Превращения при отпуске сталей

Сталь, закаленная на мартенсит, обладает сложным полем оста­точных напряжений, имеет высокую твердость и склонность к хрупко­му разрушению. Поэтому непосредственно после закалки стали не могут быть использованы для эксплуатации и подвергаются окончатель­ной операции термической обработки - отпуску.

Процесс нагрева закаленной стали до температур ниже критичес­кой точки Ас₁, выдержки при выбранных температурах и последующего охлаждения, как правило на воздухе, называется отпуском стали.

Структура закаленной стали состоит из двух неустойчивых фаз: мартенсита и остаточного аустенита. Поэтому при длительном выле­живании при.комнатной температуре и особенно нагреве неустойчивая структура закаленной стали стремится перейти в более устойчивое состояние, т. е. в структуру, состоящую из феррито-цементитной сме­си.

При нагреве закаленной стали происходят процессы диффузии углерода из пересыщенной решетки мартенсита, что приводит к уменьшению степени ее тетрагональности, снижению остаточных внутренних напряжений в стали и образованию карбидных частиц. Скорость процесса распада мартенсита и количество углерода в нем зависят от температуры нагрева. Чем выше температура нагрева мартенсита, тем больше скорость распада и тем меньше углерода будет оставаться в нем.

В зависимости от температуры нагрева существует три вида отпуска.

Низкий отпуск – нагрев закаленной стали до температур 170...220°С. Низкий отпуск предназначается для частичного снятия внутренних напряжений и повышения вязкости и пластичности стали без заметного снижения ее твердости (рис. 1).

Рис. 1. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали

Этому виду отпуска подвергают мерительный и режущий инструмент, работающий в условиях безударной нагрузки: метчики, плашки, рез­цы чистовой обработки и т. д.; детали, прошедшие химико-термичес­кую обработку: цементацию, азотирование, цианирование и т. д. При низком отпуске углерод частично удаляется – диффундирует из пересыщенной решетки мартенсита с образованием включений промежу­точных карбидов типа Fе_xС. При этом уменьшается степень тетрагональности решетки и, как следствие, снижаются остаточные напря­жения. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Значитель­ных изменений в микроструктуре не происходит. Мартенситные иглы теряют свои ранее резкие очертания.

Средний отпуск – нагрев закаленной стали до температур 270...350 (400)°С. Средний отпуск предназначается для почти полного снятия внутренних напряжений, повышения упругих и пластических свойств стали. Этому виду отпуска подвергаются инструмент, рабо­тающий в условиях ударной нагрузки: долбяки, строгальные резцы, резцы для черновой обработки дерева, слесарный инструмент и т. д. (максимальный нагрев до 350°С), детали машин, к которым предъявляются требования высоких упругих свойств: рессоры, пружины и др. (температура нагрева 400°С).

При среднем отпуске, особенно при максимальных температурах, избыточный углерод покидает кристаллическую решетку Fe-a, в результате почти полностью устраняются тетрагональность решетки и остаточные напряжения, мартенсит превращается в феррит, а выделившийся из мартенсита углерод образует устойчивый карбид железа Fe₃C. Остаточный аустенит превращается в мартенсит отпуска, который затем распадается на феррито-цементитную смесь – тростит отпус­ка.

При среднем отпуске происходит качественное изменение струк­туры закаленной стали: из мартенсита закалки и остаточного аустенита образуется тростит отпуска – феррито-цементитная смесь с вы­сокой степенью дисперсности.

Применимость среднего отпуска для упругих элементов конст­рукций объясняется достижением оптимального комплекса свойств: модуль упругости еще достаточно велик, а хрупкость, за счет распа­да мартенсита, устранена. При среднем отпуске значительное (до 30%) падение твердости и незначительное увеличение пластичности (рис.1) происходят в основном за счет устранения тетрагональности, дефектов кристаллической решетки и остаточных напряжений.

Высокий отпуск – нагрев закаленной стали до температур 500...700°С. Высокий отпуск предназначается для получения одно­родной мелкозернистой структуры стали и обеспечения наилучшего сочетания прочности, пластичности и ударной вязкости (до 600°С). Двойная термическая обработка, состоящая из закалки и последую­щего высокого отпуска (до 600°С), существенно улучшает общий комплекс механических свойств, является основным видом термичес­кой обработки конструкционных сталей и называется улучшением стали. Улучшению подвергаются такие детали, как шестерни, валы, траверсы, плунжеры, и т. д.

При высоком отпуске, наряду с процессами распада закалочных структур (мартенсита и остаточного аустенита) в феррито-цементитной смеси наблюдаются процессы коалесценции (укрупнения) и сфероидизации (округления) частиц цементитной фазы. Уменьшается коли­чество цементитных включений в ферритной матрице и увеличиваются их размеры, т. е. снижается степень дисперсности структуры. Такая смесь феррита и цементита средней дисперсности зернистого строе­ния называется сорбитом отпуска, в отличие от сорбита закалки, имеющего пластинчатое стро­ение. При высоком отпуске происходит падение твердости (до 50%) закаленной стали при значительном увеличении пластичности и удар­ной вязкости (рис. 1), максимальные значения которых достигаются при температуре отпуска 700°С.

Перед обработкой резанием применяют высокий отпуск (до 700°С), резко снижающий твердость предварительно закаленной стали и износ режущего инструмента. Частицы карбидов оказываются укрупненными. Такая структура именуется перлитом отпуска в отличие от пластин­чатого перлита, получающегося при непрерывном охлаждении стали из области аустенита.

Снижение прочности и увеличение пластичности происходит в ос­новном за счет увеличения количества плоскостей скольжения в фер­рите, свободных от цементитных включений, т. е. устранения препят­ствий для перемещения дислокаций.

Таким образом, на свойства отпущенной стали влияют температу­ра отпуска и время выдержки при той или иной температуре, способствующие протеканию диффузионных процессов. Время выдержки опре­деляется из расчета 2...3мин на 1 мм толщины обрабатываемого из­делия или образца.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: