Структура стали после высокого отпуска

Образующийся при закалке стали мартенсит, представляет собой неустойчивую структуру, характеризующуюся высокой твёрдостью, хрупкостью и высоким уровнем внутренних напряжений. По этой причине закалённую сталь обязательно подвергать отпуску.

Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закалённой стали до температур, не превышающих точку Аc1 (т.е. не выше линии PSK), выдержке и последующем охлаждении чаще всего на воздухе. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возникшие при закалке.

Окончательные свойства стали в большей степени зависят от температуры отпуска. Различают три вида отпуска стали в зависимости от температуры нагрева.

Низкий (низкотемпературный отпуск) проводят при температурах не выше 250. 300°С. При таких температурах происходит частичное обезуглероживание мартенсита и выделение из него некоторого количества избыточного углерода в виде частиц е — карбида железа. Образующаяся структура, состоящая из частичного обезуглероженного мартенсита и е-карбидов, называется отпущенным мартенситом. Выход некоторого количества углерода из решетки мартенсита способствует уменьшению её искажения и снижению внутренних напряжений. При таком отпуске несколько повышается прочность и вязкость без заметного снижения твёрдости. В целом изменение свойств при низком отпуске незначительно. Так закалённая сталь с содержанием углерода 0,5. 1,3 % после низкого отпуска сохраняет твёрдость в пределах 58. 63 HRC, а следовательно, обладает высокой износостойкостью. Однако такая сталь не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, работающий без значительного разогрева рабочей части, а такие детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию. Цель такого отпуска — некоторое снижение внутренних напряжений.

Средний (средне-температурный) отпуск выполняют при температурах 350. 500°С и применяют преимущественно для рессор, пружин, некоторых видов штампов. При таких температурах происходит дальнейшее обезуглероживание мартенсита, приводящее к его превращению в обычный а-раствор,т.е. в феррит. Одновременно происходит карбидное превращение по схеме; Fe2C  Fе3С,
В результате образуется феррито-цементитная смесь, называемая троститом отпуска. Наблюдается снижение твёрдости до величины 40. 50 HRC, а также снижение внутренних напряжений.

Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости и предел выносливости, что позволяет применять его для различных упругих элементов.

Высокий(высокотемпературный) отпуск проводят при 500. 600°С. Структурные изменения при таких температурах заключаются в укрупнении (коагуляции) частиц цементита. В результате этого образуется феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска. Также, как и
тростит отпуска, эта структура характеризуется зернистым строением в отличии от пластинчатых структур тростита и сорбита закалки. Твёрдость стали после высокого отпуска снижается до 25. 35 HRC, Однако уровень прочности при этом ещё достаточно высок , В то же время обеспечивается повышенная пластичность и особенно ударная вязкость, практически полностью снимаются внутренние напряжения,, возникшие при закалке.

Таким образом, высокий отпуск на сорбит обеспечивает наилучший комплекс механических свойств, позволяющий применять его для деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Такой же отпуск рекомендуется для деталей машин из легированных сталей, работающих при повышенных температурах.

Термическую обработку, состоящую из закалки на мартенсит и последующего высокого отпуска на сорбит, называют термическим улучшением. Вообще термическому улучшению подвергают детали из среднеуглеродистых (0,3. 0,5%С) конструкционных сталей, к которым предъявляют высокие требования по пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие её" пониженной твёрдости невысока.

Скорость охлаждения после отпуска оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Так охлаждение на воздухе даёт напряжения в 7 раз меньше, а охлаждение в масле в 2,5 раза меньше по сравнению с охлаждением в воде. По этой причине изделия сложной формы во избежание их деформации после отпуска следует охлаждать медленно (на воздухе), а детали из некоторых легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости, рекомендуется охлаждать в масле (иногда даже в воде).

Читать также:  Марки алюминиевых сплавов и их применение

Легирующие элементы, входящие в состав легированных сталей, особенно такие, как Мо5 W, Cr, Ti, V и Si, сильно тормозят диффузионные процессы, происходящие при отпуске закалённой стали. Поэтому после отпуска при одинаковой температуре легированная сталь сохраняет более высокую твёрдость и прочность. Это делает легированные стали более теплостойкими, способными работать при повышенных температурах.

Применение легированных сталей. Структура и свойства легированных сталей, область их применения.

Дюраль. Состав диралюминов, свойства, применение, термообработка.

Изменение структуры сталей при отпуске.

Отпуском закаленной стали называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки Ах (127 °С) с последующим охлаждением.

Закаленная структура сталей является термодинамически нестабильной, так как имеет искаженную кристаллическую решетку (тетрагональную с отношением осей с > 1) и повышенную свободную энергию. Поэтому при последующем нагреве закаленная сталь стремится к более стабильному состоянию, которое реализуется при превращении мартенсита и остаточного аустенита в феррито-цементитную смесь.

Такое превращение сопровождается изменением объема (длины) образца, поскольку наибольший объем у мартенсита и наименьший у аустенита.

Первое превращение. Из пересыщенного а-твердого раствора (мартенсита) выделяется углерод, поэтому тетраго- нальность решетки уменьшается и соотношение осей с/а приближается к единице. Содержание углерода в мартенсите снижается, особенно значительно в высокоуглеродистой стали. Углерод выделяется в виде мельчайших пластинок карбида железа, называемого е (эпсилон)-карбидом FexC, имеющим гексагональную решетку и формулу, близкую к Fe2C.

При первом превращении мартенсита выделившаяся очень тонкая пластинка FexC еще полностью не обособилась от а-раствора. Решетки мартенсита (а-раствора) и пластинки FexC имеют общие слои атомов на границе фаз, т.е. наблюдается соответствие (когерентность) решеток.

Образующийся в результате первого превращения мартенсит получается неоднородным по содержанию углерода: вблизи тех мест, где образуются пластинки FexC, содержание углерода в а-растворе уменьшается, а в объемах более удаленных сохраняется исходная концентрация углерода (вследствие затруднения диффузии при низких температурах).

Образовавшийся в результате первого превращения мартенсит называется мартенситом отпуска. Он представляет собой смесь пересыщенного твердого раствора углерода в а-же- лезе неоднородной концентрации и карбида, еще полностью не обособившегося от решетки мартенсита. Отпуск изменяет окраску игл мартенсита: в мартенсите закалки иглы светлые, а после отпуска — темные.

Второепревращение (нагревдо200—300°С)характеризуется продолжающимся распадом мартенсита; содержание углерода в пересыщенном а-растворе снижается приблизительно до 0,15 %. Однако более важным является превращение остаточного аустенита в обедненный по углероду мартенсит. Именно поэтому наблюдается увеличение объема (длины образца). Структура стали состоит из мартенсита отпуска и частиц карбида. В мартенсите отпуска содержится небольшое количество углерода, поэтому тетрагональность решетки незначительная.

Третьепревращение при отпуске (нагрев до 300—400 °С) характеризуется полным распадом a-твердого раствора (мартенсита) на феррито-цементитную смесь, обособлением цементита (устранение когерентности решеток а-раствора и цементита) и уменьшением напряжений. Одновременно е-кар- бид (FexC) превращается в цементит Fe3C. В результате третьего превращения образуется троостит отпуска — высокодисперсная феррито-цементитная смесь, в которой цементит имеет зернистое строение частиц.

Четвертое превращение. При дальнейшем повышении температуры отпуска (400—600 °С) никаких новых превращений не происходит, новых фаз не появляется. Но при этом одновременно и интенсивно протекают взаимосвязанные процессы коагуляции (укрупнение) и сфероидизации (скругле- ние) частиц цементита за счет растворения более мелких це- ментитных частиц, диффузии углерода и выделения цементита на более крупных частицах. Скорость коагуляции и сфероидизации при отпуске зависит от скорости диффузии углерода и растет с температурой. При 500—600 °С феррито-цементитная смесь становится более укрупненной, менее дисперсной, с зернистой формой частиц цементита — сорбит отпуска. При дальнейшем повышении температуры нагрева до 650—700 °С в структуре стали образуется зернистый перлит — наиболее равновесная структура.

Читать также:  Вид рубанка 8 букв кроссворд

Отпуском называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки А1, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью.

Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой снимаются внутренние закалочные напряжения (термические и структурные) и формируется требуемый комплекс механических свойств.

После закалки сталь имеет структуру мартенсита с некоторым количеством аустенита остаточного. Эти фазы при комнатной температуре являются метастабильными (неустойчивыми) и сохраняются только по той причине, что в этих условиях отсутствует диффузионная подвижность атомов железа и углерода. Повышение температуры, активизирующее диффузию, приводит к распаду этих фаз, конечным продуктом которого в равновесных условиях должна являться феррито-цементитная смесь. Степень распада мартенсита и аустенита остаточного при отпуске определяется температурой обработки. При этом в зависимости от температуры нагрева в процессе отпуска имеют место четыре превращения.

Первое превращение при отпуске – при температурах от 80 до 300 о С происходит распад мартенсита (пересыщенного углеродом a-твердого раствора), обусловленный выделением части углерода из решетки мартенсита и образованием e-карбидов с гексагональной решеткой (FeхC). Пластинки e-карбидов когерентно связаны с решеткой a-твердого раствора (мартенсита). Образующаяся после первого превращения при отпуске структура, представляющая собой пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе (но степень пересыщения меньше, чем непосредственно после закалки) и когерентно связанные с ним дисперсные выделения e-карбидов, называется отпущенным мартенситом(рисунок 4.1).

Структура стали после высокого отпуска

Рисунок 4.1 – Схема образования мартенсита отпуска при нагреве

Уменьшение количества растворенного углерода снижает тетрагональность решетки мартенсита. Некоторое снижение внутренних напряжений приводит к повышению вязкости материала. Твердость, прочность и износостойкость при этом практически не изменяются. Низкотемпературный отпуск предназначен для инструментальных сталей, а также для деталей машин прошедших цементацию, нитро цементацию или цианирование. Структура «мартенсит отпуска» характерна для инструментов подвергаемых ударным нагрузкам, например, клеймам, зубилам, топорам, молоткам, вырубным пуансонам. Эти инструменты изготавливают из доэвтектоидных сталей У7, 6ХС, 7ХС, отсутствие цементита в которых обеспечивает достаточную вязкость.

Второе превращение при отпуске – превращение аустенита остаточного в мартенсит отпущенный. При температурах отпуска 250–300 о С остаточный аустенит обедняется углеродом и легирующими элементами. В результате этого температуры точек Мн и Мк повышаются (рисунок 4.2). Например, при закалке стали У12 температура конца мартенситного превращения составляет минус 100 0 С, что приводит к образованию большого количества остаточного аустенита (около 50%).

Структура стали после высокого отпуска

Рисунок 4.2 – Изменение температуры окончания мартенситного превращения в стали У12 при снижении содержания углерода в аустените остаточном

В процессе нагрева при отпуске аустенит остаточный обедняется углеродом до 0,4%, что приводит к повышению температуры конца мартенситного превращения от — 100 0 С до +100 0 С (т.е. на 200 0 С, согласно рисунка 4.2). При извлечении заготовки из печи температура ее снижается от 250 0 С до 100 0 С, что приводит к превращению аустенита в мартенсит закалочный. В процессе дальнейшего снижения температуры (до 80 0 С) завершается первое превращение при отпуске и образуется мартенсит отпуска. Таким образом, продуктом распада остаточного аустенита является гетерогенная смесь, состоящая из мартенсита отпуска и цементита (Fe3С). Образование цементита может протекать как путем перестройки решетки e-карбида в решетку цементита, так и непосредственным выделением углерода из решетки аустенита.

Читать также:  Как правильно закалить пружину

Третье превращение (превращение мартенсита отпуска в тонкую феррито-цементитную смесь). К началу третьего превращения (t » 300 о С) сталь состоит из малоуглеродистого мартенсита (С » 0,1 %) с кубической решеткой и когерентно связанных с ней выделений e-карбидов. При температурах 350–400 о С завершается процесс выделения избыточного углерода из мартенсита и превращения его в феррит (содержание углерода в твердом растворе становится равным 0,01%, что соответствует его равновесной концентрации в феррите). По мере снижения концентрации углерода в a- твердом растворе происходит увеличение количества цементита и рост его кристаллов. На определенном этапе этого процесса происходит срыв когерентности между решетками цементита и феррита. Это приводит к снижению внутренних напряжений и вызывает значительное уменьшение твердости и прочности (≈ 40HRC). К концу третьего превращения образуется дисперсная (тонкая) ферритокарбидная смесь, называемая трооститом отпуска. Характерной особенностью этой структуры является высокий предел упругости, что обусловливает использование ее при изготовлении упругих элементов: пружин, рессор.

Четвертое превращение (коагуляция и сфероидезация карбидов). Повышение температуры отпуска до 500–600 о С не вызывает фазовых превращений, но вследствие развития диффузионных процессов реализуется стремление системы к снижению свободной энергии из-за уменьшения поверхностной энергии в процессе объединения групп мелких зерен в более крупные. Поэтому при этих температурах основными процессами являются начавшиеся на стадии третьего превращения коагуляция и сфероидизация карбидов. Образующаяся структура представляет собой более грубую (крупную), чем после третьего превращения ферритокарбидную смесь зернистого типа, называемую сорбитом отпуска. Укрупнение зерен приводит к снижению прочностных свойств (до 25HRC), но округление формы зерен обусловливает снижение напряжений, возникающих в процессе нагрузок, повышение ударной вязкости, что, в совокупности, приводит к повышению надежности изделий от внезапного хрупкого разрушения. Сорбит отпуска используют для изготовления ответственных деталей машин, работающих в тяжелых условиях нагружения (знакопеременных нагрузках и сложных напряженных состояниях), например: валов, осей, полуосей, шатунов, коленчатых валов и пр.

Общая закономерность изменения механических свойств при повышении температур отпуска заключается в снижении прочностных характеристик (sВ, НВ) и возрастании характеристик пластичности (d, y) и особенно ударной вязкости (KCU).

В зависимости от температуры различают три разновидности отпуска: низкий, средний и высокий.

Низким отпускомназывают нагрев закаленной стали до температур, не превышающих 200 о С. Такой отпуск практически не вызывает снижения твердости закаленной стали; образующаяся структура – отпущенный мартенсит. Такой отпуск рекомендуется при термической обработке инструментальных сталей и цементированных деталей.

Средним отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 350–450 о С. Такой отпуск вызывает некоторое снижение твердости; образующаяся структура – троостит отпуска. Этот вид отпуска рекомендуется при термической обработке рессор и пружин.

Высоким отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 500–600 о С. Такой отпуск вызывает значительное снижение твердости закаленной стали; образующаяся структура – сорбит отпуска.

Сорбит отпуска обеспечивает хорошее сочетание свойств – достаточной прочности, вязкости и пластичности. Поэтому закалка стали с последующим высоким отпуском носит название термического улучшения. Эта обработка рекомендуется для среднеуглеродистых (улучшаемых) конструкционных сталей, применяемых для изготовления ответственных деталей машин.

|следующая лекция ==>
Прокаливаемостью называется свойство стали изменять свою структуру под влиянием закалки на большую или меньшую глубину.|Изучение зависимости между структурой и свойствами стали после различных видов термической обработки

Дата добавления: 2018-11-25 ; просмотров: 175 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *