Фрактографическое исследование механизма разрушения нитроцементованного слоя

DOI:

При оценке механических свойств важно не только сопротивление металла разрушению, но и характер разрушения [2; 3; 5; 7–14].

Целью данной работы было определить характер излома ударных образцов сталей 20 и 20Х в нитроцементованном слое и в сердцевине. Исследовались образцы после классической и термоциклической нитроцементации.

Поверхность изломов исследовалась в просвечивающем электронном микроскопе типа УЭМВ-100К методом одноступенчатых реплик [1].

Напыление угля на поверхность изломов проводилась в вакуумном посту ЭПП-2 при давлении 10-4 тор путем распыления спектрально чистых угольных электродов из места их контакта во время дугового разряда [4; 6]. Реплики отделялись электоролитически в 7 % растворе Н2SO4 в этиловом спирте. Характер излома исследовался в двух зонах: в упрочненном слое и в сердцевине. Промытые в дистиллированной воде и в спирте реплики просматривались в электронном микроскопе. Фотографирование проводилось при увеличении х8000 и х10000.

Внешним осмотром установлено, что изломы стали 20Х с ударной вязкостью 9,0– 40 Дж/см2 как после серийной так и после предлагаемой технологии имеют хрупкий характер разрушения без заметных следов пластической деформации с мелкокристаллическим строением излома как в слое, так и в сердцевине.

Сталь 20, обработанная по серийной технологии, также при внешнем осмотре не имеет заметных следов пластической деформации, в то время как после обработки по экспериментальным режимам излом имеет заметную деформацию, приведшую к значительному искажению поперечного сечения образца. Характер разрушения в слое хрупкий, мелкокристаллический (рис. 1), сердцевина образца имеет вязкий характер разрушения с заметным волокнистым строением, образовавшегося в результате пластического течения металла при разрушении.

При исследовании изломов с низкой ударной вязкостью при увеличении х550 в диффузионном слое наблюдаются участки как хрупкого так и вязкого разрушения, процент хрупкости составляющей достигает 25 %. В сердцевине наряду с хрупким разрушением типа скола имеются участки вязкого разрушения чашечного строения со среднем размером «чашки» 0,025 мм. У образцов с высокой ударной вязкостью строение излома диффузионного слоя носит такой же характер как и у образцов с низкой ударной вязкостью, но с более мелким размером фасеток излома.

Сердцевина отличается более мелким размером фасеток вязкого излома, средний размер «чашек» составляет 0,0005 мм. С ро- стом действительного аустенитного зерна измельчается и дисперсность «чашечного» строения.

Таким образом можно считать, что основным фактором определяющим высокое значение ударной вязкости является величина зерна в сердцевине.

С целью выявления более тонкого строения поверхности изломов было проведено электронномикроскопическое исследование в различных участках при увеличении х10000. Электронномикроскопическое исследование поверхности с низкой ударной вязкостью показало, что поверхность излома упрочненного слоя стали 20Х обработанного по стандартному режиму и имеющего ударную вязкость 11 Дж/см2 характеризуется наличием рельефа, присущего хрупкому разрушению о наличием участков пластической деформации по типу квазискола (квазиотрыва). Наблюдаются ступеньки, ручьистые участки с плавными очертаниями, имеющие извилистую траекторию, мелкие язычки, террасы, гребешки. Наряду с участками хрупкого квазискола встречаются участки вязкого разрушения с мелкоямочным микрорельефом излом в сердцевине образца характеризуется наличием рельефа присущего хрупкому квазисколу чашечного строения, чашки крупные, на дне чашек имеются следы от включений.

В упрочненном слое стали 20, обработанной при девяти циклах имеющей ударную вязкость 86 Дж/см2, наблюдается значительная доля участков вязкого разрушения, выяв-

Рис. 1. Характер излома в диффузионном слое стали 20, обработанная по серийной технологии. х10000

лены округлые ямки в основном небольшого размера, имеются участки хрупкого разрушения (рис. 2). Излом в сердцевине представляет собой чашечное строение, чашки крупные, на дне чашек имеются следы от включений.

Поверхность диффузионного слоя стали 20 обработанной при пяти циклах и имеющей ударную вязкость 158 Дж/см2 характеризуется в основном, вязким разрушением с мелкоямочным микрорельефом (рис. 3). Ямки округлые небольших размеров, на дне ямок имеются следы от включений, но встречаются и участки характерные для хрупкого квазиско-ла. Излом в сердцевине характеризуется ямочным строением, ямки крупные следами от включений на дне. Поверхность излома диффузионного слоя стали 20, характеризует- ся наличием микрорельефа, присущего хрупкому разрушению с наличием участков пластической деформации. Первая зона – вязкая. Чашки крупные со следами от включений на дне. Вторая зона характеризуется наличием рельефа, характерного для хрупкого разрушения, но встречаются и участки вязкого разрушения. Различное строение излома в сердцевине в зависимости от зоны его разрушения свидетельствует о влиянии на строение излома не только исходной структуры, но и характера разрушения.

Разрушение упрочненного слоя и сердцевины стали после изотермического процесса носит квазискольный характер. Наблюдаются различного рода ступеньки, ручьистые участки, мелкие язычки, террасы.

Рис. 2. Характер излома в диффузионном слое стали 20, после девяти циклов. х10000

Рис. 3. Характер излома в диффузионном слое стали 20, после пяти циклов. х10000

Наличие в изломе диффузионного слоя, обработанного по режимам ХТЦО, участков вязкого разрушения и квазискола свидетельствует о большей энергоемкости процесса разрушения по сравнению с изотермическим процессом, при котором в изломе присутствуют участки межзеренного излома, а элементы вязкого разрушения отсутствуют.

Таким образом, фрактографическое исследование позволило выявить некоторые особенности механизма разрушения стали после ХТЦО по сравнению с изотермическим процессом. При термоциклировании сталей в изломе наблюдается большое количество вязкой составляющей.

Как показали полученные результаты, наибольшее увеличение ударной вязкости достигается за пять циклов. В стали 20Х ударная вязкость возрастает в 2 раза, а в стали 20 в 2,6 раз. Увеличение числа циклов до 9 приводит к значительному снижению ударной вязкости. Так в стали 20Х после ХТЦО значения ударной вязкости становятся меньше, чем после серийной обработки. Дальнейшее увеличение количества циклов приводит к еще большему снижению значений ударной вязкости.