali 30HGSNA (30CrMnSiA) nie biegną wzdłuż granic ziaren byłego austenitu, lecz głównie wzdłuż granic struktury komórkowej o czym świadczy średnia droga swobodna pęknięcia (przełomu), która była kilkukrotnie krótsza niż średnia cięciwa ziarna byłego austenitu. Charakter przełomów po granicach komórek robi jednak wrażenie przełomu międzykrystalicznego. Autorzy pracy [176] sugerują, że wskutek redystrybucji węgla do roztworu α na skutek rozpuszczania się węglików metastabilnych może lokalnie dojść do tak silnego wzbogacenia węglem, że nastąpi przemiana odwrotna. Wzrost udziału objętościowego austenitu w tym zakresie temperatur odpuszczania potwierdziły badania rentgenowskie udziału tej fazy oraz wyraźny wzrost odporności na pękanie mierzony za pomocą KV i KIc. Ze wzrostem temperatury odpuszczania austenit ten ulega łatwej destabilizacji i przemienia się w bainit w wyniku czego odporność na pękanie maleje. Obserwacje zamieszczone m. in. w pracach [79,174,176] w świetle wyników badań [63,101] w których ujawniono mapy rozkładu węgla podczas odpuszczania wskazują, że wyjaśnienie zjawiska kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju nie znalazło jeszcze finału.

Przyczyną spadku udarności przy tych temperaturach może być również przemiana austenitu szczątkowego, który w postaci cienkiej warstwy występuje między listwami martenzytu. Tworzące się węgliki międzylistwowe (w miejscu austenitu szczątkowego) mogą

- 55 -

być zarodkami pęknięć, a także ścieżkami ich łatwego rozprzestrzeniania się [132,137,171,174,175,177].

Według pracy [1,134,178] austenit zwiększa odporność stali na ścieranie, powierzchniową wytrzymałość zmęczeniową oraz zmniejsza skłonność do kruchego pękania. Przypuszcza się, że kruchość odpuszczania I-ego rodzaju wiąże się z zanikiem fazy ciągliwej, jaką jest właśnie austenit szczątkowy. W zakresie temperatur występowania nieodwracalnej kruchości odpuszczania przemienia się on w martenzyt odpuszczony, czyli kruchą mieszaninę złożoną z przesyconego roztworu węgla w żelazie α i węglika żelaza. W związku z tym, że temperatury występowania kruchości odpuszczania I-ego rodzaju oraz temperatury przemiany istniejącego w zahartowanej stali austenitu szczątkowego w martenzyt są zbliżone, spadek udarności jest tłumaczony zanikaniem resztek austenitu i pojawieniem się na jego miejscu kruchego bainitu [136].

Wg, [10,17,179–185] przyczyną kruchości odpuszczania może być również wzrost wydzieleń cementytu. Pietikainen w swojej pracy nad stalą Cr-Mo zawierającej 0,43 % C wykazał, że przy krótkich czasach odpuszczania kruchość odpuszczania I rodzaju nie występuje, co prowadzi do stwierdzenia, że przyczyną tej kruchości musi być proces dyfuzyjny [186]. Twardość cementytu wynosi ok. 700-1000HB i jest on bardzo kruchy [16,79,187,188]. Dlatego kruchość odpuszczania I-ego rodzaju była tłumaczona wydzielaniem się podczas odpuszczania węglików o płytkowy kształcie. Jednakże, wg. pracy [135] węgliki w postaci płytek występują jeszcze przed wystąpieniem kruchości odpuszczania I-ego rodzaju a ich kształt jest trwały nawet przy wysokich temperaturach, przy których stal odzyskuje już ciągliwość.

Z pracy [10] możemy się dowiedzieć, że zakres temperatur występowania kruchości nieodwracalnej jest taki sam jak zakres temperatur wydzielania się cementytu podczas odpuszczania. Jako dowód przedstawiono stal, która zawierała taką ilość krzemu, aby nie powstał cementyt w zakresie temperatur 250-350 °C. W stali tej, jak sugeruje autor pracy [17] zjawisko kruchości odpuszczania I-ego rodzaju nie występowało.

Wydzielanie cementytu nie jest jedyną przyczyną spadku udarności. Istnieją przypuszczenia, że cementyt wydzielający się przy odpuszczaniu na granicach ziaren byłego austenitu przyczynia się do segregacji takich pierwiastków jak arsen, antymon, cyna i fosfor usuwając je z rosnących cząstek do granic cementyt-osnowa. Według autora pracy [17] segregacja zanieczyszczeń do granic międzyfazowych powoduje osłabienie spójności wiązań na granicach, co prowadzi do zmniejszenia udarności.

- 56 -

Wyżej wymienione teorie wywołujące efekt kruchości odpuszczania I-ego rodzaju nie wykluczają się wzajemnie. Za spadek udarności może odpowiadać kilka zjawisk jednocześnie. Niemniej jednak najbardziej prawdopodobną przyczyną kruchości I-ego rodzaju wydają się być międzylistwowe wydzielenia cementytu [179,180,183]. Kruchość ta pokazuje jak bardzo złożone procesy występują podczas odpuszczania stali, gdzie przemiana austenitu szczątkowego i zdrowienie osnowy nakładają się na wydzielanie i przemiany węglików.