Превращения при отпуске стали. Термомеханическая обработка.

Сталь после закалки находится в метастабильном состоянии. Исходной структурой закаленной стали является сильно пересыщенный углеродом раствор α-железа – мартенсит и некоторое количество остаточного аустенита. Закаленная сталь обладает высокой твердостью и прочностью, но является ,как правило, хрупкой.

Отпуск состоит в нагреве закаленной стали до температуры ниже точки А_с1 с целью перехода стали в более устойчивое состояние и получения при достаточно высокой прочности удовлетворительного уровня пластичности и вязкости.

Характер структурных изменений, происходящих при отпуске сталей, зависит, во-первых, от состава стали, во-вторых, - от конкретной температуры и продолжительности отпуска. Рассмотрим процессы, происходящие при отпуске углеродистых сталей.

Распад мартенсита с выделением карбидов – главный процесс при отпуске сталей. Распад мартенсита в зависимости от температуры и продолжительности отпуска проходит через стадии предвыделения, выделения промежуточных метастабильных карбидов (типа Fe₃C), выделения цементита и его коагуляции.

Кроме того, структурные изменения при отпуске стали дополняются распадом остаточного аустенита.

Первая стадия отпуска углеродистой закаленной стали проходит при нагреве до 200 ºC (первое превращение при отпуске). Из мартенсита выделяются мельчайшие частицы карбидной фазы (типа Fe_2.4C – ε-карбид). Одновременно тетрагональность решетки уменьшается. Образуется структура отпущенного мартенсита.

При нагреве до температур 200-300 ºC происходит распад остаточного аустенита (второе превращение при отпуске). Остаточный аустенит превращается в смесь пересыщенного α - твердого раствора и еще не обособившихся частиц карбидов, т.е. образуется отпущенный мартенсит.

Когда температура отпуска достигает 300-400 ºC, углерод полностью выделяется из α - твердого раствора с образованием Fe₃C (третье превращение при отпуске). При нагреве до 400 ºC сталь состоит из относительно мелких включений феррита и цементита, образующих структуру троостита.

При нагреве до 600 ºC происходит коагуляция карбидов и полная перекристаллизация мартенсита. В результате сталь приобретает структуру сорбита.

Ферритно-цементитные смеси, получаемые при распаде аустенита (сорбит, троостит), отличаются от ферритно-цементитных смесей, образующихся при распаде мартенсита. В первом случае сорбит и троостит имеют пластинчатую форму цементита, а во втором – зернистую форму. Разная форма цементита обусловливает различия в уровнях механических свойств. Зернистые структуры после отпуска стали обеспечивают у нее более высокие механические свойства, в первую очередь, характеризующиеся большой пластичностью и вязкостью при близкой твердости и прочности. Поскольку сталь после отпуска приобретает структуру сорбита и троостита, по внешним признакам схожую с такой же структурой, получаемой при распаде аустенита, но имеющей принципиальные различия внутреннего строения, принято сорбит и троостит, получаемые в процессе отпуска, называть сорбитом отпуска и трооститом отпуска.

Отпуск стали оказывает существенное влияние на ее механические и служебные свойства. При низких температурах отпуска (до 250 ºC) уменьшается склонность стали к хрупкому разрушению. Пластичность и вязкость стали при низкотемпературном отпуске несколько возрастает из-за уменьшения внутренних напряжений и изменений структуры стали.

С повышением температуры отпуска до 500-600 ºC в структуре стали происходят существенные изменения, сопровождающиеся заметным снижением твердости, временного сопротивления и предела текучести и повышением относительного удлинения, ударной вязкости и трещиностойкости.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки, состоящей из нагрева

стали ниже его критической точки А_с1 с последующим охлаждением, при котором формируется окончательная структура стали. Отпуск проводится после операции закалки. Изменения в структуре при нагреве закаленной стали приводят к изменению ее свойств.

Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводят при 150-200 ºC. Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости мартенсита при сохранениивысокой твердости и износостойкости деталей. Структура стали после низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска. Основная область применения низкого отпуска – режущий и мерительный инструмент, а также машиностроительные детали, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

Средний отпуск проводят при температуре 350-450 ºC. Цель среднего отпуска состоит в некотором снижении твердости при значительном увеличении предела упругости. Структура стали представляет собой троостит отпуска, обеспечивающий высокие пределы прочности, упругости и выносливости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок.

Высокий отпуск проводят при 550-650 ºC. Цель высокого отпуска – достижение оптимального сочетания прочностных и вязких свойств. Структура стали представляет собой однородный сорбит отпуска с зернистым цементитом. Область применения высокого отпуска – конструкционные стали, детали из которых подвергаются воздействию высоких напряжений и ударным нагрузкам.

Термическая обработка, состоящая из закалки с высоким отпуском, улучшающая общий комплекс механических свойств, является основным видом термической обработки конструкционных сталей. Она называется улучшением.

Температуру отпуска обычно выбирают в зависимости от заданной твердости. В этом случае изделие закаливают на максимальную твердость, а затем отпуском твердость снижают до заданной.

Вязкость сталей, особенно легированных, зависит от режима отпуска: температуры, времени выдержки и скорости охлаждения после отпуска (рис.2). При определенных температурах и медленном охлаждении в сталях появляется отпускная хрупкость.

Принято различать отпускную хрупкость 1 и 11 рода.

Отпускная хрупкость 1 рода (необратимая) наблюдается при отпуске как легированных,

так и углеродистых сталей при температуре около 300 ºC ( в интервале температур 250-400 ºC).

Причина отпускной хрупкости 1 рода – неравномерность распада мартенсита по границам зерен и внутри зерна при отпуске. Вблизи границ карбиды выделяются интенсивнее, там создается концентрация напряжений, что делает границы зерен более хрупкими. При повышении температуры отпуска или при увеличении продолжительности нагрева структура по сечению зерна выравнивается и отпускная хрупкость 1 рода устраняется. Повторный отпуск при температуре 250-400 ºC не приводит к отпускной хрупкости.

Отпускная хрупкость 11 рода (обратимая) наблюдается при медленном охлаждении после отпуска при температурах 450-550 ºC. Этот вид отпускной хрупкости обратим, так как при повторном нагреве, но быстром охлаждении при этой же температуре он исчезает. При медленном охлаждении по границам зерен успевают выделиться мелкие карбиды, фосфиды и нитриды, которые приводят к их охрупчиванию. При быстром охлаждении эти частицы не выделяются. Этот вид хрупкости характерен для легированных сталей с повышенным содержанием хрома и марганца. Введение в сталь даже небольших количеств молибдена (0,2-0,3% Mo) или вольфрама (0,6-1,0% W) резко снижает склонность к отпускной хрупкости 11 рода.

Мерами борьбы с отпускной хрупкостью 11 рода являются охлаждение после отпуска не на воздухе, а в масле, а для крупных деталей – даже в воде, а также дополнительное легирование стали молибденом и вольфрамом.

Вопросы к теме 9. Превращения при отпуске стали. Термомеханическая обработка.

1.Какую структуру и какие свойства имеет сталь после закалки?

2. В чем заключается отпуск стали? Какова его цель?

3. От каких факторов зависит характер структурных изменений при отпуске?

4. Какие процессы происходят при отпуске?

5. Охарактеризуйте первую стадию отпуска углеродистых сталей.

6. Охарактеризуйте вторую стадию отпуска углеродистых сталей.

7. Охарактеризуйте третью стадию отпуска углеродистых сталей.

8. Охарактеризуйте четвертую стадию отпуска углеродистых сталей.

9. В чем принципиальное развитие в строении феррито-цементитных смесей, получаемые при распаде аустенита (сорбит, троостит), отличаются от ферритно-цементитных смесей, образующихся при распаде мартенсита?

10. Как влияет форма цементита на механические свойства углеродистых сталей?

11. Какие различают виды отпуска?

12. Охарактеризуйте низкий отпуск.

13. Охарактеризуйте средний отпуск.

14. Охарактеризуйте высокий отпуск.

15. Как называют термическую обработку, состоящую из закалки с высоким отпуском?

Какова ее цель?

16. Чем руководствуются при выборе температуры отпуска?

17. Что называют отпускной хрупкостью?

18. Охарактеризуйте отпускную хрупкость 1 рода.

19. Охарактеризуйте отпускную хрупкость 11 рода.