Механічні властивості сталі після розпаду мартенситу

Розпад мартенситу при відпуску впливає на всі властивості сталі. При низьких температурах відпуску (до 200-250 °С) зменшується схильність сталі до крихкого руйнування. У випадку низькотемпературного відпуску твердість загартованої й відпущеної сталі не залежить від вмісту в ній легуючих елементів і визначається в основному вмістом вуглецю в -розчині. Тому высоковуглецеві сталі, що мають високу твердість після гартування, зберігають її (більш високий вміст вуглецю в мартенситі) і після відпуску при температурах до 200-250 °С. Міцність і в'язкість сталі при низьких температурах відпуску трохи зростають внаслідок зменшення макро- і мікронапруг і зміни структурного стану (виділення зміцнюючих фаз-карбідів). З підвищенням температури відпуску від 200-250 до 500-680 °С помітно знижується твердість, тимчасовий опір, границя текучості й підвищується відносне подовження й звуження.

Це пояснюється зменшенням вмісту вуглецю в - розчині, зривом когерентності на границі між карбідами й - фазою, розвитком у ній спочатку процесів повернення, а при високій температурі - рекристалізації, а також коагуляцією карбідів.

Всі леговані сталі, що особливо містять карбідоутворюючі елементи, після відпуску при однакових порівнюваних температурах мають більше високу твердість, ніж вуглецеві сталі, що пов'язане з уповільненням розпаду мартенситу, утворенням і коагуляцією карбідів. У сталях, що містять велику кількість таких елементів, як хром, вольфрам або молібден, у результаті відпуску при високих температурах (500-600 °С) спостерігається навіть підвищення міцності й твердості, пов'язане з виділенням у мартенситі часток спеціальних карбідів, що підвищують опір пластичній деформації.

Технологія термічної обробки сталей

Термічна обробка є дуже важливою операцією у технологічному циклі виготовлення багатьох деталей. Тільки за допомогою термічної обробки можливо отримати високі механічні властивості сталі, які забезпечують нормальну роботу деталей сучасних машин а також інструменту.

В залежності від того, піддається сталь тільки термічному впливу, чи суміщенню термічного впливу з пластичною деформацією, або дифузійному насиченню поверхні тим чи іншим хімічним елементом розрізняють: власне термічну обробку (ТО), термомеханічну (ТМО), чи хіміко-термічну (ХТО).

До власне термічної обробки відноситься відпал І роду, відпал ІІ роду, гартування і відпуск.

Відпал І роду

Відпал І роду – нагрів сталі до певної температури , витримки з наступним,як правило повільним охолодженням, в результаті якого фазові перетворення якщо і проходять, то не викликають суттєвого впливу на кінцевий структурний стан. Цей відпал застосовується для усунення хімічної неоднорідності, що виникає при кристалізації металу, зміни в структурі після пластичної деформації та зняття залишкових напружень (напружень обробки).

Гомогенізуючий (дифузійний відпал). Цей відпал застосовують для усунення дендритної ліквації у зливках легованої сталі, оскільки ліквація знижує пластичність та в'язкість. Цей відпал підвищує однорідність структури і кольорових сплавів. Для усунення внутрішньо-кристалітної ліквації та розчинення незрівноваженої надлишкової карбідної фази евтектичного походження леговані сталі нагрівають до температур 1050…1250°С, витримують 10…15 год. і повільно охолоджують. Висока температура нагріву забезпечує проходження дифузійних процесів, які необхідні для вирівнювання хімічного складу. Для зменшення окалиноутворення використовують швидкісний нагрів,а час витримки залежить від ваги садки. Повільне охолодження забезпечує отримання однорідної структури із великим (крупним) зерном, яке подрібнюють під час наступної деформації чи термічної обробки. Загальна тривалість відпалу (нагрів, витримка, охолодження) в залежності від маси металу дорівнює 50…100 годин.

Рекристалізаційний відпал. Цей процес представляє собою нагрів холоднодеформованої сталі вище температури рекристалізації, витримки при цій температурі з наступним повільним охолодженням. Цю термічну обробку використовують як попередню операцію перед холодною обробкою тиском (для надання матеріалу найбільшої пластичності),як проміжний процес між операціями холодного деформування (для зняття наклепу), та як кінцеву термічну обробку для отримання певного розміру зерна (для надання напівфабрикатам чи виробам необхідних властивостей). Низьковуглецеві сталі з 0,02…0,2 % С нагрівають при відпалі до температур 680…700°С і витримують протягом 3…6год. Рекристалізаційний відпал прокату проводять при температурі 680…740°С протягом 0,5…1,5 год. При відпалі, окрім рекристалізації фериту, може проходити коагуляція і сфероїдизація цементиту, що підвищує пластичність сталі і полегшує обробку тиском.

Відпал для зняття залишкових напружень застосовують для виливків, зварних з'єднань, після обробки деталей різанням, коли через нерівномірне охолодження, пластичне деформування у виробах виникають залишкові напруження. Мета відпалу – зменшення шкідливих напружень розтягнення, особливо небезпечних при об'ємному напруженому стані. Цей відпал підвищує опір втомі та ударним навантаженням, знижує схильність виробів до крихкого руйнування, міжкристалітної корозії та до корозійної втоми, стабілізує розміри виробів та запобігає їхньому викривленню та жолобленню.

Температура відпалу вибирається в залежності від мети, це 200…700°С, і зокрема для стабілізації розмірів чавунних виливків відпал проводять при температурі 500…600°С,зняття напружень після механічної обробки відбувається при температурі 570…600°С, при температурі 160…180°С знімають шліфувальні напруження. Зварні з'єднання відпалюють при 650…700°С. Витримка як правило підбирається дослідним шляхом, і дорівнює 2…4 години.

Відпал ІІ роду (фазова перекристалізація)

Під відпалом ІІ роду розуміють нагрів сталі до температур вище точок А_С3 чи А_С1 витримці, з наступним повільним охолодженням, в результаті яких проходять фазові перетворення, які вливають на кінцевий структурний стан. Структура після відпалу ІІ роду відповідає структурному складу діаграми Fe-Fe₃C. При фазовій перекристалізації подрібнюється зерно сталі, усувається відманштеттова структура, зменшується структурна неоднорідність. Цей відпал сприяє підвищенню пластичності та в'язкості. Відпал ІІ роду може бути як попередньою, так і кінцевою термічною обробкою для виливків, поковок, сортового і фасонного прокату, труб, листів. Основними параметрам відпалу є температура, час витримки при заданій температурі та швидкість охолодження. Ці параметри повинні забезпечувати необхідні фазові перетворення і унеможливлюються фазові перетворення, що відбуваються дифузійним шляхом і забезпечують необхідні зміни структури.

До відпалу ІІ роду відноситься: повний, неповний, ізотермічний, низький, нормалізаційний, графітизуючий, сфероїдизуючий.

Повний відпал. При такому відпалі нагрів сталі проводять до температур на 30…50°С вище А_С3 (GS), витримка до повного прогріву металу і повільне охолодження разом з піччю. При цьому протікають процеси повної фазової перекристалізації.

При нагріві до температур вище точки А_С3 утворюється аустеніт. Він утворюється на границі розділу фериту і цементиту, тому при нагріві на 30…50°С вище температури точки А_С3 число зародків завжди достатньо велике і зерно аустеніту, яке утворюється буде дрібним (невеликим). Надмірне підвищення температури вище точки А_С3 приводить до росту зерна аустеніту. Швидкість нагріву садки при повному відпалу 100°/ год., час витримки 0,25…1,0 год. на 1 т. садки.

Повільне охолодження при відпалі залежить від стійкості переохолодженого аустеніту, а відповідно і від складу сталі, стійкість аустеніту залежить від кількості легуючих елементів. Леговані сталі охолоджують зі швидкістю 10-100°/год., а леговані 150-200°/год. Після розпаду аустеніту в перлітній області охолодження можна вести на повітрі. Це зменшує можливість утворення відпускної крихкості. Такому відпалу піддають: поковки, фасонні виливки, зливки легованих сталей для зниження твердості та покращення обдирання перед прокаткою.

Неповний відпал. Нагрів при цьому відпалі проводять у двохфазну область, тобто вище точки А_С1. Доевтектоїдні сталі піддають неповному відпалу для зняття напружень і покращення обробки різанням, застосовується для сталей, у яких попередня термічна обробка не призвела до утворення відманштеттової структури.

Для заевтектоїдних сталей неповний відпал застосовується для отримання зернистого перліту (сфероїдизація).

Сталь із зернистим перлітом має більш низьку твердість, межу міцності і більш високі значення відносного подовження і звуження, вона менше схильна перегріву, утворенню тріщин і деформаціям при гартуванні.

Відпалу на зернистий перліт піддають тонкі листи і прутки і низько вуглецевої сталі перед холодним штампуванням чи волочінням для підвищення пластичності.

Ізотермічний відпал. Такому відпалу піддають в основному леговані сталі. Нагрів при цьому здійснюється то температур вище точки А_С3, витримують при заданій температурі і охолоджують до температур на 100…150°С нижче температури точки А_С1 (~650°С у другій печі) і при цій температурі проводиться ізотермічна витримка для повного розпаду аустеніту, після чого швидко охолоджують на повітрі. Переваги – скорочується термін відпалу, структура, яка при цьому утворюється, більш однорідна. Ізотермічному відпалу піддають прокат, поковки та інші заготовки невеликих розмірів із легованих сталей.

Низький відпал (високий відпуск). Леговані сталі в деяких випадках після гарячої пластичної деформації (прокатки) мають структуру сорбіту, трооститу або мартенситу,а відповідно і високу твердість. Для зменшення твердості сортовий прокат піддають відпуску при температурі 650…680°С. при таких температурах відбувається розпад мартенситу, коагуляція карбідів і зниження твердості.

Вуглецеві сталі піддають високому відпуску у тих випадках, коли вони призначаються для обробки різанням, холодній висадці чи волочінню. Для високолегованих сталей, у яких перлітне перетворення повністю відсутнє, високий відпуск (низький відпал) є єдиною термічною обробкою, яка дозволяє знизити їх твердість.

Нормалізацйний відпал (нормалізація). Нормалізація – нагрів доевтектоїдної сталі до температур на 50…60°С вище точки А_С3 , а заевтектоїдної вище точки А_cm (SE), витримка при заданій температурі і наступне охолодження на повітрі. Нормалізація усуває крупнозернисту будову, застосовується для покращення властивостей сталевих виливок. Прискорене охолодження на повітрі сприяє розпаду аустеніту при більш низьких температурах, що підвищує дисперсність ферито-цементитної суміші і збільшує кількість перліту в суміші. В результаті такого процесу підвищується міцність на 10..15%, та твердість, внаслідок подрібнення зерна покращується в'язкість. Нормалізацію застосовують інколи взамін відпалу, оскільки вона дешевша, взамін гартування сеердньовуглецевих сталей. Механічні властивості хоч і нижчі після нормалізації, але ця операція термічної обробки простіша, дає меншу деформацію ніж гартування. У заевтектоїдних сталей нормалізація усуває цементитну сітку, а нормалізація і високий відпуск при температурі 600…650°С виправляє структуру у легованих сталей.

Графітизуючий відпал. Такий відпал проводять при температурі 950…975°С, використовується для отримання ковкого чавуну. При ізотермічній витримці проходить розпад цементиту на аустеніт і графіт.

Сфероїдизуючий відпал евтектоїдної та заевтектоїдної сталей складається з нагрівання до температури дещо вищої від точки А_С1, тривалого витримування, повільного охолодження (30…40°/год) до 600°С і далі на повітрі, або циклічного багаторазового нагрівання вище від точки А_С1 і охолодження нижче від точки Аr₁. При цьому відбувається усунення пластинчастого перліту та сітки цементиту, утворюється кінцева структура фериту та зернистого цементиту. Сфероїдизацію карбідів здійснюють для підвищення обробки різанням високовуглецевих інструментальних сталей, підвищення пластичності мало- і середньовуглецевих сталей перед холодним штампуванням і волочінням.

Гартування сталей

Гартування – така термічна обробка під час якої проводиться нагрів сталі до температур на 30…50°С вище точки А_С3 чи А_С1, витримці при цих температурах для завершення перетворень з наступним охолодженням зі швидкістю вище критичної. Гартування – це не кінцева термічна обробка. Залежно від температури нагрівання розрізняють повне і неповне гартування. При повному гартуванні, якому піддають лише доевтектоїдні сталі, сталь нагрівають на 30…50°С вище за А_С3 (лінія GS) для отримання вихідної структури аустеніту. Для неповного гартування доевтектоїдну сталь нагрівають в інтервалі температур А_С1 - А_С3 (до 760…780°С). Після гартування з цього інтервалу температур у сталі поряд з мартенситом зберігаються ділянки фериту, у яких перетворення не пройшло. Присутність фериту приведе до зниження твердості та механічних властивостей сталі після відпуску.

Нагрів доевтектоїдних сталей до температур значно вищих А_С3 приведе до росту зерна аустеніту та утворення крупноголчатого мартенситу та погіршенню в'язкості.

Неповному гартуванню, як правило, піддають заевтектоїдні сталі. Вихідна структура при цьому – аустеніт і цементит. Останній зберігається в структурі після гартування, сприяє підвищенню твердості та зносостійкості загартованої високо вуглецевої сталі. Для забезпечення потрібної швидкості охолодження використовують різні гартівні середовища (воду, масло, розчин органічних сполук, тощо). Охолоджуючі (гартівні) середовища повинні забезпечити високу швидкість охолодження при температурах найнижчої стійкості аустеніту (550…650°С), щоб попередити розпад його на ферито-карбідну суміш. В області мартенситного перетворення гартівні середовища повинні унеможливити утворення підвищених внутрішніх напружень, які визивають деформацію виробів, які загартовують, та утворення тріщин. Залежно від способу охолодження розрізняють гартування з безперервним охолодженням, ступеневе, ізотермічне, тощо.

Найчастіше використовується безперервне гартування, тобто гартування при якому охолодження проводиться в одному охолоджувачі. Переривчасте (охолодження у двох середовищах), таке гартування, коли деталь спочатку охолоджують у воді до температур 300…400°С, а потім швидко переміщують у менш інтенсивно діючий охолоджувач (масло, повітря), тут деталь охолоджується до кімнатної температури, що знижує напруження, які виникають при швидкому охолодженні, в області температур мартенситного перетворення.

Нагрівання під гартування проводиться в камерних електричних печах, у шахтних печах, печах-ваннах (тобто у розплавах солей і лугів), у розплавлених металах, у захисній атмосфері, та ін. швидкість нагрівання залежить від складу сталі та розмірів деталей, час ізотермічної витримки складає, як правило 1хв. на 1мм перерізу.

Деякі сталі, наприклад складно леговані, нагрівають під гартування від температур 1000…1270°С, зокрема швидкорізальні сталі. Для унеможливлення зневуглецювання застосовують контрольовані атмосфери – продукти дисоціації аміаку, генераторний газ (СО – СО₂ – N₂) чи суміш газів (СО – СО₂ – Н₂ – N₂ – H₂O), які отримують при згоранні природного газу. В деяких випадках застосовують засипки – карбюризатор чи обмазку.

Важливими характеристикам сталей, вироби із яких піддають гартуванню, є загартованість і прогартованість.

Загартованість – здатність сталі до підвищення твердості при гартуванні. Вона визначається вмістом вуглецю у сталі.

Прогартованість – здатність сталі набувати загартований шар з мартенситною чи тростито-мартенситною (50%М + 50%Т) структурою і високою твердістю на ту чи іншу глибину. Прогартованість визначається критичною швидкістю охолодження.

Загартована сталь після охолодження знаходиться у структурно-напруженому стані, є твердою (при цьому її твердість залежить від вмісту вуглецю у мартенситі) та крихкою. Для зменшення крихкості та напружень, спричинених гартуванням, переведення незрівноважної структури загартованої сталі у рівноважний стан і надання потрібних властивостей (підвищення в'язкості, пластичності, зменшення твердості), сталь після гартування обов'язково піддають відпуску.

Відпуск сталей

Відпуск – нагрівання загартованої сталі до певної температури (як правило нижче А_С1), витримування її при цій температурі з наступним охолодженням з певною швидкістю до кімнатної температури. Після відпуску, який є кінцевою термічною обробкою, сталь набуває необхідні механічні властивості. Окрім того, відпуск повністю чи частково усуває внутрішні напруження, які утворюються при гартуванні.

Швидкість охолодження після відпуску сильно впливає на величину залишкових напружень. Чим повільніше охолодження, тим менші залишкові напруження. Основний же вплив на властивості сталей відіграє температура відпуску, а тому залежно від температури нагрівання розрізняють низький, середній і високий відпуск.

Низький (низькотемпературний) відпуск. При цьому нагрівання здійснюється до температур 120…250°С. В такому температурному інтервалі мартенсит гартування перетворюється на мартенсит відпуску (кубічний), дещо знижується твердість (HRC = 58…62 проти 62…64 після гартування) і крихкість, знижуються гартівні напруження, підвищується межа міцності, трохи покращується в'язкість. Низькому відпуску піддають різальні та вимірювальні інструменти з вуглецевих та легованих сталей після гартування, а також вироби після цементування (поверхневого насичення сталі при хіміко-термічній обробці). Час витримки при відпуску 1,0…1,5 год. і більше.

Середній (середньотемпературний) відпуск проводять при температурах 300…450°С. В цьому інтервалі температур залишковий аустеніт розпадається, мартенсит значною мірою збіднюється вуглецем, утворюються дуже дрібні частинки цементиту сферичної форми. Дисперсну зернисту ферито-карбідну суміш, що утворюється при температурах середнього відпуску, називають трооститом відпуску. Середній відпуск забезпечує високу в'язкість та пружність сталей,витривалість та релаксаційну стійкість, знижує твердість до 40…45 HRC. Температуру відпуску необхідно вибирати таким чином, щоб не визвати незворотню відпускну крихкість. Охолодження після відпуску можна проводити у воді, що сприяє утворенню на поверхні напружень стискання, які підвищують межу витривалості, зокрема, пружин. Застосовується середній відпуск зокрема для пружин, ресор, штампів.

Високий (високотемпературний) відпуск проводиться при температурах 450…680°С. Він значно знижує твердість сталі (до 20…30HRC), знижує границю міцності сталі при розтяганні, границю текучості, підвищує пластичність та ударну в'язкість. Під час витримування сталі в інтервалі температур високого відпуску збільшується розмір і проходить сфероїдизація дисперсних карбідних часток, зростає феритне зерно. Зернисту ферито-цементитну суміш, структуру, що при цьому утворюється, називають сорбітом відпуску. Високий відпуск застосовують для обробки деталей з вуглецевих і легованих сталей, які повинні задовольняти високі вимоги по границі витривалості, ударної в'язкості, мати найліпше співвідношення міцності та в'язкості сталі (вали, осі, шестерні, зубчасті колеса, тощо). Високий відпуск зменшує чутливість сталей до концентраторів напружень, підвищує роботу розвитку тріщини та знижує температуру порогу холодноламкості.

Термічна обробка, що складається з гартування та високого відпуску називаєтьсяполіпшенням. Як правило застосовується для поліпшуваних сталей, що містять 0,3…0,55% С. Час ізотермічної витримки при високому відпуску становить 1,0…6,0 годин, і залежить від габаритів деталей.

Хіміко – термічна обробка сталі

Хіміко – термічна обробка сталі (ХТО) – процес зміни хімічного складу, мікроструктури та властивостей поверхневого шару деталі.

Зміна хімічного складу поверхневих шарів досягається в результаті їх взаємодії з оточуючим середовищем (твердим, рідким, газоподібним, плазменним), в якому здійснюється нагрів.

У результаті зміни хімічного складу поверхневого шару змінюється його фазовий склад та мікроструктура.

Основними параметрами хіміко – термічної обробки є температура нагріву і тривалість витримки.

В основі будь - якого різновиду хіміко – термічної обробки лежать процеси дисоціації, адсорбції, дифузії.

Дисоціація– отримання насичуючого елемента в активованому атомарному стані в результаті хімічної реакції, а також випаровування.

Наприклад,

Адсорбція– захоплення поверхнею деталі атомів насичуючого елемента.

Адсорбція завжди екзотермічний процес, який приводить до зменшення вільної енергії.

Дифузія– переміщення адсорбованих атомів вглиб виробу.

Для здійснення процесів адсорбції та дифузії необхідно, щоб насичуючий елемент взаємодіяв з основним металом, утворюючи тверді розчини чи хімічні з’єднання.

Хіміко – термічна обробка є основним способом поверхневого зміцнення деталей.

Основними різновидами хіміко – термічної обробки є:

- цементація (насичення поверхневого шару вуглецем);

- азотування (насичення поверхневого шару азотом);

- нітроцементація чи ціанування (насичення поверхневого шару одночасно вуглецем і азотом);

- дифузійна металізація (насичення поверхневого шару різними металами);

- сульфідування (покриття поверхні сталі шаром сірки товщиною в декілька мікрон);

Цементація

Цементація - хіміко – термічна обробка, яка полягає в дифузійному насиченні поверхневого шару атомами вуглецю при нагріві до температури 900…950 ^oС.

Цементацію використовують для сталей з низьким вмістом вуглецю (до 0,25 %).

Нагрів виробів здійснюють в середовищі, яке легко віддає вуглець. Підібрав режими обробки, поверхневий шар насичують вуглецем до потрібної глибини.

Глибина цементації (h) – відстань від поверхні виробу до середини зони, де в структурі є однакові об’єми фериту та перліту (h=1…2 мм).

Ступінь цементації - середній вміст вуглецю в поверхневому шарі (не більше 1,2%).

Більш високий вміст вуглецю призводить до виникнення значної кількості вторинного цементиту, який призводить у поверхневому шарі до підвищеної крихкості.

На практиці використовують цементацію в твердому та газовому карбюризаторі (навуглецьовуюче середовище).

Ділянки деталей, які не підлягають цементації, попередньо покриваються міддю (електролітичним способом) чи глиняною сумішшю.