Зависимость механических свойств стали от содержания углерода

Структура углеродистой стали после охлаждения состоит из двух фаз – феррита и цементита. Количество цементита в структуре стали, например в сплаве 5 (рис 3), определяется соотношением

Из этого соотношения видно, что с увеличением содержания углерода в стали будет возрастать количество цементита в структуре стали.

Контрольные вопросы

1. Что изучается с помощью микроанализа?

2. Как определяется увеличение микроскопа МИМ-7.

3. Перечислить основные операции при подготовке микрошлифа.

4. Для чего используются протравленные и непротравленные шлифы?

5. Что понимается под равновесным состоянием сплава?

6. Перечислить и дать характеристику твердых растворов системы железо-углерод.

7. Дать характеристику эвтектоидной и эвтектической смесей в системе железо-углерод.

8. Что такое перлит и ледебурит? При каких условиях они образуются?

9. Какие фазы наблюдаются при температуре, соответствующей линиям РSК, ЕСF, PQ, ЕS ?

10. Сколько углерода содержит каждая из фаз, присутствующая при температуре 723°С (линии РSК) и 1130°С (линия ЕСF) ?

11. Применить правило отрезков в двухфазных областях диаграммы железо-углерод и построить кривую охлаждения для одного сплава.

12. Применить правило фаз Гиббса в критических точках диаграммы железо-углерод.

13. Зарисовать структуру стали 40, У10, У8 и технически чистого железа.

14. Как определить марку доэвтектоидной стали по структуре ?

5.ЧУГУНЫ

5.1. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ЧУГУНОВ

Чугуны – сплавы железа с углеродом и с другими элементами с содержанием углерода более 2%.

Рис.5.1 Часть диаграммы железо-углерод, отображающая структуры чугунов.

Белые чугуны

Белые чугуны образуются при быстром охлаждении и их структура описывается метастабильной диаграммой.

Структура белых чугунов зависит от содержания углерода и они классифицируются по структуре и содержанию углерода следующим образом: чугуны с содержанием углерода до 4,3% (левее точки С) называются доэвтектическими, с содержанием углерода 4,3% (точка С) – эвтектическими, с содержанием углерода более 4,3% (правее точки С) – заэвтектическими.

Эвтектический белый чугун. Сплав 2.

В точке С при постоянной температуре 1130°С происходит кристаллизация жидкости по реакции Жс®А_Е +Ц_F. Образующаяся смесь аустенита и цементита называется ледебуритом и представляет собою пластины цементита со столбиками аустенита в них. После окончания кристаллизации сплав будет охлаждаться далее. Содержание углерода в столбиках аустенита при охлаждении будет уменьшаться по линии SЕ. На линии PSK аустенит будет содержать 0,8% (т.S) и распадается на перлит.

Ниже линии РSК ледебурит будет состоять из пластин цементита и столбиков перлита в них. Пример структуры ледебурита изображен на рис. 5.2.

Рис.5.2 Микроструктура ледебурита (а) и ее схематическое изображение (б)

Доэвтектический белый чугун (сплав 1).

Чуть ниже линии АС (рис.5.2) в жидкости возникают и растут зародыши аустенита. При произвольной температуре t состав аустенита определяется проекцией точки m, а жидкости – точки n на ось концентраций, то есть состав аустенита в процессе кристаллизации изменяется по линии солидус АЕ, а состав жидкости – по линии ликвидус АС. Количество аустенита и жидкости при температуре t определяется, как и . На линии ЕСF происходит кристаллизация ледебурита также как в сплаве 2. После окончания кристаллизации ледебурита сплав I состоит из зерен аустенита состава точки Е и ледебурита. При дальнейшем охлаждении сплава содержание углерода в зернах аустенита уменьшается по линии SЕ и углерод, выходящий на поверхность его зерен образует слой вторичного цементита. На линии РSК в аустените останется 0,8% С и аустенит распадется на перлит. Превращения в ледебурите при охлаждении сплава I полностью совпадают с превращениями в сплаве 2. После окончания перлитного превращения сплав 2 охлаждается до комнатной температуры и структура доэвтектического сплава I состоит из перлита +цементита вторичного +ледебурита и имеет вид, изображенный на рис.5.3.

