- уменьшения концентрации углерода в α-растворе;
- нарушения когерентности на границе карбид — матрица и снятия упругих микронапряжений;
- коагуляции карбидов и увеличения межчастичного расстояния;
- развития возврата и рекристаллизации.
37. Отпуск сталей. Превращения в стали при отпуске, изменение микроструктуры и свойств. К изменению каких свойств стали приводит высокий отпуск
14.11. Изменение свойств при отпуске сталей. Виды отпуска
Углеродистые стали. Закаленная углеродистая сталь характеризуется не только высокой твердостью, но и очень большой склонностью к хрупкому разрушению. Кроме того, при закалке возникают значительные остаточные напряжения. Поэтому закалку углеродистых сталей обычно не применяют как окончательную операцию. Для увеличения вязкости и уменьшения закалочных напряжений после закалки применяют отпуск.
На рис. 4.28 видно, что до температуры отпуска около 100 °С твердость закаленной стали или практически не меняется, или слабо (на 1–2 HRC) возрастает. С дальнейшим повышением температуры отпуска твердость плавно снижается.
С ростом температуры отпуска разупрочнение усиливается из-за следующих причин: 1) уменьшения концентрации углерода в α-растворе; 2) нарушения когерентности на границе карбид−матрица и снятия упругих микронапряжений; 3) коагуляции карбидов и увеличения межчастичного расстояния; 4) развития возврата и рекристаллизации. В разных температурных интервалах преобладает действие разных факторов разупрочнения в соответствии с интенсивностью развития тех или иных структурных изменений.
В высокоуглеродистых сталях, содержащих значительное количество остаточного аустенита, распад его с выделением карбида задерживает падение твёрдости, а - в интервале температур 200–250°С даже несколько увеличивает ее.
Прочностные характеристики углеродистой стали (временное сопротивление, предел текучести и твердость) непрерывно уменьшаются с ростом температуры отпуска выше 300°С, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) непрерывно повышаются (рис. 4.29). Ударная вязкость начинает интенсивно возрастать при отпуске выше 300 °С. Максимальной ударной вязкостью обладает сталь с сорбитной структурой, отпущенная при 600 °С. Некоторое снижение ударной вязкости при температурах отпуска выше 600 °С можно объяснить тем, что частицы цементита по границам ферритных зерен, растущие вследствие растворения частиц внутри α-фазы, становятся слишком грубыми.
Рис. 4.28. Зависимость твердости углеродистых сталей разного состава от температуры отпуска.
Рис. 4.29. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали.
По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (120–250 °С) широко применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий и после поверхностной закалки. Цель низкого отпуска − уменьшение остаточных закалочных напряжений. Температуру низкого отпуска выбирают такой, чтобы твердость и износостойкость не снизились или слабо снизились.
Выдержка при температуре низкого отпуска обычно не превышает 1−3 ч; с дальнейшим увеличением выдержки остаточные напряжения очень слабо уменьшаются.
Разновидность низкого отпуска − стабилизирующий отпуск. В закаленной стали даже при комнатной температуре, а тем более в результате климатических колебаний температуры происходят медленные (в течение многих лет) процессы распада мартенсита, перехода остаточного аустенита в мартенсит и снятия напряжений. Все эти явления ведут к постепенному изменению размеров изделия. Для таких изделий, как мерительный инструмент высокого класса точности и прецизионные подшипники, недопустимы изменения размеров даже на насколько микронов. Стабилизации мартенсита и напряженного состояния достигают низким (стабилизирующим) отпуском при 100–180 °С с выдержкой до 30, а иногда и до 150 ч.
Средний отпуск на троостит (350–450 °С) используют тогда, когда необходимо получить в стали сочетание высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.
Высокий отпуск на сорбит (450–650 °С) широко применяют в машиностроении к изделиям из конструкционной стали, которые должны характеризоваться не только достаточной прочностью, но и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам. Выдержку при высоком отпуске (обычно несколько часов) подбирают опытным путем для получения заданного комплекса свойств.
Двойная операция получения сорбита − закалка с высоким отпуском − называется улучшением. Эту операцию применяют к среднеуглеродистым сталям, содержащим от 0,35 до 0,6 % С. Такие стали называют улучшаемыми в отличие от малоуглеродистых цементуемых.
Скорость охлаждения с температуры отпуска не влияет на механические свойства углеродистых сталей, и если не опасны термические напряжения, то можно проводить ускоренное охлаждение.
