Изменение свойств при отпуске сталей. Виды отпуска

Углеродистые стали. 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. Для увеличения вязкости и уменьшения закалочных напряжений после закалки применяют отпуск.

На рис. 4.28 видно, что до температуры отпуска около 100 °С твердость закаленной стали или практически не меняется, или слабо (на 1–2 HRC) возрастает. С дальнейшим повышением температуры отпуска твердость плавно снижается.

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.

В высокоуглеродистых сталях, содержащих значительное количество остаточного аустенита, распад его с выделением карбида задерживает падение твёрдости, а - в интервале температур 200–250°С даже несколько увеличивает ее.

Прочностные характеристики углеродистой стали (временное сопротивление, предел текучести и твердость) непрерывно уменьшаются с ростом температуры отпуска выше 300°С, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) непрерывно повышаются (рис. 4.29). Ударная вязкость 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 вследствие растворения частиц внутри α-фазы, становятся слишком грубыми.

Рис. 4.28. Зависимость твердости углеродистых сталей разного состава от температуры отпуска.

Рис. 4.29. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали.

По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (120–250 °С) широко применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий и после поверхностной закалки. Цель низкого отпуска − уменьшение остаточных закалочных напряжений. Температуру низкого отпуска выбирают такой, чтобы твердость и износостойкость не снизились или слабо снизились.

Выдержка при температуре низкого отпуска обычно не превышает 1−3 ч; с дальнейшим увеличением выдержки остаточные напряжения очень слабо уменьшаются.

Разновидность низкого отпуска − стабилизирующий отпуск. В закаленной стали даже при комнатной температуре, а тем более в результате климатических колебаний температуры происходят медленные (в течение многих лет) процессы распада мартенсита, перехода остаточного аустенита в мартенсит и снятия напряжений. Все эти явления ведут к постепенному изменению размеров изделия. Для таких изделий, как мерительный инструмент высокого класса точности и прецизионные подшипники, недопустимы изменения размеров даже на насколько микронов. Стабилизации мартенсита и напряженного состояния достигают низким (стабилизирующим) отпуском при 100–180 °С с выдержкой до 30, а иногда и до 150 ч.

Средний отпуск на троостит (350–450 °С) используют тогда, когда необходимо получить в стали сочетание высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.

Высокий отпуск на сорбит (450–650 °С) широко применяют в машиностроении к изделиям из конструкционной стали, которые должны характеризоваться не только достаточной прочностью, но и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам. Выдержку при высоком отпуске (обычно несколько часов) подбирают опытным путем для получения заданного комплекса свойств.

Двойная операция получения сорбита − закалка с высоким отпуском − называется улучшением. Эту операцию применяют к среднеуглеродистым сталям, содержащим от 0,35 до 0,6 % С. Такие стали называют улучшаемыми в отличие от малоуглеродистых цементуемых.

Скорость охлаждения с температуры отпуска не влияет на механические свойства углеродистых сталей, и если не опасны термические напряжения, то можно проводить ускоренное охлаждение.

Легированные стали. Легирующие элементы, затрудняющие распад мартенсита и коагуляцию карбидов, смещают температурную границу начала интенсивного разупрочнения при отпуске с 200−300 до 450–550 °С. Повышение красностойкости закаленной стали, т.е. способности ее сопротивляться смягчению при нагреве, − одна из основных целей легирования в производстве инструмента.

Для конструкционных легированных сталей весьма важно, что специальные карбиды выделяются при высоком отпуске в более дисперсной форме, чем цементит. Это обеспечивает повышенную вязкость, т.к. микропустоты (очаги разрушения) зарождаются около мелких частиц специального карбида труднее, чем около более крупных частиц цементита.

Отпускная хрупкость присуща многим сталям. В результате медленного охлаждения с температуры высокого отпуска ударная вязкость легированной стали может оказаться в несколько раз (и даже на порядок) меньше, чем после охлаждения в воде с той же температуры. Есть два температурных интервала, при которых у конструкционных сталей ударная вязкость заметно снижается: 250–350 и 500–600 °С. Понижение вязкости называют отпускной хрупкостью, соответственно, I и II рода.

Понижение ударной вязкости после отпуска при 250–350°С наблюдается у всех конструкционных сталей независимо от степени легирования.

Заметное падение ударной вязкости после отпуска 500–600 °С наблюдается только у легированных конструкционных сталей – хромистых, марганцевых, хромоникелевых, хромомарганцевых и т.д. Снижение вязкости почти не происходит в случае быстрого охлаждения от температуры отпуска (в воде или масле). Отпускная хрупкость II рода заметно подавляется даже при медленном охлаждении от температуры отпуска дополнительным легированием сталей молибденом или вольфрамом в количестве 0,3 и 1 % соответственно.

Дата добавления: 2014-01-20