Как влияет температура отпуска на свойства сталей

Состояние закаленной детали характеризуется очень сильной неравновесной структурой. Это связано с увеличением концентрации углерода в твердом растворе, высокой плотностью дефектов в кристаллической структуре, внутренних напряжениях, структуре и нагреве. По этой причине закаленная сталь обладает высокой прочностью и твердостью, но в то же время запас вязкости практически равен нулю.

• Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход закаленной стали из неравновесной структуры в более устойчивую структуру может происходить естественным образом со временем под воздействием температуры окружающей среды или внешних нагрузок. Этот переход сдерживается изменениями объема, поэтому такая ситуация неприемлема для точных деталей и измерительных инструментов. По этой причине дополнительная термообработка (отпуск) всегда выполняется для отверждения детали.

Отпуск является окончательной работой по термообработке стали, и его целью является получение определенного набора механических свойств и полное или частичное устранение закалочного напряжения.

В практике термообработки используются три вида отпуска.

Низкое, среднее, высокое и искусственное старение. Все эти типы общих схем включают нагрев продукта, выдержку при данной температуре и охлаждение.

В результате отпуска, в зависимости от температуры нагрева, нестабильная структура закаленного мартенсита в результате диффузионного перераспределения углерода превращается в более стабильный структурированный мартенсит, троостит, сорбит и перлит. , Стальные изделия приобретают свойства, которые определяют их поведение в процессе эксплуатации в процессе отпуска. Температура отпуска определяется требованиями к механическим свойствам детали.

Низкотемпературный (низкотемпературный) отпуск проводят при нагревании до 150-200 ° С. Низкий отпуск немного уменьшает внутреннее напряжение. Твердость остается высокой (58 … 62 HRC). Стальная структура после низкотемпературного отпуска состоит из отпущенного мартенсита на основе твердого раствора, перенасыщенного углеродом α-Fe.

В отпущенном мартенсите число охрупчиванных трехцентровых ковалентных связей Fe-C-Fe уменьшается, а деформация решетки и остаточное внутреннее напряжение частично устраняются. Кроме того, плотность дислокаций несколько уменьшается, оставаясь на уровне 1011-1012 см-2.

• Таким образом, при низком отпуске закаленный мартенсит обладает более благоприятным набором механических свойств (высокий уровень твердости и небольшой запас вязкости и пластичности).

Этот тип закалки в основном используется для режущих и измерительных инструментов, изделий с поверхностной закалкой, цементирования и нитрокарбонизации.

Из-за сложных механических свойств мягкого мартенситного отпуска, для мягких легированных стальных деталей рекомендуется низкая температура.

Среднетемпературный (средний) отпуск проводится при температуре 350-470 ° С и в основном используется для пружин, пружин и пресс-форм. Это нагревание приводит к распаду мартенсита на смесь феррита и цементита. Из-за недостаточной прочности диффузионного процесса обожженный троостит представлен в виде мелких частиц и определяет более высокую вязкость по сравнению с твердосплавным трооститом.

• В отпущенном троостите деформация ковалентной связи Fe-C-Fe и ОЦК-решетки α-Fe практически исключена, плотность дислокаций снижена до 109–1010 см – 2, а уровень остаточных напряжений снижен. Закаленные фазы троостита и дислокационные решетки обеспечивают набор благоприятных механических свойств для пружин, пружин и аналогичных изделий.

Структура закаленного троостита имеет высокий предел упругости, а твердость составляет 40-50 HRC. Охлаждение после отпуска при 400-450 ° С рекомендуется в воде. Это создает остаточное сжимающее напряжение в поверхностном слое и повышает долговечность детали.

Сталь с концентрацией 0,4% С сначала гасили в воде при 860 ° С, а затем отпускали при температуре 350 ° С.

В результате гашения мартенсит, полученный полным гашением, превращается в закаленный троостит, структура которого состоит из дисперсных частиц феррита и цементита, и эти частицы настолько малы, что практически различимы даже при максимальном увеличении микроскопа. Я не могу Ориентация мартенсита в виде иглоподобных структур, сохранившихся на русте в отпуске, отличает его от гашения трестита.

Характер хрупкости. Закалка охрупчиванием называется снижением вязкости стали после отпуска в определенном температурном диапазоне. Существует два типа свойств отпуска.

Наблюдаемый после отпуска в интервале температур 250-350 ° С — это первая температура или необратимая хрупкость.

Наблюдается в интервале температур 2.500-600ºC. Это второй тип характера хрупкий или обратимый.

Первый тип уязвимости характерен для простой углеродистой стали, содержащей 0,3-0,6% С. Появляется при отпуске в интервале температур 250-350ºС. Причиной его появления является выделение карбидов по границам зерен. Это вызывает уязвимость границы и, следовательно, уязвимость всей части.

При повышении температуры отпуска мартенсит разлагается по всему объему детали, и структура соответствующим образом выравнивается, увеличивая вязкость.

Поэтому, когда сталь в состоянии первого хрупкого нагрева нагревается до высокой температуры, ее вязкость восстанавливается и повторного нагрева после охлаждения в диапазоне температур хрупкого отпуска 250-350ºС больше не происходит. Поэтому такой характер хрупкости называется необратимым.

• Второй тип уязвимости характерен для среднеуглеродистой стали, содержащей легирующие элементы. Mn; Кр.
• Кроме того, эта хрупкость при отпуске проявляется только при медленном охлаждении при высоких температурах отпуска.
• Если деталь быстро охлаждается на воздухе или в воде, второй тип уязвимости не появляется.
• Если сталь уже имеет хрупкость при отпуске типа 2, ее необходимо разогреть до температуры отпуска и быстро охладить, чтобы удалить ее.
• Вязкость восстановится, но при повторном нагревании и медленном охлаждении вновь появится хрупкость.
• Поэтому такие уязвимости называются обратимыми.

Наличие примесей, особенно фосфора, увеличивает тенденцию стали уменьшать хрупкость второго типа. Поэтому, чтобы сделать сталь нечувствительной ко второму типу отпуска, необходимо сначала уменьшить количество вредных примесей, особенно фосфора, а затем добавить к стали молибден или вольфрам.

3 вида отпуска стали для улучшения её качеств

Характерным примером финальной обработки металла является отпуск стали. Он представляет собой нагрев детали на определенное время с медленным остыванием.

Это помогает устранить внутренние дефекты сплава, которые негативно влияют на устойчивость, прочность, пластичность.

Но какие дефекты помогает устранить этот способ термической обработки? Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях? Правда ли, что в случае неправильного нагрева можно ухудшить физические свойства металла?

Описание процесса

Отпуск стали (ОС) — это разновидность термической обработки, при которой происходит постепенный нагрев металла с последующим его остыванием.

В большинстве случаев отпускную процедуру выполняют на заключительном этапе сразу же после закалки. ОС может выполняться как до, так и после формирования детали из стального полуфабриката.

Позволяет устранить внутренние напряжения внутри металла, которые негативно влияют на его физическую структуру, свойства.

Внутренние напряжения на химическом уровне — это нарушения кристаллической структуры металла. Из-за них происходит неравномерное распределение углерода, легирующих добавок по металлическому сплаву. Отпуск позволяет перераспределить эти элементы более равномерно.

Это улучшает физико-химические свойства материала (пластичность, прочность, сохранение формы, химическая инертность). Нагрев осуществляется с помощью специальных печей в защитной среде (масляные, селитровые или щелочные ванны).

Способ охлаждения деталей после нагрева — воздушный (обычно) или жидкостной (редко).

Качество отпуска стали зависит от следующих физических параметров термической процедуры:

• Температура нагрева. ОС может выполняться при температурах от 100 до 700 градусов, а чем выше будет температура нагрева, тем выше лучше будет качество обработки. Объясняется эта зависимость тем, что при более высоких температурах происходит более глубокое изменение структуры кристаллической решетки. В основном за счет процессов полигонизации, рекристаллизации.
• Длительность нагрева. Длительность ОС обычно составляет от 1 до 3 часов, хотя существуют и более длительные форматы. Все основные процессы в материале проходят в первые 20-40 минут.  Дополнительная выдержка нужна для равномерного распределения атомов углерода, железа, легирующих добавок по всей толщине материала.
• Скорость остывания. Здесь правило предельно простое — чем медленнее будет проходить остывание, тем выше будет качество материала. Чтобы замедлить остывание, металлурги используют различные уловки, хитрости. Главная хитрость — это помещение материала в масляную, селитровую или щелочную среду, которая замедляет остывание материала. Теоретически остывание можно выполнять и без применения жидкостных сред, однако скорость остывания будет высокой, что негативно скажется на качестве ОС.

Виды отпуска стали

Главный технический параметр ОС — это температура нагрева. Различают 3 типа ОС — высокий, средний и низкий.

Конечно, высокотемпературный отпуск является оптимальным средством обработки, поскольку чем выше температура нагрева, тем более активно будет происходить рекристаллизация металла.

Однако низко- и среднетемпературные способы обработки также имеют практическую пользу, которую не стоит недооценивать. Ниже мы рассмотрим каждый тип ОС по отдельности.

Высокий

Высокий отпуск стали — это вариант отпускной обработки при температуре от 500 до 700 градусов.

Данный способ является самым эффективным, поскольку при таком нагреве происходит полигонизация и рекристаллизация материала, что позволяет устранить все напряжения внутри металла.

  Обычно длится от 2 до 3 часов. В случае обработки сложных конструкций рекомендованное время может увеличиваться до 6 часов.

Главный недостаток высокотемпературного отпуска — это небольшое снижение прочности материала. Поэтому методика не годится для обработки деталей, которые во время эксплуатации будут испытывать сверхвысокую нагрузку.

Высокотемпературная методика распространяется на все виды стали, однако обратите внимание, что в случае некоторых легированных сплавов во время обработки может возникнуть так называемая обратимая высокотемпературная хрупкость.

Средний

Основная особенность среднего отпуска — активная диффузия углерода без полигонизации и рекристаллизации сплава. В случае среднетемпературной обработки улучшается упругость материала, повышается его релаксационная стойкость.

Температура отпуска стали в данном случае находится в пределах от 350 до 500 градусов. Средний срок проведения обработки — 2-4 часа. Оптимальная среда — маслянистая или щелочная. Средняя обработка хорошо подходит для прочных деталей сложной формы — рессоры, пружины, ударные конструкции.

Однако на практике данная технология используется редко в связи с рядом ограничений:

• В температурной диапазоне от 250 до 300 градусов находится так называемый островок хрупкости первого рода, которого следует избегать. Одновременно с этим при температуре выше 500 градусов находится другой островок хрупкости второго рода (его тоже рекомендуется избегать). Об особенностях этих островков мы расскажем ниже. А небольшое отклонение температуры в большую или меньшую сторону во время отпуска может привести к фатальным последствиям.
• Методика не имеет преимуществ в сравнении с альтернативными технологиями (низкой и высокой). Одновременно с этим слабые печи для обработки обычно не могут нагревать рабочую среду до таких температур, а более сильные печи могут нагреваться до более высоких температур, что неудобно с практической точки зрения.

Низкий

Низкий отпуск стали — методика обработки стального сплава или изделия, при которой нагрев осуществляется до температуры от 100 до 250 градусов. Срок обработки обычно составляет 1-3 часа в зависимости от типа детали, ее габаритов.

Во время низкотемпературной обработки происходит диффузия частиц углеродистых компонентов без полигонизации и рекристаллизации атомной решетки.

Это позволяет повысить некоторые физические характеристики материала — прочность, пластичность, твердость, химическую инертность.

Низкий отпуск — универсальная технология, однако по факту ее применяют в основном для отпуска изделий из низколегированных и высокоуглеродистых сталей (ножи, посуда, простые детали). Также нужно избегать нагрева материала выше температуры 250 градусов (в противном случае он попадет в островок хрупкости первого рода, что чревато необратимой порчей металла).

Сводная таблица

Тип отпуска	Время	Температура отпуска стали	Краткие особенности
Низкий	1-3 часа	От 100 до 250 градусов	Происходит только частичная диффузия углерода. Следует избегать перегрева материала выше отметки 250 градусов.
Средний	2-4 часа	От 350 до 500 градусов	Происходит полная диффузия углерода без полигонизации, рекристаллизации. На практике используется редко из-за ряда ограничений.
Высокий	2-3 часа	От 500 до 700 градусов	Происходит полная диффузия углерода, полигонизация, рекристаллизация. Немного снижает прочность материала, поэтому не применяется для сверхпрочных деталей.

Обработка инструментальных сплавов

Высокий, средний и низкий отпуск стали годятся только для температурной обработки сплавов, содержащих менее 0,7% углерода. Для сплавов с более высоким содержанием углерода (их называют инструментальными) используются другие способы. Рассмотрим основные технологии:

• Не рекомендуется делать отпуск быстрорежущих инструментальных сплавов, поскольку они содержат молибден, кобальт, вольфрам, ванадий. Эти элементы устойчивы к нагреву, поэтому они не меняют своих физико-химических свойств при отпускном нагреве. Вместо отпуска рекомендуется делать многоступенчатую закалку: для этого материал поэтапно нагревается до 800, 1050 и 1200 градусов — после этого выполняется резкое охлаждение сплава в масляной среде.
• Обработку обычных инструментальных сплавов рекомендуется выполнять в два этапа. Сначала происходит закалка материала в расплавах солей при температуре 450-500 градусов. После этого выполняется второй этап — двойной отпуск при температуре 550-600 градусов (не более 1 часа). Обратите внимание, что при нагреве инструментальных сплавов возможность возникновения отпускной способности второго рода исключается.

Что такое отпускная хрупкость

Отпускная температура влияет на качество обработки — чем выше будет температура, тем выше будет качество обработки. Однако ученые-металлурги установили, что это правило имеет 2 исключения, когда повышение температуры приводит не к улучшению, а к ухудшению качества материала.

Эти два исключения на практике часто называют островками отпускной хрупкости. К счастью, было придумано несколько эффективных, безопасных способов обойти эти островки, поэтому проблема отпускной способности не является значимой в современной металлургии.

Рассмотрим каждый из островков по отдельности + узнаем о том, как их обойти.

Необратимая низкотемпературная хрупкость

Другое название — хрупкость первого рода. Возникает при длительной обработке материала при температуре от 250 до 300 градусов, а распространяется данная хрупкость на все типы стальных сплавов.

Объяснение феномена: при нагреве в данном температурном диапазоне углерод начинает активно распределяться по поверхности кристаллической решетки.

Однако распределение углерода происходит крайне неравномерно — это приводит к нарушению кристаллической структуры металла, что приводит к серьезному повышению хрупкости.

Как ясно из названия, данная хрупкость является необратимой (то есть островки сохраняют стабильность в течение неограниченного времени, а испорченный материал годится только на переплавку). Методика борьбы с данной хрупкостью тривиальна — нужно использовать либо низкую, либо среднюю термическую обработку — но не «промежуточную» между ними.

Обратимая высокотемпературная хрупкость

Другое название — хрупкость второго рода. Возникает только при комбинации сразу трех факторов одновременно. Первый фактор — металл нагревается выше температуры 500 градусов (то есть данная хрупкость характерна для высокой отпускной обработки).

Второй фактор — сталь является легированным сплавом с высоким содержанием хрома, марганца или никеля. Третий фактор — очень низкая скорость остывания.

Объяснение феномена: при комбинации трех факторов также происходит неравномерное распределение атомов углерода, хрома, марганца и никеля, что приводит к нарушению кристаллической решетки сплава. Существует много способов борьбы с данной хрупкостью — рассмотрим два из них:

• Способ №1: после образования хрупкости происходит повторный нагрев материала до заданной температуры — только нагрев осуществляется в масляной среде, а охлаждение металла после отпуска осуществляется очень быстро.
• Способ №2: во время отпускной обработки в сплав дополнительно вносится вольфрам (около 1% от общей массы) либо молибден (0,3-0,4%) — после этого выполняется высокий отпуск по стандартной технологии.

Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях?

Чаще все термообработка распространяется на различные простые детали, домашнюю утварь — ножи, вилки, металлические чашки, детали автомобилей и так далее. Однако домашняя металлургия обладает множеством ограничений, о которых простой человек может не знать. Рассмотрим основные проблемы, с которым может столкнуться человек во время отпуска стали в домашних условиях:

• Большинство домашних печей не могут выполнить нагрев до высоких температур. Поэтому в домашних условиях можно сделать только низкий или средний отпуск. Теоретически можно попытаться переоборудовать или «усилить» свою печь, чтобы повысить температуру нагрева, однако сделать это человеку без опыта будет сложно.
• Для проведения термической обработки необходимо использовать защитную среду (масло, щелочи, селитра). Но каждое вещество имеет свои температурные особенности. Простой пример: соединения на основе селитры могут взрываться при нагреве до высоких температур, что может быть опасно для жизни, здоровья домашнего металлурга.
• Выполнение отпуска без применения защитной среды может быть фатально для самого металла. Дело в том, что без использования защитной среды металл будет остывать быстро, что может повлиять на качестве стали (повышение хрупкости, образования изгибов, пластическая деформация, появление ржавчины).
• Также не стоит забывать о низкотемпературной хрупкости первого рода (от 250 до 300 градусов). В случае неправильного температурного режима из-за нее может серьезно пострадать качество металла вплоть до полного разрушения сплава.

Заключение

Подведем итоги. Отпуск стали — это технологическая процедура, которая заключается в нагреве металла до определенной температуры с последующим остыванием в защитной среде.

Эта обработка позволяет улучшить качество металла — повышение прочности, нормализация пластичности, улучшение физико-химических свойств материала. В зависимости от температуры различают несколько типов отпуска — высокий, средний, низкий.

Высокотемпературная обработка — оптимальна, поскольку она позволяет выполнить не только диффузию углерода, но и рекристаллизацию, полигонизации материала.

Низкотемпературная технология подходит для обработки простых деталей, низкокачественных сплавов. Инструментальные стальные сплавы (с большим содержанием углерода) не подходят для стандартного отпуска — вместо него рекомендуется делать многоступенчатую закалку. Во время обработки нужно избегать островков отпускной хрупкости, которые могут серьезно ухудшить свойства стали.

Используемая литература и источники:

• Техминимум отжигальщика на томильных и отжигательных печах / М.М. Эфрос. — М.: Главная редакция литературы по черной металлургии
• Основы технологии автоматизированных машиностроительных производств: моногр. / А.В. Скворцов, А.Г. Схиртладзе. — М.: Высшая школа, 2010
• Статья на Википедии

Отпуск стали — режимы, виды, температура отпуска и свойства стали после процесса

Отпуск стали – это процесс нагрева стали до определенной температуры и последующее охлаждение изделия. Процесс осуществляется для ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий.

Отпуск стали –это чаще всего финальная термическая обработка после закалки, представляющая собой процесс нагрева полуфабрикатов и изделий до определенной температуры с последующим охлаждением. Ее основное назначение – ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий.

Общее описание процесса

Основные этапы проведения отпуска стали:

• нагрев сплава до температур начала фазовых превращений;
• выдержка при требуемой температуре;
• охлаждение с установленной скоростью.

В результате этого вида т/о получают требуемые технические характеристики изделий, сводят к минимуму внутренние напряжения. Чем выше температура термообработки и чем ниже скорость остывания, тем эффективнее устраняются остаточные напряжения.

Скорость охлаждения зависит от химического состава сплава и запланированного результата:

• интенсивное охлаждение после отпуска при +550…+650°Cповышает предел выносливости стали за счет сохранения в приповерхностном слое остаточных напряжений сжатия;
• металлоизделия сложной конфигурации после высокотемпературного отпуска охлаждают медленно, что позволяет избежать коробления;
• полуфабрикаты из легированных сталей, для которых характерна отпускная хрупкость, после отпуска при +550…+650°C охлаждают только в ускоренном темпе.

В зависимости от температуры нагрева выделяют три вида отпуска стали – высокий, средний и низкий.

Особенности низкого отпуска стали

Этот вид термообработки подразумевает нагрев заготовок и полуфабрикатов до +250°C. Результаты процесса: уменьшение закалочных напряжений, улучшение вязкости без падения твердости.

Средне- и высокоуглеродистые закаленные стали с содержанием углерода 0,6-1,3% после низкого отпуска имеют твердость, равную 58-63 HRC, и высокую износостойкость. Но изделия из таких сплавов при отсутствии вязкой сердцевины неустойчивы к динамическим нагрузкам.

Чаще всего низкий отпуск применяется для режущего и мерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и низколегированных марок, металлопродукции после цементации, нитроцементации, цианирования.

Режимы среднего (среднетемпературного) отпуска стали

Температуры среднетемпературного отпускного процесса – +350…+500°C. Этот вид т/о, применяемый в основном для пружин, рессор, штампов, обеспечивает значительные пределы выносливости и упругости, хорошую релаксационную стойкость. Получаемые структуры: троостит или тростомартенсит, твердость – 45-50 HRC.

Охлаждение в воде после нагрева до температур +400…+450°C применяется для пружин с целью появления на поверхности остаточных напряжений сжатия, повышающих прочностные характеристики металла.

Высокотемпературный отпуск стали – режимы, цели

Температуры высокого отпуска – +500…+650°C, получаемая структура стали – сорбит отпуска. Задача, решаемая этим видом т/о, – получение оптимального соотношения между прочностью и вязкостью.

Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск, называется улучшением.

Ее преимущество по сравнению с различными видами отжига и нормализацией – повышение временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости, относительного сужения.

Закалка и отпуск закаленной стали применяются для среднеуглеродистых сталей с содержанием C 0,3-0,5%, к которым предъявляются повышенные требования к ударной вязкости и пределу выносливости. С их помощью повышают прочность материала, снижают чувствительность к концентраторам напряжений, температуру порога хладоломкости, склонность к трещинообразованию.

Длительность высокого отпуска – 1-6 часов. Конкретное время зависит от габаритов металлоизделия.

Виды отпускной хрупкости

Повышение температуры отпуска в большинстве случаев улучшает характеристики металлоизделия, способствует эффективному снятию остаточных напряжений. Но есть ситуации, приводящие к ухудшению характеристик сплава. Ученые-металлурги разработали несколько действенных технологий устранения проблемы отпускной хрупкости, которая может быть низко- или высокотемпературной.

Хрупкость I рода – низкотемпературная

Эта разновидность хрупкости возникает при длительной выдержке материала при температурах +250…+350°C. Скорость охлаждения на вероятность ее появления не влияет. Распространяется эта проблема на все марки сталей.

Причина возникновения хрупкости I рода – активное, но неравномерное распространение углерода по поверхности кристаллической решетки.

Следствие этого процесса – искажение кристаллической структуры сплава, а, следовательно, существенное увеличению хрупкости.

Отпускная хрупкость I рода является необратимым процессом, и она резко снижает эксплуатационные характеристики сплава, который становится пригодным только для переплавки.

Технология борьбы с этой проблемой – выполнение низко- либо среднетемпературного отпуска. Нагрев до промежуточных температур – не допускается.

Склонность к низкотемпературной отпускной хрупкости снижает высокотемпературная ТМО.

Отпускная хрупкость II рода – высокотемпературная

Проблема высокотемпературной отпускной хрупкости возникает при совпадении трех факторов. Это:

• нагрев сплава до температур, превышающих +500°C;
• наличие в стали высокого процентного содержания Cr, Mn, Ni;
• медленное охлаждение.

Последствие сочетания этих параметров – неравномерность распределения атомов углерода, хрома, марганца, никеля, нарушающая кристаллическую решетку стали.

Высокотемпературная отпускная хрупкость усиливается при выдержке в течение 8-10 часов изделий в опасном температурном диапазоне.

Определить эту проблему можно только при травлении шлифов поверхностно-активными реагентами, выявляющими границы аустенитных зерен, по которым происходит хрупкое разрушение.

Существует два наиболее эффективных варианта решения этой проблемы. Первый способ: после появления признаков отпускной хрупкости нагреть металлоизделие еще раз до заданной температуры в масляной среде и быстро охладить. Второй метод –легирование сплава вольфрамом (примерно в количестве 1%) или молибденом – 0,3-0,4%.

Отпуск металла

Отпуском называется операция термической обработки, состоящая в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки AC1, выдержке при этой температуре с последующим охлаждением.

В зависимости от температуры нагрева различают два вида отпуска:

Низкий отпуск

Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 120—200°, выдержкой и последующим охлаждением на воздухе. Этот вид отпуска применяют для инструментов и точных деталей, изготовляемых из инструментальной стали, для которых важны высокая твердость и постоянство размеров.

Режущий инструмент подвергают низкому отпуску при температурах 160—200°.

В результате отпуска сталь сохраняет высокую твердость, а иногда и повышает ее за счет распада остаточного аустенита.

Измерительный инструмент и точные детали подвергают низкому отпуску при температурах 120—160°. После такого отпуска (его иногда называют искусственным старением) размеры изделия не меняются.

Сталь после низкого отпуска сохраняет высокие прочностные свойства, но приобретает низкие пластические свойства.

Высокий отпуск

• Высокий отпуск характеризуется нагревом до температуры 350—650°, выдержкой и охлаждением на воздухе (для углеродистой стали).
• Нагрев до указанной температуры способствует распаду мартенсита и образованию структур троостита или сорбита.
• Наличие таких структур весьма желательно для деталей, изготовляемых из конструкционной стали, так как это обеспечивает получение достаточно высоких прочностных и пластических свойств.

Температура отпуска влияет на механические свойства стали.

Твердость и прочность с повышением температуры убывают, а пластические свойства увеличиваются.

Для деталей, от которых в работе требуются прочность и пластичность (например шестерни, шатуны двигателей внутреннего сгорания, валы коробок передач и т.д.), отпуск дается до температур 500—600° с целью получения структуры сорбита.

1. В практике термической обработки такая операция — закалка с высоким отпуском — получила название «термическое улучшение».
2. Для деталей, которые в работе испытывают знакопеременные нагрузки (например пружины), отпуск дается до температур 350—450° с целью получения структуры троостита.
3. В этом случае, сталь будет менее пластичная, чем сталь со структурой сорбита, но более прочная и твердая и будет лучше сопротивляться переменным нагрузкам.

Отпуск производят в печах шахтного типа, применяя при этом как воздушную среду, так и жидкие среды (масло, селитра и др.).

§

Влияние закалки и отпуска на свойства и структуру сталей

Определение 1

Закалка – это термическая обработка стали, производящаяся для улучшения механических качеств металла.

Закалка придает недорогим сортам стали более высокие эксплуатационные качества. Благодаря этому значительно уменьшается стоимость готовых изделий, что повышает прибыльность производства. К основным целям закалки относятся:

• снижение веса готового изделия при сохранении твердости и прочности,
• увеличение твердости поверхностного слоя,
• увеличение показателей прочности,
• снижение пластичности до необходимого уровня, что способствует увеличению сопротивления на изгиб.

Существует большое количество методов закалки стали, результаты которых существенно отличаются друг от друга. К самым важным режимам нагрева относятся: температура нагрева, скорость охлаждения, время выдержки стали при установленной температуре, а также время, которое необходимо для нагрева.

Изменение свойств и структуры стали при закалке происходит в зависимости от перечисленных показателей, среди которых наиболее важным является температура нагрева. От этого зависит то, каким образом будет происходить изменение атомной решетки.

Например, время выдержки при процессе закалки выбирается таким образом, чтобы оно соответствовало тем требованиям какой прочностью и твердостью должно обладать готовое изделие. Температура нагрева при закалке температура нагрева зависит от содержания в стали углерода и прочих примесей. При закалке необходимо учитывать следующие моменты.

Во-первых, закалка направлена на увеличение твердости, однако, при этом стоит учитывать, что металл становится более хрупким. Во-вторых, на поверхности может образовываться слой окалины, потому что здесь потери углерода и прочих примесей гораздо больше, чем в середине.

Закалка углеродистой стали осуществляется с учетом того, с какой скоростью будет происходить ее охлаждение. Если не соблюдать технологии закалки, то может возникнуть ситуация, при которой атомная решетка перейдет в промежуточное состояние, что способствует ухудшению основных полезных качеств стали.

Например, охлаждение с слишком большой скоростью является причиной образования трещин и прочих дефектов, не позволяющие использовать готовое изделие в дальнейшем. Закалка предусматривает использование камерных печей, нагревающих среду до температуры 800 градусов по Цельсию.

Некоторым маркам стали необходим нагрев до температуры 1300 градусов по Цельсию, который осуществляется в других видах печей.

Влияние отпуска на свойства и структуру сталей

Определение 2

Отпуск стали – это термическая операция, суть которой состоит в нагреве закаленного изделия ниже температуры фазового превращения, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе.

Цель отпуска стали заключается в получении более равновесной структуры, снятия внутренних напряжений, увеличение пластичности и вязкости, а также создание необходимого комплекса эксплуатационных свойств. Различают три вида отпуска, которые по-разному изменяют свойства и структуру стали:

1. Низкий отпуск. Данный вид отпуска осуществляется при температуре 150 — 200 градусов по Цельсию. Из мартенсита выделяется некоторая часть избыточного углерода, сопровождающаяся образованием мелких карбидных частиц. Но так как скорость диффузии мала, то некоторая часть углерода в мартенсите остается. Основная цель низкого отпуска заключается в уменьшении внутренних напряжений и некотором уменьшении хрупкости при сохранении высоких износостойкости, прочности и твердости. Структура стали в данном случае представляет собой мартенсит отпуска или мартенсит отпуска и вторичный цементит. Низкому отпуску подвергаются мерительный и режущий инструмент и изделия, которые должны обладать высокими износостойкостью и твердостью.
2. Средний отпуск. Данный вид отпуска осуществляется при температуре 350 — 450 градусов по Цельсию. В данном случае из мартенсита происходит выделение избыточного углерода с образованием цементитных частиц. В данном случае тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, и она становится кубической. Мартенсит превращается феррито-цементитную смесь с маленькими частицами цементита. Происходит снижение твердости при существенном увеличении предела упругости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок.
3. Высокий отпуск. Данный вид отпуска осуществляется при температуре 550 — 650 градусов по Цельсию. Цель высокого отпуска заключается в достижении оптимального сочетания вязкости, прочности и пластичности. Структура стали после высокого отпуска представляет собой сорбит отпуска — мелкая смесь феррита и зернистого цементита. Закалка и последующий высокий отпуск основной вид термообработки изделий из конструкционных сталей.

Изменение механических свойств при отпуске сталей и выбор режима отпуска

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:

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 (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