Расширение областей использования деталей из порошковых сталей, в том числе при пониженных температурах, ставит задачу изучения физической природы разрушения порошковых сталей. Понижение температуры в значительной степени охрупчивает стали и сплавы [1-3]. Известен ряд подходов к изучению влияния низких температур на прочность сталей, которые могут быть использованы для изучения хладноломкости порошковых сталей [4-5].
Цель работы – изучение закономерностей хрупкого разрушения порошковых легированных сталей различной степени пористости при понижении температуры испытаний.
Исследования проводили на стали, полученной в результате спекания частично-легированного порошка (0,013 % C; 4,02 % Ni; 0,53 % Mo; 1,49 % Cu; 0,007 S; 0,009 % P; 0,158 % O). Микроструктура спеченных сталей представляет собой смесь упрочняющих составляющих (бейнита и мартенсита), окруженных пластичным и вязким остаточным аустенитом, расположенным, в основном, в области межчастичных границ. Исследование проводилось на стандартных призматических образцах с острым надрезом типа Шарпи и цилиндрических образцах диаметром 5 мм. Закалку, с целью предотвращения растрескивания, проводили в масло. Температура отпуска составляла 600 ºС.
Результаты испытаний на растяжение при различных температурах показали, что во всем диапазоне исследуемых температур 77–293К происходит монотонное снижение предела текучести и предела прочности с ростом температуры испытания. Предел прочности порошковых сталей уменьшается по закону близкому к линейному с изменением пористости от 9,8 до 30 %. При одной и той же пористости предел прочности при 77К выше, чем при 273К. Чем выше температура испытаний порошковой стали в диапазоне пористости 9,8–30 % , тем ниже предел прочности, причем чем ниже пористость, тем эффект проявляется ярче.
Было установлено, что зависимости номинального разрушающего напряжения при изгибе образцов с надрезом порошковой стали с пористостью в диапазоне от 9,8–30 % от температуры испытания практически параллельны и изменяются линейно с изменением температуры. Для случаев пористости более 20 % величину предела текучести во всем диапазоне температур испытания определить не удалось, так как образцы разрушались хрупко. С ростом пористости значительно снижаются предел прочности, предел текучести и разрушающее напряжение при изгибе надрезанного образца. Это можно объяснить снижением живого сечения образца из-за более высокой пористости. Кроме того, скопления закрытых пор являются заметными микроскопическими концентраторами напряжений, способными к взаимодействию с матрицей и между собой. Изменение эффективной площади поперечного сечения было изучено посредством металлографического анализа. Концентрация пластической деформации наблюдалась вблизи больших, в особенности открытых пор. В этом случае поры играют роль концентраторов напряжений, что приводит к негомогенному распределению упругих напряжений и микропластической деформации. Микронегомогенность структуры приводит к избирательной локализации деформации в пределах мостиков между порами.
Таким образом, наибольшую опасность представляют открытые поры с малым радиусом вершины. Можно утверждать, что изменение механических свойств в зависимости от пористости при других неизменных параметрах обусловлено не только уменьшением эффективного сечения нагруженного образца, но и статистическим распределением и типом пор, которые приводят к возникновению локальной концентрации напряжений.