Рис.5.3 Микроструктура белого доэвтектического чугуна и ее схематическое изображение

Заэвтектический белый чугун. Сплав 3.

дальнейшие превращения в ледебурите будут аналогичны превращениям в эвтектическом сплаве 2 и конечная структура заэвтектического сплава 3 состоит из цементита первичного и ледебурита и изображена на рис.5.4

Рис.5.4 Микроструктура белого заэвтектического чугуна и ее схематическое изображение

Применение белых чугунов

В своей структуре белые чугуны содержат большое количество цементита, обладающего высокой твердостью, прочностью, хрупкостью и имеющего белый цвет, чем и обусловлен цвет и название белых чугунов. Так, например, в сплаве 3 при комнатной температуре количество цементита в структуре равно . Из-за большого количества цементита в своей структуре белые чугуны обладают высокой твердостью, износостойкостью, хрупкостью и поддаются обработке резанием только сверхтвердыми сплавами. Белые чугуны применяют в основном в виде слоя отбеленного чугуна на поверхности изделия, внутри которых кристаллизуется серый чугун вследствии замедления охлаждения, например, прокатные валки. Такие изделия имеют твердую износостойкую поверхность и более пластичную, вязкую сердцевину.

Белый доэвтектический чугун также используется в виде заготовок среднего литья, отжигаемых впоследствии на ковкий чугун.

Серые чугуны

В серых чугунах часть углерода находится в свободном состоянии в виде стабильной фазы-графита и поэтому в серых чугунах кристаллизация и структурообразование происходят при медленном охлаждении по стабильной диаграмме железо-углерод. (рис. 3.5)

Рис 5.5. Часть стабильной диаграммы сплавов Fе – С, отражающая процессы кристаллизации и структурообразования в серых чугунах.

Ниже линии АС¢ в жидкости происходит кристаллизация аустенита , причем содержание углерода в жидкости изменяется по линии АС¢, а в аустените - по линии АЕ¢. И когда сплав I охладится до линии Е¢С¢F¢ оставшаяся жидкость будет иметь состав С¢.

В сплаве 3 при медленном охлаждении ниже линии С¢Д¢ в жидкости будет происходить кристаллизация графита в виде столбиков. Из-за различной плотности графита и жидкости столбики графита будут всплывать в верхнюю часть отливки и поэтому в структуре не наблюдается. Содержание углерода в жидкости будет изменятся по линии С¢Д¢ и когда сплав 3 охладится до линии Е¢С¢F¢ жидкость будет иметь состав точки С¢.

Таким образом, независимо от содержания углерода, жидкость на линии Е¢С¢F¢ будет иметь состав точки С¢.

При медленном охлаждении, немного ниже линии Е¢С¢F¢ при постоянной температуре в жидкости происходит совместная

кристаллизация аустенита и графита по реакции

Графитовые включения кристаллизуются в виде розеток с тремя, четырьмя искривленными лепестками.

После окончания процесса кристаллизации А_Е¢ и Г сплав будет охлаждаться далее, растворимость углерода в аустените уменьшается по линии Е¢S¢ , лишний углерод уходит из аустенита на ранее образовавшиеся графитные включения, наслаиваясь на них и увеличивая их размеры. При охлаждении сплава до линии Р¢S¢К¢ содержание углерода уменьшится до 0,7% (т.S¢)

Рис. 5.6. Микроструктура серого чугуна с крупнопластинчатым графитом и ее условная зарисовка; а – на ферритной основе, б – на феррито-перлитной основе, в – на перлитной основе.

При очень малой скорости охлаждения или даже выдержки в интервале температур 738…723°С произойдет полное превращение аустенита в феррит и получится ферритная металлическая основа с графитными включениями, то есть структура феррит+графит (рис. 5.6а) – серый чугун на ферритной основе, имеющий низкие механические свойства – малую выносливость и хрупкость.

При большей, промежуточной, скорости охлаждения часть аустенита, находящегося около графитных включений при охлаждении в интервале температур между линиями Р¢S¢К¢ и РSК, превратится в феррит, а оставшаяся часть аустенита, находящаяся дальше от графитовых включений, переохладится ниже линии РSК и распадется на перлит. Получится серый чугун на феррито-перлитной основе с графитовыми включениями (рис.5.6б), имеющий небольшие, но более высокие, чем предыдущий сплав, механические свойства.

