Механические свойства неравновесных структур стали

Троостит имеет твердость 400…450 НВ, он тверже сорбита. Троостит более мелкозернистая структура, чем сорбит. Троостит игольчатой структуры (игольчатый троостит) называется бейнитом. Сорбит имеет твердость 250…300 НВ. Сорбит тверже перлита и имеет более мелкозернистую структуру, чем перлит. Твердость сплавов проявляется в сопротивлении пластической деформации при сдвиге. Чем выше при закалке скорость охлаждения стали, тем мельче зернистость структуры и тем выше твердость стали, так как увеличивается блокировка сдвигов.

На практике закалку осуществляют нагревом стали до температуры на 30…50 °С выше аустенитных превращений, выдержкой и последующим быстрым охлаждением в жидкой среде. Закалке подвергают готовые изделия. Температура нагрева стали под закалку для углеродистых доэвтектоидных сталей на 30…50 °С выше верхней критической точки Ас₃ (линия GS). Для заэвтектоидных сталей она на 30…50 °С выше нижней критической точки Ас₁ (линия PSK). Длительность выдержки при температуре закалки определяется временем, необходимым для превращения исходной структуры в аустенит. Скорость охлаждения определяется получением требуемой структуры. Скорость охлаждения регулируется подбором закалочной среды (воды, масла, расплава соли и др.).

Охлаждающая способность закалочной среды зависит от ее физических свойств, температуры и объема. Все закалочные среды делят на три группы: с малой (воздух, расплав натриевой селитры, сжатый воздух), умеренной (масло, вода при температуре 50…75 °С) и большой скоростью охлаждения (чистая вода с температурой не более 40…50 °С, водные растворы едких щелочей, поваренной соли, кислот, соды, водяной душ).

В зависимости от состава и назначения стали а также вида изделий применяют такие виды закалки, как полная, неполная, ступенчатая, изотермическая, с самоотпуском, светлая и поверхностная.

При полной закалке нагрев деталей производят до температуры на 30…50 °С выше верхней критической точки. Неполную закалку при-меняют для заэвтектоидных сталей. Ее осуществляют нагревом деталей, до температуры, превышающей только нижнюю критическую точку А_С1. После неполной закалки в структуре присутствует мартенсит и оставшиеся от исходной структуры зерна цементита. Изотермическая закалка предполагает нагрев изделий выше верхней критической точки, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение в расплавленных солях с заданной температурой (350…500 °С) до полного распада аустенита. При ступенчатой закалке охлаждение также производится в солях, нагретых до заданной температуры, но выдержка при температуре ванны дается только для выравнивания температуры по сечению изделия. Структурных превращений при выдержке не происходит. Дальнейшее охлаждение ведется ускоренно для получения структуры мартенсита. Светлая закалка осуществляется нагревом деталей в защитной атмосфере и охлаждением в масле для защиты от окисления и потери углерода в поверхностном слое. Поверхностную закалку выполняют быстрым нагревом поверхности детали выше верхней критической точки и последующим охлаждением в соответствующей закалочной среде. Нагрев поверхности можно произвести токами высокой частоты в индукторе. Чем выше частота тока, тем меньше глубина закалки.

Отпуск применяется с целью уменьшения остаточных напряжений, частичного снижения твердости закаленных изделий, повышения вязкости и улучшения обрабатываемости резанием. При отпуске сталь нагревают ниже критической точки Ас₁, выдерживают при этой температуре и охлаждают с заданной скоростью. Известны 3 вида отпуска стали: низкий, средний и высокий.

При низком отпуске изделия нагревают до 130…240 °С. В них начинается процесс выделения углерода из мартенсита с образованием высокодисперсного цементита. Распад мартенсита при низком отпуске происходит незначительно. Структура после низкого отпуска называется мартенситом отпуска. При этом немного снижается твердость и хрупкость закаленных изделий.

При среднем отпуске с нагревом закаленной стали до 240…450 °С происходит распад мартенсита и образование мелкозернистой ферритно-цементитной структуры. Концентрация углерода в твердом растворе стремится к равновесной. Формируются очень мелкие, не различимые под микроскопом зерна цементита. Структура металла среднего отпуска носит название троостит отпуска. Средний отпуск повышает предел упругости и предел выносливости.

Закаленная сталь, подвергнутая высокому отпуску, имеет структуру сорбита отпуска. Высокий отпуск осуществляют нагревом стали до 450…700 °С. В сорбите отпуска при больших увеличениях видны зерна выделившегося цементита. С повышением температуры отпуска прочность и твердость понижаются, а относительное удлинение и вязкость возрастают.

Самое удачное соотношение прочности и вязкости обеспечивается после закалки и высокого отпуска. Такая термическая обработка называется улучшением.

Отжиг предпринимают для получения равновесного фазового и структурного состояния стали.

Отжиг первого рода устраняет неоднородность строения металла, вызванную предшествующей обработкой. Он применяется для гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Его производят при температуре выше и ниже температуры фазовых превращений. При гомогенизации крупные отливки и слитки нагревают до 1100…1200 °С, выдерживают в течение 8…20 ч и медленно охлаждают.

Холодное деформирование металла приводит к наклепу – искажению упорядоченного кристаллического строения, которое сопровождается ростом внутренних напряжений в металле. Наклеп снимают при рекристаллизационном отжиге: металл нагревают выше температуры порога рекристаллизации, обычно до 700 °С, выдерживают 0,5…1,5 ч и медленно охлаждают. Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для изделий после литья, сварки, резания, шлифования. В зависимости от вида обработки изделия нагревают до 160…700 °С, выдерживают 2…3 ч и медленно охлаждают.

Отжиг второго рода снижает фазовую неоднородность стали и позволяет получить сталь равновесной структуры. Полный отжиг применяют для перекристаллизации доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна и снятия остаточных напряжений. При этом сталь нагревают на 30…50 °С выше температуры аустенитных превращений, выдерживают до завершения фазовых превращений и медленно охлаждают (например, вместе с печью). При полном отжиге сначала образуется мелкозернистый аустенит, который при охлаждении со скоростью 0,03…0,05 К/с переходит в мелкозернистый перлит.

При нормализации, которая является разновидностью отжига, процесс охлаждения проводится с большей скоростью, чем при полном отжиге. При нормализационном отжиге ( с охлаждением на спокойном воздухе со скоростью 1…3 К/с) также протекает перекристаллизация стали и формируется мелкозернистая ферритно-цементитная структура. Прочность и твердость нормализованной стали почти на 20 % выше, чем у отожженой стали.