Wpływ temperatury odpuszczania na pracę złamania

Badania pracy złamania KV wykonano na młocie Charpy’ego o energii potencjalnej młota 15 kGm. Zdecydowano się na mniejszą od standardowej energię młota ze względu na przewidywaną, mniejszą odporność na pękanie stali W II i W III. Próbki użyte do badań były wykonane zgodnie z normą europejską PN-EN ISO 148 – 1:2010 [199].

Próbki udarnościowe odpuszczano bezpośrednio po hartowaniu (podobnie jak te do szeregu odpuszczania), aby nie wystabilizować austenitu szczątkowego. Tak przygotowane próbki odpuszczano w nagrzanym piecu przy temperaturach z zakresu 100÷600 °C stopniując temperaturę co 50 °C, przez 2 godziny. Po odpuszczaniu próbki były szlifowane na gotowy wymiar celem usunięcia zgorzeliny. Na rysunkach 62÷64 zamieszczono wpływ temperatury odpuszczania na pracę złamania KV każdej z badanych stali.

- 112 -

Rys. 63. Wpływ temperatury odpuszczania na pracę złamania stali W II

Rys. 64. Wpływ temperatury odpuszczania na pracę złamania stali W III

Najwyższe wartości pracy złamania odnotowano dla stali W I. Dla tej stali zanotowano też największy spadek udarności występujący podczas odpuszczania. Najmniejsze średnie wartości pracy złamania odnotowano dla stali W III, co związane jest z największym stężeniem węgla w jej składzie. Jak widać, w przypadku każdej z badanych stali występuje spadek lub też zmniejszenie udarności w zakresie temperatury odpuszczania z 300 °C. W przypadku stali W I, praca złamania KV spadła z 145 J przy 250 °C do 31 J przy 300 °C. Najmniejsza praca złamania dla tej stali wystąpiła po odpuszczaniu przy 350 °C i równa była 14 J. Po odpuszczaniu przy 400 °C praca złamania wzrasta do 135 J czyli niemal do wartości która miała stal W I w zakresie 150÷250 °C.

- 113 -

Dla stali W II zmniejszenie pracy złamania wystąpiło już przy 250 °C. Udarność zmniejszyła się z 48 J przy 200 °C do 31 J. Znaczący wzrost udarności wstąpił dopiero po odpuszczaniu przy 450 °C. Podobną zależność aczkolwiek w dużo mniejszej skali, możemy zauważyć w przypadku stali W III. Udarność zmniejszyła się z 6 J przy 200 °C do 5 J przy 250 i 300 °C. Takie obniżenie udarności utrzymuje się do temperatury odpuszczania 300 °C, powyżej tej temperatury udarność stali W III zaczyna wzrastać.

Opisany powyżej zakres zmian pracy złamania w przypadku trzech badanych stali związany jest z efektem kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju, który szerzej został omówiony w rozdziale 3.1. W przypadku badanych stali, zwłaszcza w przypadku stali W I i W II, efekt ten może być dramatyczny w skutkach. W przypadku nie zachowania ostrożności, mimo oczekiwanego wzrostu odporności na pękanie wskutek odpuszczania przy niewłaściwej temperaturze można doprowadzić do silnego spadku w/w własności. Szczególnie dotyczy to stali niskowęglowych. Występujący efekt kruchości jest bardzo interesujący z punktu widzenia poznawczego i naukowego. Dlatego też, w kolejnych rozdziałach niniejszej pracy podjęto próbę wyjaśnienia tego problemu skupiając się szczególnie na procesach zachodzących w zakresie temperatur odpuszczania 150÷350 °C.

Należy zwrócić także uwagę na kolejny efekt spadku pracy złamania, który wystąpił w badanych stalach po odpuszczaniu przy temperaturze 500 °C a dla stali W II przy temperaturze odpuszczania 550 °C. W przypadku stali W I praca złamania w tej temperaturze spadła z 121 J przy 450 do 54 J, dla stali W II wystąpił spadek pracy złamania z 53 J przy 500 °C do 46 J, natomiast w przypadku stali W III praca złamania spadała z 6 J przy 450 °C do 2 J.

Spadek pracy złamania w opisanym zakresie temperatur związany jest najprawdopodobniej z kruchością odpuszczania drugiego rodzaju, który kojarzony jest przede wszystkim z segregacją fosforu podczas wolnego chłodzenia po odpuszczaniu. Próbki po odpuszczaniu w przypadku opisanych badań chłodzone były na powietrzu, dlatego też wyjaśnienie tego efektu segregacją fosforu jest najbardziej prawdopodobne. Oczywiście prawdopodobną przyczyną tego efektu może być również wydzielanie bogatych w wanad węglików typu MC, których wydzielanie stwierdzono na różniczkach dylatogramów chociaż nie potwierdzono ich metodą dyfrakcji rentgenowskiej. Prawdopodobnie na efekt ten i jego super pozycję wpływają dwie w/w składowe.

Na rysunku 65 zamieszczono fotografie wybranych przełomów próbek udarnościowych wykonanych ze stali WI przy użyciu mikroskopu skaningowego.

- 114 -

a) Todp. = 150 °C 140 J b) Todp. = 150 °C 140 J

c) Todp. = 200 °C 136 J d) Todp. = 200 °C 136 J

- 115 -

g) Todp. = 300 °C 31 J h) Todp. = 300 °C 31 J

i) Todp. = 350 °C 14 J j) Todp. = 350 °C 14 J

k) T_odp. = 400 °C 135 J l) T_odp. = 400 °C 135 J

Rys. 65. Przełomy próbek ze stali WI odpuszczanych przy temperaturach: 150 °C (a, b), 200 °C (c, d), 250 °C (e, f), 300 °C (g, h), 350 °C (i, j), 400 °C (k, l). SEM

- 116 -

W przypadku próbki odpuszczanej przy temperaturze 150 °C (rys. 65a, b) przełom jest w 100 % ciągliwy dołeczkowy. Przy większym powiększeniu (rys. 65b) na dnie większości dołeczków widać drobne wtrącenia o wielkości około jednego mikrometra. W przypadku tej próbki udarność wynosiła około 140 J.

Udarność próbki odpuszczanej przy 200 °C (rys. 65c, d) była nieznacznie mniejsza i wynosiła 136 J. Analiza zdjęć przełomów tej próbki wykazała występowanie dwojakiego charakteru przełomu ale nadal dominuje charakter ciągliwy. Powierzchnia zajmowana przez przełom transkrystaliczny łupliwy wynosiła ok. 10% powierzchni całkowitej. W obrębie przełomu można było zaobserwować niewielkie, wydłużone obszary przełomu transkrystalicznego ciągliwego, najprawdopodobniej mające związek z granicami byłego ziarna austenitu.

W przypadku próbki odpuszczanej przy temp 250 °C (rys. 65e, f) przełom zachowuje podobny charakter jak po odpuszczaniu przy 200 °C i chociaż nietrudno, zwłaszcza przy małym powiększeniu (rys. 65f) wyodrębnić obszar o charakterze kruchym to jednak udarność zachowuje swą dużą wartość 140 J.

Po odpuszczaniu przy temperaturze 300 °C i 350 °C (rys. 65g, h, i, j) udarność spada aż o 131 J. Na całej powierzchni przełomu występuje przede wszystkim przełom o charakterze kruchym, poza miejscami, które najprawdopodobniej odpowiadają granicom ziarna byłego austenitu, na których występował przełom ciągliwy. Jednakże udział tego przełomu jest niewielki i nie wpływa w znaczący sposób na zwiększenie udarności. Po odpuszczaniu przy 300 °C i 350 °C występuje największe nasilenie kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju.

Odpuszczanie przy temperaturze 400 °C spowodowało wyraźny wzrost pracy złamania (rys. 59) do wartości 135 J. Charakter przełomu staje się na powrót ciągliwy dołeczkowy a tylko w środku próbki tworzy się jeszcze niewielki udział przełomu kruchego.

Na rysunku 63 zamieszczono zdjęcia wybranych przełomów próbek udarnościowych wykonanych ze stali W II z mikroskopu skaningowego. Z lewej strony w pozycji a, c, e, g, i, k, m zamieszczono zdjęcia wykonane w technice SE (ang. Secondary Electron). Natomiast z prawej strony w pozycji b, d, f, h, j, l, n zdjęcia wykonane w technice BSE (ang. Backscattered Electron), aby ujawnić ewentualne wydzielenia na powierzchniach tworzącego się przełomu.

- 117 -

a) Todp. = 150 °C 32 J b) Todp. = 150 °C 32 J

c) Todp. = 200 °C 48 J d) Todp. = 200 °C 48 J

- 118 -

g) Todp. = 300 °C 36 J h) Todp. = 300 °C 36 J

i) T_odp. = 350 °C 35 J j) T_odp. = 350 °C 35 J

- 119 -

m) Todp. = 450 °C 50 J n) Todp. = 450 °C 50 J

Rys. 66 Przełomy próbek ze stali WII odpuszczanych przy temperaturach: 150 °C (a, b), 200 °C (c, d), 250 °C (e, f), 300 °C (g, h, ), 350 °C (i, j), 400 °C (k, l), 450 °C (rys. m, n). SEM. a,c,e,g,i,l,m) SE – b,d,f,h,j,k,n) BSE

Dla próbki ze stali W II wartości udarności i jej zmiany w zakresie kruchości odpuszczania I-ego rodzaju są dużo mniejsze niż dla stali W I. Po odpuszczaniu w zakresie 100 ÷ 200 °C (rys. 63) praca złamania tej stali jest bardzo mała. Możemy tylko odnotować, że zmienia się od ok. 20 J do ok. 40 J. Na podstawie oceny jakościowej przełomów próbek z tego zakresu badań możemy stwierdzić niewielki wzrost udziału przełomu ciągliwego. W zakresie 250 ÷ 400 °C gdy odnotowujemy niewielki efekt zmniejszenia odporności na pękanie: przełomy (rys. 66e, f aż do 66 k,l) wykazują wzrost udziału obszarów kruchych. Dopiero po odpuszczaniu przy 450 °C wzrasta udarność (rys. 60) i również udział przełomu narzuconego zmianą ciągliwości, głównie wzdłuż granic ziarna byłego austenitu.

Na rysunku 64 zamieszczono wybrane fotografie przełomów próbek udarnościowych wykonanych ze stali W III z mikroskopu skaningowego.

- 120 -

a) Todp. = 150 °C 4,9 J b) Todp. = 150 °C 4,9 J

c) Todp. = 200 °C 5,6 J d) Todp. = 200 °C 5,6 J

- 121 -

g) Todp. = 300 °C 4,6 J h) Todp. = 300 °C 4,6 J

i) Todp. = 350 °C 4,9 J j) Todp. = 350 °C 4,9 J

- 122 -

m) Todp. = 450 °C 5,6 J n) Todp. = 450 °C 5,6 J

Rys. 67. Zdjęcia przełomów próbek ze stali WIII odpuszczanych przy temperaturach: 150 °C (a, b), 200 °C (c, d), 250 °C (e, f), 300 °C (g, h), 350 °C (i, j), 400 °C (k, l), 450 °C (rys. m, n). SEM – SE

W przypadku stali W III praca złamania próbek wybranych do badań fraktograficznych jest bardzo mała i mieści się w zakresie od 4,5 do 6 J. Spadek pracy złamania do wartości 4,5 J nastąpił po odpuszczaniu przy temperaturze 300 °C. Natomiast wzrost pracy złamania do wartości 5,9 J po odpuszczaniu przy 400 °C. Tak małe wahania pracy złamania nie znalazły odzwierciedlenia w charakterze przełomów. Praktycznie w każdym przypadku jest on niemal identyczny. Przy dużych powiększeniach widać sferoidalne wydzielenia cementytu drugorzędowego, który nie rozpuścił się podczas austenityzowania. Często wokół tych węglików występują dołeczki. Przy większych powiększeniach pomiędzy węglikami widać wyraźnie płaszczyzny łupliwości, na których, zwłaszcza w zakresie kruchości odpuszczania I-ego rodzaju 250 ÷ 350 °C można zaobserwować bardzo drobne wydzielenia. W przypadku próbki odpuszczanej przy 300 °C ilość wydzieleń wydaje się największa. Po odpuszczaniu przy 450 °C a więc poza zakresem zwiększonej kruchości przełom staje się quasi-łupliwy.

- 123 -

4.4.3. Wpływ temperatury odpuszczania na współczynnik intensywności