Легированные стали. Легирующие элементы, затрудняющие распад мартенсита и коагуляцию карбидов, смещают температурную границу начала интенсивного разупрочнения при отпуске с 200−300 до 450–550 °С. Повышение красностойкости закаленной стали, т.е. способности ее сопротивляться смягчению при нагреве, − одна из основных целей легирования в производстве инструмента.
Для конструкционных легированных сталей весьма важно, что специальные карбиды выделяются при высоком отпуске в более дисперсной форме, чем цементит. Это обеспечивает повышенную вязкость, т.к. микропустоты (очаги разрушения) зарождаются около мелких частиц специального карбида труднее, чем около более крупных частиц цементита.
Отпускная хрупкость присуща многим сталям. В результате медленного охлаждения с температуры высокого отпуска ударная вязкость легированной стали может оказаться в несколько раз (и даже на порядок) меньше, чем после охлаждения в воде с той же температуры. Есть два температурных интервала, при которых у конструкционных сталей ударная вязкость заметно снижается: 250–350 и 500–600 °С. Понижение вязкости называют отпускной хрупкостью, соответственно, I и II рода.
Понижение ударной вязкости после отпуска при 250–350°С наблюдается у всех конструкционных сталей независимо от степени легирования.
Заметное падение ударной вязкости после отпуска 500–600 °С наблюдается только у легированных конструкционных сталей – хромистых, марганцевых, хромоникелевых, хромомарганцевых и т.д. Снижение вязкости почти не происходит в случае быстрого охлаждения от температуры отпуска (в воде или масле). Отпускная хрупкость II рода заметно подавляется даже при медленном охлаждении от температуры отпуска дополнительным легированием сталей молибденом или вольфрамом в количестве 0,3 и 1 % соответственно.
35
studfiles.net
Влияние отпуска на механические свойства сталей
Описанные выше изменения структуры сталей при отпуске приводят к значительному изменению их механических свойств.
Общей тенденцией изменения свойств стали при отпуске является снижение ее прочностных характеристик ( твердости НВ, 0,2,в) и повышение пластических - (,). Причем, при всех видах отпуска суммарное изменение механических свойств обусловлено рядом структурных факторов, действующих часто в противоположных направлениях. Так например, снижение тетрагональности мартенсита приводит к снижению прочностных характеристик и увеличению пластических. Однако выделение мелкодисперсных карбидов или образование вместо однофазного остаточного аустенита, областей с гетерогенной феррито-карбидной в углеродистых или мартенситно-карбидной структурой в легированных сталях, повышает прочностные и снижает пластические характеристики. Конечный результат зависит от соотношения вкладов действующих факторов.
В легированных сталях, содержащих значительное количество карбидообразующих элементов, при температурах 500-5500С твердость не только не снижается, но даже растет, что обусловлено выделением специальных карбидов.
Несмотря на то, что пластические характеристики легированных сталей ис повышением температуры отпуска растут, ударная вязкость ( КСV ) с ростом температуры отпуска изменяется не монотонно. Для многих легированных конструкционных сталей имеется два температурных интервала, в которых с ростом температуры отпуска ударная вязкость не растет, а падает. Первый интервал соответствует температурам 250-3500С, а второй - температурам 500 - 5500С. Явление снижения ударной вязкости при отпуске получило название отпускной хрупкости. Отпускная хрупкость 1 рода ( необратимая ) наблюдается при 250-3500С и повторным нагревом не устраняется. Для ее устранения требуется нагрев до температур выше 4000С. Хрупкость при отпуске в интервале 250-3500С связана с неоднородным по объему распадом мартенсита.
Обратимая отпускная хрупкость П рода наблюдается при отпуске ряда легированных сталей при их длительном пребывании в интервале температур 500 - 5500С. Если охлаждение после отпуска проводить быстро, то отпускная хрупкость не появляется.
Наиболее вероятной причиной появления обратимой отпускной хрупкости является образование карбидов по границам зерен и повышенное содержание на границах зерен фосфора и других элементов, приводящие к более легкому зарождению трещин.
Обратимая отпускная хрупкость может быть устранена повторным нагревом до 600-6500С и быстрым охлаждением.
Структурные превращения стали 40х
Легированные конструкционные стали перлитного класса, закаленные на мартенсит, при отпуске испытывают те же превращения , что и углеродистые стали.
От 80 до 2000С происходит уменьшение степени тетрагональности мартенсита за счет выделения избыточного углерода из- твердого раствора; образуется отпущенный мартенсит, незначительно уменьшается твердость.
От 200 до 3000С идет превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит.
При дальнейшем нагреве до 400 - 4500С снижаются структурные напряжения и формируются карбиды на основе выделяющегося из мартенсита избыточного углерода. Образуется мелкодисперсная смесь феррита и цементита. Образующаяся структура называется троостит отпуска, а укрупнение зерна при дальнейшем повышении температуры отпуска приводит к образованию структуры сорбит отпуска.
В стали 40Х могут возникать два вида отпускной хрупкости: 1 и П рода (рис. 1 )
Среднеуглеродистые ( 0,3 - 0,5 % С ) легированные стали, к которым относится сталь 40Х, приобретают эффективный комплекс механических свойств после улучшения-закалки и высокого отпуска (500-6500 С ). Улучшение этих сталей в отличие от нормализации обеспечивает повышенный предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины. Кроме того, улучшение заметно снижает порог хладноломкости, который в этих сталях, в отличие от низкоуглеродистых, лежит при более высоких температурах.
Улучшаемые легированные стали применяют для большой группы деталей машин, работающих в условиях циклических и ударных нагрузок ( валы, штоки, шатуны и др. ), концентрации напряжений, а в некоторых случаях и при пониженных температурах. При выборе стали кроме предела текучести, вязкости разрушения, чувствительности к надрезу важное значение могут иметь также величины верхнего и нижнего порогов хладноломкости, сопротивление усталости.
Хромистая сталь 40Х относится к дешевым конструкционным материалам с достаточно высокими механическими свойствами ( см. табл. 1).
Таблица 1
Термическая обработка и механические свойства улучшаемых легированных сталей
| Сталь | Температура закалки, 0С | Охлаждающая среда | О Т П У С К | в | 0,2 | | | КСU, МДж/м2 | |
| Температура,0С | Среда охлаждения | | % | ||||||
| Не менее | |||||||||
| 40Х | 860 | Масло | 5000 С | Вода, масло | 1000 | 800 | 10 | 45 | 0,6 |
0
300
600
900
1200
1500
1800
150
300
450
600
0
20
30
40
50
60
10
Í Í
Í
42
Структурные превращения стали 12Х18Н9Т
Аустенит закалки в стали 12Х18Н9Т неустойчив, так как согласно диаграмме состояния (рис. 2 ) в равновесном состоянии в этой стали помимо аустенита должны содержаться феррит и карбиды типа М23С6.
При нагреве закаленной стали аустенит остается устойчивым до температур порядка 4000С. С дальнейшим ростом температуры отпуска происходит образование мелкодисперсных карбидов хрома на границах зерен аустенита. При этом приграничные области аустенита обедняются хромом.
Основным результатом карбидообразования является увеличение твердости стали ( дисперсионное твердение ). Однако, при этом коррозионная стойкость и ударная вязкость стали уменьшаются.
Снижение коррозионной стойкости стали происходит из-за связывания значительного количества хрома в карбидах и снижения его концентрации в аустените вдоль границ зерен наименьшего значения содержания хрома, обеспечивающего коррозионную стойкость, т. е. 12 %, что способствует развитию коррозии.
studfiles.net
8. Отпуск и старение стали
План лекции
1. Отпуск стали
2. Старение
3. Отпуск под нагрузкой
4. Отпуск после шлифования
5. Правка. Эффект кинетической пластичности
6. Термообработка после правки. Методы стабилизации размеров
Отпускомназывается операция термической обработки, при которой в результате нагрева ниже критической точки А1 закаленной на мартенсит стали происходит переход структуры из метастабильного состояния в равновесное или близкое к нему. Отпуск часто является конечной операцией термической обработки. Поэтому его цель – получение определенных характеристик готовых деталей или полуфабрикатов. В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отпуска: низко-, средне- и высокотемпературный. Влияние температуры отпуска на твердость сталей представлена на рис. 8.
Рис.8. Зависимость твердости углеродистых сталей от температуры отпуска.
Низкий отпуск выполняется при температурах 80-250 °С с получением структуры в углеродистых, низко- или среднелегированных сталях отпущенного мартенсита и приводит к частичному снятию внутренних напряжений. Такой отпуск проводится для цементованных, нитроцементованных закаленных деталей и после закалки т.в.ч., а также для инструмента, который должен иметь высокую твердость 60-63HRC.
Средний отпуск выполняется при температурах 320-450°С и обеспечивает в углеродистых и низколегированных сталях структуру троостита отпуска с твердостью 41-49HRC и практически полное снятие остаточных напряжений. Детали с такой структурой имеют высокий предел упругости и усталости, поэтому такой отпуск применяют для рессор и пружин.
Высокий отпуск проводится при температурах 450-700°С и обеспечивает распад мартенсита углеродистых, низко-, среднелегированных сталей на сорбит отпуска. Сочетание закалки с высоким отпуском называется улучшением. Это связано с тем, что после такой обработки достигается сочетание высоких значений прочности, пластичности и вязкости сталей. Твердость находится в пределах 250-350 НВ, прочность по сравнению с закаленным состоянием понижается в 1,5-2,0 раза, а пластичность и вязкость в несколько раз. Высокотемпературный отпуск применяется для широкого круга деталей, у которых необходимо иметь перечисленный комплекс свойств. Разновидностью высокого отпуска является дисперсионное твердение для высоколегированных сталей: жаропрочных, высокопрочных, быстрорежущих. Данная термическая обработка выполняется чаще всего при температурах 460-700°С.
При назначении температур отпуска нельзя забывать об отпускной хрупкости, которая приводит к значительному снижению ударной вязкости закаленных изделий. Необратимая отпускная хрупкость первого рода проявляется при температурах около 300 °С, поэтому стали при отпуске не нагревают до этой температуры. Обратимая отпускная хрупкость второго рода наблюдается при температуре ~500 °С только в легированных хромом, никелем, марганцем сталях, особенно при совместном их введении. Склонность сталей к хрупкости второго рода увеличивается при содержании в стали примесей фосфора, мышьяка, сурьмы и олова. Данный тип отпускной хрупкости не проявляется в углеродистых и высокочистых по примесям легированных сталях.
Старение – это операция термической обработки, при которой в закаленном без полиморфного превращения сплаве происходит распад пересыщенного твердого раствора. Причиной старения стали является пересыщение феррита углеродом и азотом, а также примесными атомами и характерно для низкоуглеродистых сталей (≤ 0,03 % С). В результате старения происходит повышение твердости, прочности и снижение пластичности, вязкости стали, при этом сохраняется их значение с течением времени. В зависимости о температуры нагрева закаленного сплава старение может происходить при комнатной температуре (естественное старение) или повышенной (искусственное). Кроме того, различают еще два вида старения в зависимости от движущей силы распада: термическое старение, протекающее в закаленном сплаве и деформационное, происходящее в изделиях после пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации.
Термическое старение чаще всего наблюдается в низкоуглеродистых сталях при содержании 0,03-0,05% углерода. При закалке в таких материалах образуется пересыщенный α -твердый раствор, который при старении распадается с выделением избыточных фаз, что ведет к повышению твердости, прочности и снижению пластичности. Наибольший эффект изменения свойств наблюдается при естественном старении, но требуется значительное время. При искусственном старении полученные характеристики прочности ниже, чем при естественном, при этом время старения сокращается.
Холодная пластическая деформация приводит к значительному ускорению процессов распада α - твердого раствора при старении. Для тонких холоднокатаных листов из малоуглеродистой стали старение проводят после рекристаллизационного отжига. Выполнение старения можно провести по двум технологическим схемам. Первая - включает ускоренное охлаждение до ~400 °С, изотермическую выдержку при этой температуре и регламентированное охлаждение со скоростью ~3 °С⁄с. Вторая схема состоит из закалки с температуры рекристаллизационного отжига, затем термическое старение: нагрев до ~400 °С с выдержкой 30 мин и медленное охлаждение.
studfiles.net
2.3. Основные механические свойства стали после отпуска
Характеристики прочности углеродистой стали (временное сопротивление, предел текучести и твердость) непрерывно уменьшаются с ростом температуры отпуска выше 300 оС, а показатели пластичности (относительное сужение и удлинение) непрерывно повышаются (рисунок). Ударная вязкость начинает интенсивно возрастать при температуре отпуска выше 300 оС. Максимальной ударной вязкостью обладает сталь с сорбитной структурой, отпущенная при 600 оС. Некоторое снижение ударной вязкости при температуре выше 600 оС обусловлено образованием слишком грубых частиц цементита.
Рисунок - Влияние температуры отпуска на
механические свойства стали 45.
Структуры С, Т и П можно получить из аустенита при непрерывном охлаждении стали. Причем, твердость полученных структур соответствует твердости стали после отпуска (Сотп, Тотп и Пз). Однако, при одинаковой твердости, относительное сужение и ударная вязкость будут значительно выше у отпущенной стали. Это объясняется тем, что твердость зависит главным образом от дисперсности феррито-цементитной смеси, а на относительное сужение и ударную вязкость сильно влияет форма цементитных частиц. После диффузионного распада аустенита цементит имеет форму длинных пластин, а после отпуска – форму коротких пластин с округлыми краями или сфероидальную форму, обеспечивающую более высокую ударную вязкость.
Например, структура пластинчатого сорбита стали 40, полученная в результате непрерывного охлаждением аустенита, характеризуется следующими свойствами: в = 600 МПа, 0,2 = 340 МПа, = 19 %, ψ = 45 %, 187 НВ и КСV = 60 Дж/см2, а, полученная после высокого отпуска (Сотп), - в = 600 МПа, 0,2 = 400 МПа, = 19 %, ψ = 65 %, 180 НВ и КСV = 120 Дж/см2.
2.4. Виды отпуска
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска, как технологических операций: низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (180 ÷ 250 оС) широко применяют после закалки для инструментальных, подшипниковых сталей, малоуглеродистых сталей после цементации для изготовления деталей и инструментов, работающих на износ, от которых требуется высокая твердость. Цель низкого отпуска – уменьшение остаточных закалочных напряжений. Температуру низкого отпуска выбирают такой, чтобы твердость и износостойкость практически не снижались. Выдержка при температуре низкого отпуска обычно не превышает 1…3 ч.
Средний отпуск на троостит (350 ÷ 450 оС) используют тогда, когда необходимо сочетание высокой прочности, упругости и, вместе с тем, достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.
Высокий отпуск на сорбит (450 ÷ 650 оС) широко применяют в машиностроении к изделиям, изготовленным из конструкционных сталей. Они должны обладать не только достаточной прочностью, но и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам. Длительность высокого отпуска составляет 1…6 ч. в зависимости от габаритных размеров изделия.
Термическая обработка, заключающаяся в закалке и высоком отпуске, называется улучшением. Ее обычно применяют к среднеуглеродистым сталям, содержащим от 0,35 до 0,60 % С. Такие стали называют улучшаемыми.
studfiles.net
37. Отпуск сталей. Превращения в стали при отпуске, изменение микроструктуры и свойств
Отпуском называется операция нагрева закаленной стали для уменьшения остаточных напряжений и придания комплекса механических свойств, которые необходимы для долголетней эксплуатации изделия. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния отличаются от состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым или точечным, как в зернистом перлите.
При отпуске закаленной на мартенсит стали в ней происходят превращения, которые приводят к распаду мартенсита и образованию равновесного структурно-фазового состава. Интенсивность и результат этих превращений зависят от температуры отпуска. Температуру отпуска выбирают в зависимости от функционального эксплуатационного назначения изделия.
В процессе многолетней эксплуатационно-производственной практики сложились три основные группы изделий, требующие для их успешной эксплуатации «своих» специфических комплексов вязкостно-прочностных свойств.
Первая группа: режущие измерительные инструменты и штампы для холодной штамповки. От их материала требуются высокая твердость и небольшой запас вязкости. Вторую группу составляют пружины и рессоры, от материала которых требуется сочетание высокого предела упругости с удовлетворительной вязкостью. Третья группа включает большинство деталей машин, испытывающих статические и особенно динамические или циклические нагрузки. При длительной эксплуатации изделий от их материала требуется сочетание удовлетворительных прочностных свойств с максимальными показателями вязкости.
В зависимости от температуры нагрева существует три вида отпуска: низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий). Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности.
При низком отпуске (нагрев до температуры 200–300°) в структуре стали в основном остается мартенсит, кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в б-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.
Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес. При среднем37б и высоком отпуске сталь из состояния мартенсита переходит в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. При высоком отпуске сталь получает сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичность и вязкость, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит называют кузнечным штампом, пружин, рессор, а высокий – для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений.
Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющей высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом. Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950–970°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.
Цель отпуска – не просто устранить внутренние напряжения в закаленной стали. При низком отпуске мартенсит частично освобождается от пересыщающих его решетку атомов углерода, основу мартенсита отпуска составляет пересыщенный твердый раствор углерода.
Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре от 350 до 450 °C. При таком нагреве завершается распад мартенсита, приводящий к образованию нормальных по составу и внутреннему строению феррита и цементита. Вследствие недостаточной интенсивности диффузионных процессов размер зерен образующихся фаз оказывается очень малым.
Высокотемпературный (высокий) отпуск осуществляется при 500–650 °C. При таких условиях нагрева при усилившихся диффузионных процессах происходит образование более крупных зерен феррита и цементита, сопровождающееся снижением плотности дислокаций и полным устранением остаточных напряжений.
Получающийся при высоком отпуске продукт распада мартенсита, называемый сорбитом отпуска, обладает максимальной для стали вязкостью.
Такой комплекс является идеальным для деталей машин, подвергающихся динамическим нагрузкам. Благодаря этому преимуществу термическую обработку, сочетающую закалку и высокий отпуск, издавна называют улучшением.
studfiles.net
Изменение механических свойств при отпуске сталей и выбор режима отпуска - Отпуск - Старение и отпуск
Изменение свойств углеродистых сталей
Закаленная углеродистая сталь характеризуется не только высокой твердостью, но и очень большой склонностью к хрупкому разрушению. Кроме того, при закалке возникают значительные остаточные напряжения. Поэтому закалку углеродистых сталей обычно не применяют как окончательную операцию, хотя она и может сообщить стали высокую прочность (σв = 130 / 200 кгс/мм2). Для увеличения вязкости и уменьшения закалочных напряжений после закалки применяют отпуск.
Распад мартенсита, казалось бы, должен приводить к дисперсионному твердению, и в общем случае зависимость прочностных свойств стали от температуры отпуска должна быть качественно такая же, как и при старении цветных сплавов. Однако на рисунке видно, что до температуры отпуска около 100 °С твердость закаленной стали или практически не меняется или слабо (на 1 — 2 единицы HRC) возрастает. С дальнейшим повышением температуры отпуска твердость плавно снижается.
Зависимость твердости углеродистых сталей
Зависимость твердости углеродистых сталей разного состава от температуры отпуска (Г. В. Курдюмов).
Почему же распад мартенсита с выделением мелких частиц карбидов при низкотемпературном отпуске закаленной стали не вызывает сильного дисперсионного твердения аналогично дисперсионному твердению алюминиевых и других стареющих сплавов?
Объясняется это тем, что из-за высокой подвижности атомов углерода они успевают образовывать сегрегаты на дислокациях уже в период закалочного охлаждения. Таким образом, в период закалочного охлаждения происходит самоотпуск, причем дисперсионное твердение может дойти до стадии максимального упрочнения.
Поскольку углерод, растворенный в α-железе, вносит большой вклад в упрочнение мартенсита (смотрите Изменение свойств сплавов при закалке на мартенсит), то обеднение раствора углеродом при выделении промежуточных карбидов (например, ε-карбида) уже при низких температурах отпуска вызывает разупрочнение.
С ростом температуры отпуска разупрочнение усиливается из-за следующих причин:
В разных температурных интервалах преобладает действие разных факторов разупрочнения в соответствии с интенсивностью развития тех или иных структурных изменений (смотрите Структурные изменения при отпуске сталей). В высокоуглеродистых сталях, содержащих значительное количество остаточного аустенита, распад его с выделением карбида задерживает падение твердости, а в интервале температур 200 — 250 °С даже несколько увеличивает ее.
Влияние температуры отпуска на механические свойства стали 45
Так как упрочняющий отпуск закаленной углеродистой стали не имеет практического значения, то часто с отпуском любых сталей связывают представление об обязательном смягчении, хотя, как будет показано ниже, это представление ошибочно.
Прочностные характеристики углеродистой стали (предел прочности, предел текучести и твердость) непрерывно уменьшаются с ростом температуры отпуска выше 300 °С, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) непрерывно повышаются. Ударная вязкость, очень важная характеристика конструкционной стали, начинает интенсивно возрастать при отпуске выше 300 °С.
Максимальной ударной вязкостью обладает сталь с сорбитной структурой, отпущенная при 600 °С. Некоторое снижение ударной вязкости при температурах отпуска выше 600 °С можно объяснить тем, что частицы цементита по границам ферритных зерен, растущие за счет растворения частиц внутри α-фазы, становятся слишком грубыми.
«Теория термической обработки металлов»,И.И.Новиков
Легирующие элементы, затрудняющие распад мартенсита и коагуляцию карбидов (смотрите Структурные изменения при отпуске сталей), смещают температурную границу начала интенсивного разупрочнения при отпуске с 200 — 300 до 450 — 550 °С. Повышение красностойкости закаленной стали, т. е. способности ее сопротивляться смягчению при нагревании, — одна из основных целей легирования в производстве инструмента. Для конструкционных легированных…
Отпускная хрупкость присуща многим сталям. Сталь в состоянии отпускной хрупкости характеризуется низкой ударной вязкостью. На других механических свойствах при комнатной температуре состояние отпускной хрупкости практически не сказывается. На рисунке схематично показано влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали, в сильной степени склонной к отпускной хрупкости. Во многих легированных сталях наблюдаются два температурных интервала отпускной…
Характер зависимости механических свойств мартенситно-стареющих сталей от температуры отпуска такой же, как у всех дисперсионно-твердеющих сплавов: рост прочностных свойств, достижение максимума упрочнения и затем разупрочнение. По аналогии со старением можно выделить стадии упрочняющего и разупрочняющего отпуска. Упрочнение вызвано образованием сегрегаций на дислокациях и, главное, частично когерентных выделений промежуточных фаз типа Ni3Ti и Ni3Mo. Разупрочнение связано,…
Диффузионная подвижность атомов легирующих элементов, растворенных в α-железе по способу замещения, на много порядков ниже, чем диффузионная подвижность атомов углерода, который растворен в железе по способу внедрения. При температурах отпуска ниже примерно 450 °С в матрице не происходит диффузионного перераспределения легирующих элементов: из α-раствора выделяются карбиды железа, в которых концентрация легирующих элементов такая же, как…
Мартенситностареющие стали — это безуглеродистые сплавы на базе системы Fe — Ni, легированные дополнительно кобальтом, молибденом, титаном и другими элементами. Типичный пример — сплав железа с 17 — 19% Ni, 7 — 9% Со, 4,5 — 5% Мо и 0,6 — 0,9% Ti (Н18К9М5Т). Сплавы этого типа после воздушной закалки на мартенсит подвергают отпуску при…
www.ktovdome.ru
32. Отпуск стали, его цели и основные параметры процесса. Низкий отпуск. Структура и свойства стали после низкого отпуска (на примере стали у10).
Отпуск является окончательной термической обработкой.
Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей.
С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.
Различают три вида отпуска:
1. Низкий отпуск с температурой нагрева Тн = 150…300oС.
В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру – мартенсит отпуска.
Проводят для инструментальных сталей; после закалки токами высокой частоты; после цементации.
2. Средний отпуск с температурой нагрева Тн = 300…450oС.
Получают структуру – троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40…45HRC c хорошей упругостью и вязкостью.
Используется для изделий типа пружин, рессор.
3. Высокий отпуск с температурой нагрева Тн = 450…650oС..
Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) – сорбит отпуска.
Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.
Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением.
Отпускная хрупкость
Обычно с повышением температуры отпуска ударная вязкость увеличивается, а скорость охлаждения не влияет на свойства. Но для некоторых сталей наблюдается снижение ударной вязкости. Этот дефект называется отпускной хрупкостью (рис. 14.2).
Рис.14.2. Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска
Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области температур около 300oС. Она не зависит от скорости охлаждения.
Это явление связано с неравномерностьюпревращения оппущенного мартенсита. Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. У границ наблюдается концентрация напряжений, поэтому границы хрупкие.
Отпускная хрупкость I рода “необратима“, то есть при повторных нагревах тех же деталей не наблюдается.
Отпускная хрупкость II рода наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450…650oС.
При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит диффузия фосфора к границам зерна. Приграничные зоны обогащаются фосфором, снижаются прочность и ударная вязкость. Этому деекту способствуют хром, марганец и фосфор. Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам, а также быстрое охлаждение после отпуска.
Отпускная хрупкость II рода “обратима“, то есть при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур дефект может повториться.
Стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650oС без последующего быстрого охлаждения.
studfiles.net