При большой скорости охлаждения превращение аустенита в феррит в интервале температур между линиями Р¢S¢К¢ и РSК произойти не успеет, аустенит переохладится ниже линии РSК, распадется на перлит и получится перлитная металлическая основа с графитными включениями, то есть структура перлит+графит (рис.5.6в). Это наилучший вид литейного серого чугуна, который может быть использован также как антифрикционный сплав для подшипников скольжения. Таким образом, при кристаллизации и структурообразовании серых чугунов независимо от содержания углерода в сером чугуне получаются структуры, изображенные на рис. 3.6, из анализа которых можно сделать вывод о том, что металлическая основа серых чугунов похожа на структуру технического железа, доэвтектоидной и эвтектоидной стали и , следовательно, серые чугуны можно рассматривать, как стали с графитными включениями.

Серые чугуны классифицируются по типу металлической основы: на ферритные, феррито-перлитные, перлитные и по форме графитовых включений: серые чугуны с крупнопластинчатым графитом, серые чугуны с мелкопластинчатым графитом, высокопрочные чугуны с шаровидным графитом и ковкие чугуны с хлопьевидным графитом.

Влияние примесей на кристаллизацию и структурообразование чугунов

Кремний обязательно присутствует в чугунах и оказывает большое влияние на структуру и свойства чугунов. Кремний приводит к уменьшению растворимости углерода в аустените и смещению точек Е¢ и С¢ на диаграмме влево тем сильнее, чем больше его содержание. Смещение эвтектической точки С¢ влево при наличии кремния приводит к тому, что доэвтектический чугун становится заэвтектическим и при охлаждении жидкости в нем начнется кристаллизация не аустенита, а графита. Если проводить модифицирование серого чугуна мелко раздробленным ферросицилием, его частицы, растворяясь локально обогащают расплав кремнием. Это приводит к появлению большого числа более мелких графитных включений в структуре чугуна, то есть получается его структура с мелкопластинчатым графитом. Такой чугун обладает прочностью в 1,5…2 раза выше прочности чугуна с крупнопластинчатым графитом. Обычно содержание кремния в чугунах колеблется в пределах 1,2…3,5%. Серые чугуны с крупнопластинчатым графитом и с мелкопластинчатым графитом называют собственно серыми и маркируют буквами СЧ, затем следует число, которое показывает среднее значение временного сопротивления s_в при растяжении (кгс/мм²)

Например СЧ18 – серый чугун s_в=18 кгс/мм²

Высокопрочный чугун.

Для повышения прочности чугуна в него вводят небольшие добавки щелочных или щелочноземельных металлов, чаще всего магния, при концентрации 0,03…0,07%. Пары магния, обрабатывая расплав, способствуют кристаллизации графита в виде шариков, и получается чугун с шаровидным графитом. Шаровидные графитные включения имеют минимальную поверхность раздела с металлической матрицей и не являются такими сильными концентраторами напряжений, как графитные включения в виде крупных и мелких пластин. Это обстоятельство, а так же то, что магний, растворяясь в зернах и на их границах, изменяет металл как легирующий элемент, приводит к повышению прочности чугуна, благодаря чему он и получил свое название высокопрочный чугун (рис. 5.7).

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем следуют числа. Первые числа показывают среднее значение временного сопротивления s_в при растяжении (кгс/мм²), второе – относительное удлинение d (%), например, ВЧ 100-4 – высокопрочный чугун, s_в= 100 кгс/мм² , d=4%.

Рис.5.7. Микроструктура высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и ее условная зарисовка. а – на ферритной основе, б – на феррито-перлитной основе, в – на перлитной основе.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают из белого доэвтектического чугуна с содержанием углерода 2,5…3% и кремния 0,8…1,6% путем длительного (около 100 часов) графитизирующего отжига при температуре около 900-1000°

Цементит является метастабильной фазой и при высокой температуре, в процессе выдержки, распадается на стабильные фазы аустенит и графит, который выделяется в виде комков и под микроскопом имеет хлопьевидную форму, т.е. получается ковкий чугун с хлопьевидным графитом (рис.5.8).

По прочности ковкие чугуны занимают промежуточное положение между чугунами с мелкопластинчатым графитом и высокопрочными чугунами.

Структура ковкого чугуна и его схематическое изображение приведена на рис. 5.8

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, затем следуют числа. Первое число показывает среднее значение временного сопротивление s_в при растяжении (кгс/мм²), второе – относительное удлинение d (%), например, КЧ 50-4 – ковкий чугун, s_в=50 кгс/мм² , d=4%.

Рис.5.8. Микроструктура ковкого чугуна с хлопьевидным графитом и ее условная зарисовка. а – на ферритной основе, б – на феррито-перлитной основе, в – на перлитной основе.

Применение серых чугунов

Наличие графитных включений ослабляет металлическую ос­нову серых чугунов и снижает их прочность, как из-за уменьшения работающего сечения металлической основы, так и из-за того, что края графитных включений являются концентраторами напряжений, способствуя разрушению чугуна. Сопротивление при растяжении, изгибе и кручении в основном определяется формой, размером и ко­личеством графитных включений.

При сжатии серых чугунов форма, количество и размеры гра­фитных включений практически не оказывает влияния на предел прочности, который оказывается близким к пределу прочности стали и зависит главным образом от типа металлической основы. Проч­ность серых чугунов при сжатии в 3-5 раз больше, чем при растяже­нии. Поэтому серые чугуны рекомендуется использовать для изде­лий, работающих в основном на сжатие.

Графитные включения, нарушающие сплошность металличе­ской основы, делают чугуны малочувствительными к различным внешним концентраторам напряжений (дефекты поверхности, над­резы, выточки и т.д.), то есть делают детали из серых чугунов не-подтверженными усталостным разрушениям.

Графитные включения улучшают обрабатываемость чугунов резанием.

При работе чугуна в парах трения чугун, изнашиваясь, создает полости, заполняемые смазочным маслом, что повышает ан­тифрикционные свойства чугуна.

Графитные включения в серых чугунах увеличивают демпфирующую способность изделий из них, то есть их внутреннее трение, или, иначе говоря, способность чугунов рассеивать подводимую к нему энергию механических колебаний, что снижает шумы при работе машины с такими деталями.

Высокопрочный чугун широко используют в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей, в тяжелом машиностроении - для деталей прокатных ста­нов, в кузнечно-прессовом оборудовании, в химической и нефтяной промышленности. Ковкий чугун применяется для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Чем отличается чугун от стали?

2.Чем отличаются белые и серые чугуны и как они получаются?

3.Как классифицируются белые чугуны?

4.Что такое ледебурит и как изменяются его структурные составляющие в зависимости от температуры?

5. Назовите структуры доэвтектического, эвтектического и заэвтектического белого чугуна.

6. ЗАКАЛКА

6.1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

Закалка стали - это термическая обработка стали, которая применяется для получения максимально возможной твердости и прочности стали.

В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке происходит полное фазовое превращение т.е. сталь при нагреве переводят в однофазное аустенитное состояние.

Полной закалкой подвергают доэвтектоидные стали, нагревая их выше критической температуры GS (А_с3) на 30-50°С (рис.6.1.)

При неполной закалке происходит неполная фазовая перекристаллизация, т.е. сталь нагревают до межкритических температур - между РSК (А_с1) и GS (А_с3) или между РSК (А_с1) и SЕ (А_сm). Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, нагревая их выше линии РSК (А_с1) на 30-50°С (рис.6.1.).

Время нагрева и выдержки детали в печи при закалке зависит от температуры нагрева , формы и размеров детали. (табл.6.1).

Таблица 6.1

Охлаждение стали при закалке производят с большой скоростью (несколько сотен градусов в секунду). При такой высокой скорости охлаждения диффузия углерода в кристаллической решетке железа произойти не успеет, а кристаллическая решетка g- железа, путем сдвига атомов железа друг относительно друга на расстоянии меньше межатомных, перестраивается в a-железо. Так как диффузия атомов углерода и железа отсутствует, т.е. процесса является бездиффузионным, то содержание углерода в решетке a-железа будет равно содержанию углерода в решетке g- железа аустенита в результате чего решетка a-железа оказывается пересыщенной углеродом, деформируется и становится тетрагональной (рис.6.2).

Эта новая фаза с тетрагональной кристаллической решеткой железа называется мартенситом.

Мартенсит - это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-железо. Мартенсит имеет высокую твердость, в основном, из-за пересыщения решетки a-железа углеродом и его твердость возрастает с увеличением содержания углерода. Так как целью закалки является получение максимально возможной твердости и прочности стали, то охлаждение стали при закалке необходимо проводить с такой скоростью, чтобы получить мартенситную структуру.

Скорость охлаждения зависит, в основном, от содержания в стали легирующих элементов и определяется диаграммой изотермического превращения аустенита (рис.6.3).

Диаграмма изотермического превращения стали У8 состоит из следующих областей.

I - область устойчивого аустенита.

II - область неустойчивого переохлажденного аустенита.

III - область распада аустенита на феррито-цементитную смесь.

IV - область продуктов распада аустенита на феррито-цементитную смесь.

V - область бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

Две С-образные кривые 1 и 2 на диаграмме указывают, соответственно, время начала и конца распада аустенита на феррито-цементитную смесь.

Две горизонтальные линии М_н и М_к на диаграмме указывают, соответственно, температуру начала и конца бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

Наименьшей устойчивостью переохлаждаемый аустенит обладает при ~ 550°С. Превращения в интервале температур А_r1 - 550°C называют перлитным, а в интервале 550°С - М_н промежуточным или бейнитным.

В области перлитного превращения аустенит, в зависимости от степени переохлаждения превращается в феррито-цементитную смесь пластинчатого строения различной степени дисперсности, под которой понимается суммарная толщина расположенных рядом пластин феррита и цементита.

Перлит - крупнодисперсная смесь пластинок феррита и цементита с суммарной толщиной пластинок 8-10 микрон.

Сорбит - среднедисперсная смесь пластинок феррита и цементита с суммарной толщиной пластинок 6-8 микрон.

Тростит - мелкодисперсная смесь пластинок феррита и цементита (смесь высокой степени дисперсности) с суммарной толщиной пластинок 2-4 микрона.

С увеличением скорости охлаждения возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси, что приводит к увеличению прочности и твердости стали и уменьшению ее пластичности.

При скоростях охлаждения больше критической скорости охлаждении V_кр, аустенит переохлаждается до температуры начала мартенситного превращения М_н и начинается мартенситное превращение.

Критическая скорость охлаждения или критическая скорость закалки V_кр - это минимальная скорость охлаждения при которой происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.

Мартенсит зарождается на границе зерна аустенита и в виде линзообразной пластины прорастает через все зерно аустенита. Затем образуются следующие пластины мартенсита, которые расположены под определенным углом к ранее образовавшимся пластинам мартенсита, т.е. образование мартенсита происходит не за счет роста ранее образовавшихся пластин мартенсита, а за счет образования новых пластин мартенсита. Пластины мартенсита выглядят под микроскопом в виде иголок (рис.6.4а) и поэтому говорят, что мартенсит имеет игольчатую структуру, причем размер игл мартенсита тем больше, чем больше исходное зерно аустенита.

При перегреве стали вырастает зерно аустенита и при закалке получится крупноигольчатый мартенсит (рис.6.4в).

Образование мартенсита происходит с увеличением объема и поэтому аустенит остаточный будет находится в напряженном состоянии.

Если охлаждение стали в области V мартенситного превращения прекратить и дать выдержку, то структура стабилизируется и при дальнейшем охлаждением мартенситное превращение либо вообще не происходит, либо происходит с задержкой и не в полном объеме. Для того, чтобы мартенситное превращение прошло наиболее полно, сталь необходимо непрерывно охлаждать до линии конца мартенситного превращения (закалка холодом).

Микроструктура закаленной стали зависит от температуры нагрева и скорости охлаждения. Нагрев до рекомендуемых температур А_с3 + (30…50)°С доэвтектоидных сталей при полной и А_с1 + (30…50) °C заэвтектоидных сталей при неполной закалке позволяет получить структуру мелкоигольчатого мартенсита (рис.6.4а) и мартенсита и вторичного цементита (рис.6.4б).

Охлаждение при закалке со скоростью меньше критической вызывает образование наряду с мартенситом, тростита (рис.6.4д), что приводит к уменьшению твердости стали.

Рис.6.4 Микроструктура закаленной стали и ее условная зарисовка:

а) мартенсит мелкоигольчатый;

б) мартенсит + цементит;

в) мартенсит крупноигольчатый (перегрев стали);

г) мартенсит + феррит (недогрев стали);

д) мартенсит + тростит (замедленное охлаж­дение)

Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки V_кр и поэтому их закаливают в воде или водных растворах солей со скоростью охлаждения 600°С/сек. и выше.

Легирующие элементы в легированных сталях, за исключением кобальта, повышают устойчивость аустенита, что приводит к смещению вправо линии начала превращения аустенита в феррито-цементитную смесь на диаграмме изотермического превращения аустенита легированных сталей, что, в свою очередь, приводит к уменьшению критической скорости закалки легированных сталей. Поэтому легированные стали закаливают в масле со скоростью охлаждения ~ 150°С/сек.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется закалкой стали?

2. Какая скорость называется критической скоростью закалки?

3. Какую структуру имеет доэвтектоидная сталь после закалки при V_охл.>V_кр.?

4. Как определить температуру закалки доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей?

5. Как влияет на твердость закаленной стали, увеличение количества углерода в стали?

6. Какое строение имеет мартенсит под микроскопом?

7. Сталь У12, температура нагрева Ас₁ - (30…50)°С. Какая сформируется структура при закалке?

8. Что такое мартенсит?

9. Какие стали требуют полной, неполной закалки ?

10. Сталь 50, температура нагрева Ас₁ - Ас₃ , V_охл.> V_кр. Какая формируется структура?

11. Какую структуру имеет сталь У12 после неполной закалки при V_охл.³ V_кр.. Какая формируется структура?

12. В какой среде охлаждаются углеродистые и легированные стали на мартенсит?

13. Что называется сорбитом, троститом?

14. Что называется ферритом, аустенитом, цементитом, мартенситом?

15. Каков механизм эвтектоидного, мартенситного превращений?

16. Чем отличаются структуры перлита, сорбита и тростита?

17. Назовите особенности мартенситного превращения?

18. Какова природа высокой твердости мартенсита?

19. Зависит ли твердость мартенсита от скорости охлаждения?

20. Почему в закаленной стали присутствует аустенит остаточный?

21. Для чего проводится обработка холодом закаленной стали?

22. Влияет ли время изотермической выдержки на количество и твердость мартенсита?

7.ОТПУСК

7.1. 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 ферритоцементитной 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.7.1).

Рис 7.1. 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 350⁰С), 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 ферритоцементитную смесь - тростит отпус­ка.

При среднем отпуске происходит качественное изменение струк­туры закаленной стали: из мартенсита закалки и остаточного аустенита образуется тростит отпуска - ферритоцементитная 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.7.1) 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 ферритоцементитной 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.7.1.), 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. Bремя выдержки опре­деляется из расчета 2...3 мин на 1 мм толщины обрабатываемого из­делия или образца.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. После какой термической обработки проводится отпуск?

2. В чем заключается распад мартенсита и при каком виде отпуска он заканчивается?

3. От каких факторов зависят свойства отпущенной стали?

4. При какой температуре отпуска обеспечивается максимальная твердость?

5. Какова разница в строении тростита и сорбита после закалки и после отпуска?

6. При каком виде отпуска идет коалесценция и сфероидизация цементитных частиц?

7. Какая структура формируется при низком, среднем и высоком отпуске?

8. Что такое улучшение стали?

9. На какие фазы распадается мартенсит при отпуске?

10. Чем отличается тростит отпуска от сорбита отпуска?

11.Чем отличается мартенсит закалки от мартенсита отпуска?

12. Какому виду отпуска подвергаются инструментальные стали, ра­ботающие в условиях ударной и безударной нагрузок?

13. Какому виду отпуска подвергаются рессоры и пружины?

8. ОТЖИГ

8.1. ПРЕВРАЩЕНИЕ ПРИ ОТЖИГЕ

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: