Как влияет температура отпуска на свойства сталей

Особенности и виды отпуска стали как способа термообработки металла

Отпуском металла называется технологический процесс термообработки закалённого стального сплава. Он даёт возможность завершить фазовые превращения в микроструктуре (мартенсите), которая приобретает наиболее устойчивое состояние. Дело в том, что в процессе закалки в металле возникают внутренние напряжения — осевые, радиальные, тангенциальные. Чтобы устранить их негативные последствия такие как хрупкость и низкая пластичность, изделия нагревают в печах при различных температурах (от 250 °C до 650 °C), выдерживают заданное время (от 15 минут до 1,5 часа), а потом медленно охлаждают.

Комплекс этих мероприятий приводит к выделению лишнего углерода, перестройке и упорядочиванию структуры металла, устранению дефектов его кристаллического строения. Обработанные материалы приобретают заданный комплекс механических свойств, среди которых основные — увеличение пластичности и снижение хрупкости при сохранении достаточного уровня прочности.

Виды отпуска стали

1. Низкий.
2. Средний.
3. Высокий.

Понятие низкого отпуска.

Для снижения внутренних напряжений низкий отпуск стали обычно проводят нагреванием до 250 °C в течение от 1 до 2,5 часа. Из металла в процессе диффузии выделяется часть излишков углерода, из них образуются карбидные частицы в виде пластин и стержней. Неравновесная структура мартенсита закалки превращается в равновесный отпущенный мартенсит. Этим достигается стабилизация размеров изделий, повышаются вязкость и прочность, а показатели твёрдости практически не изменяются.

Низкотемпературному отпуску подвергают железоуглеродистые и низколегированные стали для производства режущего и измерительного инструмента, который не испытывает динамических нагрузок. В основном его выполняют для сталей, закалённых токами высокой частоты, а также для сплавов, поверхность которых ранее насыщалась углеродом и азотом.

Особенности среднего отпуска.

Он проводится при температурах от 350 °C до 500 °C и обеспечивает высокую упругость и релаксационную стойкость. Из стали выделяется весь избыточный углерод, а карбид переходит в цементит. Мартенсит уже полностью разложился, а перестройка структуры металла (полигонизация) и её совершенствование (рекристаллизация) ещё не начались. Новая комбинация называется троостомартенсит и характеризуется ускорением процессов диффузии. Кристаллическая решётка сплава при этом превращается в кубическую, а внутренние напряжения ещё больше уменьшаются.

Охлаждение металла осуществляют в воде, что тоже увеличивает предел выносливости. Среднетемпературный отпуск необходим при производстве упругих деталей: рессор, ударного инструмента и пружин.

Технология высокого отпуска.

При температурах свыше 500 °C в углеродистых сплавах происходят структурные преобразования, которые уже не относятся к фазовым превращениям. Претерпевают изменения конфигурация и габариты частиц кристаллов, их зёрна укрупняются, а форма стремится к равноосной. Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск стали, в материаловедении называется улучшением, а кристаллическая структура металла после этого — сорбитом отпуска. Она считается наиболее эффективной, так как достигается идеальное сочетание вязкости, пластичности и прочности сплава. Однако несколько снижается твёрдость, поэтому не приходится надеяться на улучшение износостойкости.

Продолжительность высокого отпуска варьируется в пределах от 1 до 6 часов и зависит от размеров зубчатых передач, опор, коленчатых валов, втулок, болтов и винтов, изготовленных из конструкционных и среднеуглеродистых сталей. Эти изделия в процессе эксплуатации воспринимают ударные нагрузки и работают на сжатие, растяжение и изгиб, а к их прочности, выносливости, текучести и ударной вязкости предъявляются особые требования.

Явление отпускной хрупкости

Изучая сущность процесса, можно было бы сделать вывод, что при любом увеличении температуры отпуска станет повышаться и ударная вязкость. Но при обработке стальных сплавов в определённых температурных интервалах возникает внезапное падение ударной вязкости без изменения прочих механических характеристик. Это явление обозначается термином «отпускная хрупкость» и объясняется следующим образом:

1. Отпускная хрупкость Ι рода — необратимый процесс. При температурах от 250 °C до 300 °C карбиды из мартенсита начинают выделяться неравномерно, что приводит к резкому различию прочности на поверхности зёрен кристаллов и внутри их. Этому подвержены все виды стальных сплавов вне зависимости от состава и скорости охлаждения по окончании отпуска. Это явление невозможно устранить и для его предотвращения стараются просто не выполнять обработку при данных температурах.
2. Отпускная хрупкость ΙΙ рода — обратимый процесс. Возникает при замедлении охлаждения некоторых легированных хромом, марганцем и никелем сталей, которые отпускались при температурах выше 500 °C. Причиной опять является выделение и диффузное перераспределение карбидов, а также фосфидов и нитридов. Чтобы подавить развитие обратимой хрупкости, применяют повторный отпуск с масляным охлаждением, при этом скорость последнего должна быть как можно более высокой. Добавки в легированную сталь до 1% вольфрама или до 0,3% молибдена тоже помогают решить эту проблему. Интересно, что если во время эксплуатации детали будут снова подвергаться нагреву до температуры выше 500 °C, отпускная хрупкость возникнет повторно, почему она и получила название обратимой.

Термообработка инструментальных сплавов

Практически для всех металлов справедливо утверждение: с повышением температуры отпуска снижается прочность и увеличивается пластичность. Исключение составляют только быстрорежущие стали, применяющиеся в производстве инструментов. Для обеспечения лучших характеристик теплостойкости и износостойкости их легируют карбидообразующими элементами: молибденом, кобальтом, вольфрамом и ванадием. А для закалки используют нагрев до температур свыше 1200 °C, что позволяет наиболее полно растворить образовавшиеся карбиды.

Теплопроводности самого железа и легирующих его элементов значительно различаются, поэтому для предотвращения деформации и растрескивания при нагреве следует выполнять температурные паузы. Это происходит при достижении 800 °C и 1050 °C, а для больших предметов первый интервал назначают при температуре 600 °C. Длительность остановки лежит в пределах от 5 до 20 минут, что позволяет обеспечить наилучшие условия для растворения карбидов. Охлаждение чаще всего проводят в масле.

Существенно уменьшить деформацию позволяет ступенчатая термообработка стали в расплавах солей, где закалка выполняется при температуре около 500 °C. Для увеличения твёрдости изделий далее следует двукратный отпуск при 570 °C. Длительность процесса составляет 1 час, а на его режим влияют химические свойства легирующих элементов и температура, определяющая скорость выделения карбидов.

Отпуск стали. Температура отпуска стали. Режимы отпуска стали. Отпускная хрупкость. Улучшение термическая обработка.

Отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей (см. Закалка стали). С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

Термическая обработка металла. Термическая обработка металлов и сплавов. Виды термической обработки металлов. Виды термообработки.

Различают три вида отпуска:

1. Низкий отпуск с температурой нагрева Т_н = 150…300 o С.

В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру – мартенсит отпуска.
Проводят для инструментальных сталей после закалки токами высокой частоты или после цементации.

2. Средний отпуск с температурой нагрева Т_н = 300…450 o С.

Получают структуру – троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40…45HRC c хорошей упругостью и вязкостью.
Используется для изделий типа пружин, рессор.

3. Высокий отпуск с температурой нагрева Т_н = 450…650 o С..

Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) – сорбит отпуска.
Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.
Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением.

Способы закалки. Способы закалки стали. Виды закалки стали. Технология закалки стали. Режимы закалки сталей.
Закалка стали. Закалка металла. Виды закалки. Температура закалки. Закаливаемость. Прокаливаемость. Критический диаметр.

Отпускная хрупкость

Обычно с повышением температуры отпуска ударная вязкость увеличивается, а скорость охлаждения не влияет на свойства. Но для некоторых сталей наблюдается снижение ударной вязкости. Этот дефект называется отпускной хрупкостью.

Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области температур около 300 o С. Она не зависит от скорости охлаждения. Это явление связано с неравномерностьюпревращения отпущенного мартенсита (см. Мартенсит. Мартенситное превращение.). Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. У границ наблюдается концентрация напряжений, поэтому границы хрупкие.

Отпускная хрупкость I рода “необратима“, то есть при повторных нагревах тех же деталей не наблюдается.

Нормализация стали. Температура нормализации стали. Процесс нормализации стали.

Отпускная хрупкость II рода наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450…650 o С. При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит диффузия фосфора к границам зерна. Приграничные зоны обогащаются фосфором, снижаются прочность и ударная вязкость. Этому деекту способствуют хром, марганец и фосфор. Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам, а также быстрое охлаждение после отпуска.

Отжиг стали. Отжиг второго рода. Полный отжиг. Неполный отжиг. Полный и неполный отжиг. Изотермический отжиг.Отжиг стали. Отжиг первого рода. Диффузионный отжиг. Отжиг рекристаллизационный. Отжиг для снятия напряжений.

Отпускная хрупкость II рода “обратима“, то есть при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур дефект может повториться.

Стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650 o С без последующего быстрого охлаждения.

Улучшаемые стали

Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3–05 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Углеродистые улучшаемые стали (стали 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия понижаются. Для мелких деталей после термической обработки получают sв=600¸700 МПа и КСU=0,4–0,5 МДж/м2. Если от деталей требуется более высокая поверхностная твердость (шпиндели, валы, оси и т.д.), то после закалки их подвергают отпуску на твердость НRС 40–50. Для получения высокой поверхностной твердости используют закалку ТВЧ (шестерни, коленчатые валы, поршневые пальцы и т.д.).
Для получения высоких механических свойств в деталях сечением более 25–30 мм применяют легированные стали, которые обладают большей прокаливаемостью, более мелким зерном, их критическая скорость закалки меньше, следовательно, меньше закалочные напряжения, выше устойчивость против отпуска. Отсюда их основное преимущество перед углеродистыми конструкционными сталями–лучший комплекс механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости.
Большинство легированных конструкционных сталей относится к перлитному классу.
При создании легированных сталей всегда учитывают стоимость легирующего элемента и его дефицитность.
Основным легирующим элементом в конструкционных сталях является хром, содержание которого обычно составляет 0,8–1,1 %; марганца в сталях до 1,5 %; кремния 0,9–1,2 %; молибдена 0,15–0,45 %; никеля 1–4,5 %. Общая сумма легирующих элементов не превышает 3–5 %.
Все перечисленные элементы, кроме никеля, увеличивая прочность стали, понижают ее пластичность и вязкость. Никель является исключением–он оказывает особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, никель понижает порог хладноломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особенно ценны как конструкционный материал.
Кроме названных элементов, в конструкционные стали для деталей машин вводят около 0,1 % V, Тi, Nb, Zr для измельчения зерна. Введение 0,002–0,003 % В увеличивает прокаливаемость.
Улучшаемые стали можно условно разделить на несколько групп. Широко применяют стали, легированные хромом, особенно стали марок 40Х, 45Х. Для увеличения прокаливаемости в них иногда добавляют бор (сталь 40ХР). Увеличение прокаливаемости (в сечении до 40 мм) достигается и добавлением в хромистые стали около 1 % Мn: 30ХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости II рода вводят 0,15–0,25 % Мо.
Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль, легированы хромом, кремнием и марганцем, т.е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемостью и прочностью, например, сталь 30ХГС после термической обработки имеет sв=1650 МПа при КСU=0,4 МДж/м2. Недостаток этих сталей склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.
Чем больше размер детали, сложнее ее конфигурация, выше напряжения, возникающие в ней в процессе работы, тем с большим количеством никеля применяют сталь для ее изготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т.д.
Молибден и волъфрам вводят в состав сталей также для уменьшении склонности к отпускной хрупкости. На рис.3 приведена диаграмма, позволяющая выбрать нужную марку стали, в зависимости от заданных прочности и размеров сечения.
Рис. 3.Диаграмма для выбора марок конструкционной стали в зависимости от заданной прочности и размера сечения детали:
1 – 30ХН3М; 2 – 30ХН3; 3 – 34ХМА; 4 – 33ХСА;
5 – 30Н3; 6 – 35ХА; 7 – 35СГ; 8 – сталь 30

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Влияние температуры отпуска на микроструктуру и свойства закаленной стали

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТПУСКА НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЗАКАЛЁННОЙ СТАЛИ

Отпуском называют вид термической обработки, заключающийся в нагреве закалённой стали до температуры, лежащей ниже нижней критической точки АС1, выдержке 1,5. 2,0 часа и охлаждении (медленном или быстром). Цель отпуска – окончательно сформировать структуру и свойства стали и снять закалочные напряжения.

В процессе многолетней эксплуатационно-производственной практики сложились три основные группы изделий, требующие для их успешной эксплуатации «своих» специфических комплексов вязкостно-прочностных свойств.

Первая группа: режущие измерительные инструменты и штампы для холодной штамповки. От их материала требуются высокая твердость и небольшой запас вязкости. Вторую группу составляют пружины и рессоры, от материала которых требуется сочетание высокого предела упругости с удовлетворительной вязкостью. Третья группа включает большинство деталей машин, испытывающих статические и особенно динамические или циклические нагрузки. При длительной эксплуатации изделий от их материала требуется сочетание удовлетворительных прочностных свойств с максимальными показателями вязкости.

Закаленная сталь имеет в основном мартенситную структуру, высокую твердость и хрупкость. При отпуске мартенсит распадается, что приводит к снижению твёрдости и повышению вязкости стали. Превращение мартенсита при нагреве зависит от температуры. При нагреве до температуры ниже 300°С мартенсит превращается в мартенсит отпущенный, при более высоких температурах из мартенсита выделяется цементит (карбид железа Fe3С), а сам мартенсит становится обычным ферритом. Полученную структуру (дисперсную смесь феррита и цементита) называют трооститом отпуска. Эта структура имеет самое высокое значение предела упругости (уупр) при более низкой твёрдости, чем у мартенсита отпущенного. При дальнейшем нагреве выделившиеся частички цементита укрупняются и приобретают сферическую форму. Твёрдость при этом еще снижается, а вязкость возрастает.

Полученную дисперсную смесь феррита и цементита зернистого строения называют сорбитом отпуска.

Применяют три способа отпуска закаленной стали: низкий при температуре 150-250° С; средний – при 350- 450° С и высокий при температуре 450-650° С.

– низкий отпуск при температуре 150. 200 °С Он применяется в том случае, когда нужно сохранить твёрдость, полученную при закалке. Это инструмент из высокоуглеродистых сталей; детали, работающие на трение, сделанные на низкоуглеродистой стали, но предварительно (перед закалкой и отпуском) прошедшие цементацию (насыщение поверхности углеродом); детали из низкоуглеродистых легированных сталей. В этом случае при закалке получается низкоуглеродистый мартенсит невысокой твердости (менее 35 HRC), поэтому после низкого отпуска твёрдость и прочность стали выше, чем у отожжённой или нормализованной, а вязкость достаточная для конструкционных сталей (так как мало в ней углерода);

– средний отпуск при температуре 350…400 °С Его используют в том случае, когда нужно получить максимальное значение предела упругости. В основном это пружинные и рессорные стали (твердость 40. 45 HRC, предел упругости не менее 800 МПа), а также некоторые виды штампового инструмента;

– высокий отпуск при температуре 500…600 °С на структуру сорбит отпуска, обладающую хорошим сочетанием прочности и вязкости. Применяют для среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Влияние отпуска на прочность и пластичность стали

Термическая обработка, заключающаяся в закалке с высоким отпуском на структуру сорбит отпуска, называется улучшением стали. В этом случае твердость и вязкость выше, чем у отожженной или нормализованной стали (таблица 1).

Таблица 1 – Сравнительные свойства для стали 45

Влияние температуры отпуска на структуру стали

Температура нагрева при отпуске зависит от назначения стали. При нагреве до различных температур могут быть получены различные сочетания твёрдости и вязкости. Выполнение одного из видов отпуска закалённой на мартенсит стали является обязательной операцией.

Низкий отпуск (150–200 °С) назначается для инструментальных сталей (0,7–1,3 % углерода) для повышения вязкости (КСU ≈ 0,2 МДж/м 2 ) при сохранении твёрдости (НRС 60). Такому виду отпуска подвергают режущий, мерительный, слесарный и штамповый инструмент.

При нагреве до 200 °С частично снимаются внутренние напряжения, так как внутри твёрдого раствора незначительное количество углерода, взаимодействуя с железом, образует ε-карбид (Fе_XС, где X = 2,0–2,4), а содержание углерода в основном объёме мартенсита снижается. Это приводит к повышению вязкости стали практически без разупрочнения, т. е. без снижения прочности и твёрдости. Полученную структуру называют мартенситом отпуска.

При повышении температуры до 300–400 °С (средний отпуск) мартенсит за­калки распадается на феррит и цементит. Наличие феррита – фазы с весьма низкой твёрдостью разупрочняет сталь, но повышает её вязкость (рис. 5.4). Структура, полученная средним отпуском, называется трооститом отпуска – весьма дисперсная феррито-цементитная смесь зернистой формы. В этой смеси цементит имеет форму, близкую к округлой (зернистой).

Среднему отпуску подвергаются изделия типа рессоры и пружины из конструкционных сталей с содержанием углерода 0,5–0,7% для получения твёрдости НRС 40, повышенных значений предела упругости и ударной вязкости (КСU ≈ 0,4 МДж/м 2 ).

Дальнейшее повышение температуры до 500–600 °С (высокий отпуск) приводит к коагуляции (укрупнению) цементитных частиц за счёт растворения более мелких, что обусловливает дальнейшее разупрочнение стали и повышение вязкости. Структура, полученная при высоком отпуске, называется сорбитом отпуска – дисперсная феррито-цементитная смесь зернистой формы.

Высокий отпуск выполняется для конструкционных сталей с содержанием углерода 0,3–0,5 % для получения твердости НRС 25 и наивысшей ударной вязкости (КСU ≈ 1,2 МДж/м 2 ), исключающей хрупкое разрушение изделий типа валов, шатунов.

Время выдержки при отпуске назначается примерно в 2 раза больше, чем время выдержки при закалке. Это обусловлено, во-первых, тем, что прогрев изделий при температурах отпуска происходит медленнее, чем при температурах нагрева при закалке, и, во-вторых, значительной длительностью диффузионного процесса распада мартенсита на феррито-цементитную смесь при пониженных температурах отпуска.

Скорость охлаждения существенного влияния на структуру и свойства сталей не оказывает, поскольку все превращения должны завершиться в процессе выдержки при температуре отпуска. Обычно охлаждение выполняется на спокойном воздухе.

Порядок выполнения работы

1. Получить образцы конструкционной стали 40Х.

2. Назначить режим термической обработки, указанный в табл. 4.

3. Под руководством лаборанта выполнить термическую обработку; зачистить торцы образцов на абразивном камне; замерить твёрдость на приборе ТК–2 по шкале «С» и их значения вписать в таблицу отчета.

4. Установить закономерности изменения твёрдости стали от температуры нагрева при закалке, скорости охлаждения, температуры отпуска.

5. Объяснить полученные закономерности фазовыми превращениями и свойствами фаз.

Контрольные вопросы

1. Определение отжига, нормализации, закалки, отпуска стали.

2. Цели выполнения этих видов термообработки.

3. Основные принципы выбора температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения для указанных видов термообработки сталей.

4. Физический смысл критической скорости закалки.

5. Основные превращения при выполнении указанных видов термообработки.

6. Как влияет температура отпуска на механические свойства сталей?

7. Объяснить зависимость твёрдости стали от температуры нагрева при закалке; от скорости охлаждения (вода, масло, воздух, охлаждение с печью); от температуры отпуска.

8. Назначить режимы закалки и отпуска для изделий из указанной стали (30, 50, 60, У7, У8, У10, У12).