Влияние температуры отпуска на свойства сталей
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).
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/а > 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.
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).
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%).
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.
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 |
Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при нагреве до 250° С. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переходит в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,6 – 1,3 % С) после низкого отпуска сохраняет твердость 58 – 63 HRC, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.
Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование. Реже низкий отпуск применяют для среднеуглеродистых сталей (0,3 – 0,45 % С). Продолжительность отпуска составляет обычно 1 – 2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.
Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350 – 500° С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали после среднего отпуска – тростит отпуска; твердость стали 40 – 50 HRC. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.
Охлаждение после отпуска при 400 – 450° С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.
Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500 – 680° С. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.
Рис.101. Влияние температуры отпуска на механические свойства конструкционных улучшаемых сталей
Влияние термической обработки на механические свойства стали с 0,45 % С
(табл. 6). Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.
Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3 – 0,5 % С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу развития трещин и снижая температуру порога хладноломкости. Трещиностойкость К1с после, улучшения – 250 – 350 МПа·м1/2.
Отпуск при 550 – 600° С в течение 1 – 2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. Длительность высокого отпуска составляет 1 – 6 ч в зависимости от габарита изделий. Изменение механических свойств по мере повышения температуры отпуска приведено на рис. 101.
ДЕФЕКТЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ
К наиболее распространенным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали, относят трещины в изделии – внутренние или наружные.
Трещины. Трещины образуются при закалке в тех случаях, когда внутренние растягивающие напряжения, возникающие в результате мартенситного превращения, превышают сопротивление стали разрушению. Трещины образуются при температурах ниже точки Мн, чаще после охлаждения. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением в стали содержания углерода, повышением температуры нагрева под закалку и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения.
Другой причиной образования трещин является наличие в изделии концентраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местные вырезки, углубления, выступы и т. д.).
Трещины – неисправимый дефект. Для предупреждения их образования рекомендуется: при конструировании изделий избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от толстых сечений к тонким и т. д.; закалка от возможно более низких температур для деталей, прокаливающихся полностью; медленное охлаждение в мартенситном интервале температур, достигаемое ступенчатой закалкой; изотермическая закалка и выполнение отпуска немедленно после закалки.
Деформация и коробление. Деформация, т. е. изменение размеров и формы изделий, происходит при термической обработке в результате термических и структурных напряжений под действием неоднородных объемных изменений, вызванных неравномерным охлаждением и фазовыми превращениями.
Несимметричную деформацию изделий в практике часто называют короблением (поводкой). Оно наблюдается при неравномерном и чрезмерно высоком нагреве под закалку, неправильном положении детали при погружении в закалочную среду и высокой скорости охлаждения в мартенситном интервале температур. Исключение этих причин значительно уменьшает коробление.
Коробление труднее устранить в длинных и тонких изделиях. Для уменьшения его такие детали охлаждают при закалке в зажатом состоянии (в штампах, прессах и приспособлениях). В момент протекания мартенситного превращения сталь разупрочняется.
Размеры изделия после закалки даже при отсутствии коробления не совпадают с исходными значениями. Вызываемую этими изменениями деформацию можно уменьшить подбором соответствующего состава стали и условий термической обработки.
ЗАКАЛКА С ИНДУКЦИОННЫМ НАГРЕВОМ
При поверхностной закалке на некоторую (заданную) глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.
Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. В практике более часто применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).
Индукционный нагрев происходит вследствие теплового действия тока, индуктируемого в изделии, помещенном в переменное магнитное поле.
Глубина закалки примерно равна глубине нагрева до температуры выше критической точки Ac3, глубинные слои детали нагреваются ниже температур критических точек и при охлаждении не упрочняются. При необходимости повышения прочности сердцевины перед поверхностной закалкой деталь подвергают нормализации.
Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали. Когда изделие работает только на износ или в условиях усталости, толщину закаленного слоя чаще принимают 1,5 – 3 мм, в условиях высоких контактных нагрузок и возможной перешлифовки – 4 – 5 мм. В случае особо больших контактных нагрузок, например для валков холодной прокатки, толщина закаленного слоя достигает 10 – 15 мм и выше.
Обычно считают, что площадь сечения закаленного слоя должна быть не более 20 % всего сечения. Для зубчатых колес толщина слоя составляет 0,2 – 0,28 от их модуля.
После закалки с индукционным нагревом изделия повергают низкому отпуску при 160 – 200° С, нередко и самоотпуску.
Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие 0,4 – 0,5 % С (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после закалки имеют высокие твердость (HRC 50 – 60), сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.
Особенно эффективен этот метод для серийного и массового производства. В то же время он экономически нерентабелен для закалки единичных деталей, для каждой из которых требуется изготовить собственный индуктор и подобрать режим обработки. Закалка с индукционного нагрева находит широкое применение в промышленности. Например, многие детали автомобилей и тракторов подвергают индукционной закалке.
ЗАКАЛКА С ГАЗОПЛАЗМЕННЫМ НАГРЕВОМ
Этот способ закалки применяют для крупных изделий (прокатных валков, валов и т.д.). Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имеющим высокую температуру (2400 – 3150° С). Вследствие подвода значительного количества теплоты поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.
Толщина закаленного слоя обычно 2 – 4 мм, а его твердость для стали с 0,45 – 0,5 % С составляет 50 – 56 HRC. В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях тростит + мартенсит. Газопламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка. Процесс газопламенной закалки можно автоматизировать и включить в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом.
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА ПРИ НАГРЕВЕ ЛАЗЕРОМ
Лазеры – это генераторы света (квантовые генераторы оптического диапазона). В основу их работы положено усиление электромагнитных колебаний с помощью индукционного излучения атомов (молекул). Лазерное излучение монохроматично, распространяется очень узким пучком и характеризуется чрезвычайно высокой концентрацией энергии. Для промышленных целей применяют наиболее часто СО2-лазеры непрерывно-волнового типа мощностью 0,5 – 5кВт.
Применение лазеров для термической обработки основано на трансформации световой энергии в тепловую.
Под воздействием лазерного излучения за короткий промежуток времени (10-3 – 10-7 с) поверхность детали из стали или чугуна нагревается до очень высоких температур. Распространение теплоты в глубь металла осуществляется путем теплопроводности. После прекращения действия лазерного излучения происходит закалка нагретых участков благодаря интенсивному отводу теплоты вглубь металла (самозакалка). Скорость охлаждения составляет 103 – 105 ° С/с.
Нагрев лазером для термической обработки осуществляется удельной мощности 103 – 104 Вт/см2
. Для снижения отражательной способности поверхности металла и, следовательно, повышения эффективности лазерного нагрева на поверхность наносят пленки сульфитов (Fe2S3), фосфатов Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, а также сажи, коллоидный раствор углерода в ацетоне и другие неметаллы и краски. Нагрев может осуществляться лазерами импульсного и непрерывного излечения. Лазеры непрерывного излучения более производительны и обеспечивают равномерность упрочнения.
Лазерную обработку успешно применяют для поверхностного упрочнения отливок из перлитного серого, ковкого и высокопрочного чугунов. Благодаря оплавлению поверхности и образованию ледебуритной эвтектики (отбел чугуна) и мартенситного подслоя твердость на поверхности достигает 750 – 900 НВ. Частичное оплавление ухудшает чистоту поверхности. При отсутствии оплавления твердость после нагрева лазером повышается в результате закалки тонкого поверхностного слоя.
Лазерная закалка – перспективный метод упрочнения сложных изделий, долговечность которых лимитируется износостойкостью и сопротивлением усталости, когда их закалка другими методами затруднена.
Отпуск стали
Закаленная сталь очень твердая, но она хрупкая, у нее низкая пластичность и большие внутренние напряжения. В таком состоянии изделие не работоспособно, не надежно в эксплуатации. Поэтому для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности после закалки всегда следует еще одна операция термической обработки, которая называется отпуск.
Отпуск – заключительная термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры фазового превращения (для углеродистой стали это ниже температуры Ас1), выдержке и охлаждении на воздухе. Целью отпуска является получение более равновесной структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности, создание требуемого комплекса эксплуатационных свойств стали.
Различают три вида отпуска.
1. Низкий отпуск углеродистой стали проводят при температуре 150-200 0 С. При этом из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода в мартенсите остается.
Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости изделий. Структура стали в результате низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска или мартенсит отпуска и вторичный цементит. Закалке и низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а так же изделия, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью (например, штампы для холодной штамповки или валки прокатных станов). Закалке и низкому отпуску подвергают стали с 0,7 – 1,3 %С.
2. Средний отпуск проводят при температуре 350 – 450 0 С. При этом из мартенсита уже выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с очень мелкими, в виде иголочек, частицами цементита, которая называется трооститом отпуска.
При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшения сопротивляемости действию ударных нагрузок. Закалку и средний отпуск проводят для пружин, рессор, ударного инструмента. Средний отпуск применяют для стали с содержанием углерода 0,5–0,65%.
3. Высокий отпуск проводят для среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,3 – 0,45%. Он заключается в нагреве закаленной стали до температуры 550 - 650 0 С. Цель высокого отпуск – достижение оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости. Структура стали после закалки и высокого отпуска – сорбит отпуска (мелкая смесь феррита и зернистого цементита, более крупного по сравнению с цементитом троостита отпуска). Термическая обработка, состоящая из закалки и последующего высокого отпуска, является основным видом термической обработки изделий из конструкционных сталей, подвергающихся в процессе эксплуатации действию высоких напряжений и ударных, часто знакопеременных нагрузок. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением.
Время выдержки при низком отпуске составляет от 1 до 10-15 часов, так как при таких низких температурах диффузия углерода идет медленно. Для среднего и высокого отпуска обычно достаточно 1-2 часа. Для дисков газовых и паровых турбин, валов, цельнокованых роторов в теплоэнергетике требуется до 8 часов, потому что их структура должна быть максимально стабильной.
Изменение механических характеристик углеродистой стали при отпуске показано на рис. 43.
Рис.43. Изменение механических свойств стали при отпуске
Таким образом, с повышением температуры и продолжительности отпуска увеличиваются пластические свойства стали, но снижаются ее твердость и прочность. В практике термической обработки стали режим отпуска назначают в соответствии с требуемыми свойствами, которые определяются условиями работы детали.
Отпускная хрупкость.
Отпускной хрупкостью называют резкое падение ударной вязкости при отпуске при определенных температурах.
Различают два вида отпускной хрупкости – низко температурную и высоко температурную. Первая развивается в температурном интервале 250-4000С. Ее называют необратимой или отпускной хрупкостью первого рода. Ударная вязкость закаленной стали после отпуска в этом интервале меньше, чем после отпуска ниже 2500С (рис. 44).
Рис. 44. Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска
Если охрупченную сталь, отпущенную при 250-400 0 С, отпустить при более высоких температурах для перевода в вязкое состояние, то повторный отпуск в интервале 250-400 0 С не возвращает сталь в хрупкое состояние. Поэтому такую отпускную хрупкость называют необратимой.
Необратимая отпускная хрупкость в большей или меньшей степени свойственна всем сталям и не зависит от скорости охлаждения с температур отпуска. Ее причину связывают с неоднородным выделением карбидов по границам зерен при распаде мартенсита.
Второй провал на кривой ударной вязкости приходится на интервал температур отпуска примерно 450-600 0 С при медленном охлаждении (рис.44). При этом быстрое охлаждение с температур высокого отпуска, например в воде, предотвращает развитие отпускной хрупкости. Если же сталь вновь нагреть в этот интервал и медленно охладить, то отпускная хрупкость возвращается. Новый нагрев выше 600 0 С с быстрым охлаждением устраняет хрупкость и т.д. Поэтому это явление называют обратимой или отпускной хрупкостью второго рода.
Развитие отпускной хрупкости второго рода связывают с повышенной концентрацией фосфора на границах зерен. Наиболее широко используемые легирующие элементы – хром, никель, марганец усиливают эффект обратимой хрупкости, а введение молибдена и вольфрама уменьшают его. Особенно сильно на снижение склонности к отпускной хрупкости влияет молибден при введении его в сталь более 0,2%.
Отпуск закаленной стали
Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической Ас1. Структура закаленной стали метастабильна. При нагреве после закалки вследствие увеличивающейся подвижности атомов создаются условия для процессов, изменяющих структуру стали в направлении к более равновесному состоянию. Характер этих процессов определяется тремя важнейшими особенностями строения закаленной стали: сильной пересыщенностью твердого раствора – мартенсита, повышенной плотностью в нем дефектов кристаллической решетки – дислокаций, малоугловых и высокоугловых границ, двойниковых прослоек и присутствием во многих сталях значительных количеств остаточного аустенита.
Назначение отпуска. Отпуск служит для повышения вязкости закаленной стали при сохранении достаточно высокого предела прочности, уменьшения внутренних напряжений и получения более устойчивых структур.
Выбор температур отпуска. Главный процесс при отпуске – распад мартенсита с выделением карбидов. Распад мартенсита в зависимости от температуры и продолжительности отпуска проходит через стадии предвыделения, выделения промежуточных метастабильных карбидов, образования цементита и его коагуляции. Структурные изменения при отпуске осложняются распадом остаточного аустенита.
Мартенсит по своей природе неустойчив и при нагреве выше 70 0 С стремится перейти в другие структуры.
По температуре нагрева отпуск подразделяют на низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск проводится при температурах 120 – 250 0 С. Широко применяется после закалки инструмента. Структура стали поле низкого отпуска – отпущенный мартенсит. Цель низкого отпуска состоит в повышении вязких свойств закаленной стали, снижении ее хрупкости за счет снижения уровня внутренних 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 часа.
Средний отпуск проводится при температурах 300 – 450 0 С. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры. Структура стали после среднего отпуска – троостит отпуска (высокодисперсная зернистая смесь цементита и феррита). Цель среднего отпуска – это сочетание высокой прочности, упругости и вязкости.
Высокий отпуск проводится при температурах 500 – 650 0 С. Широко применяется в машиностроении к изделиям из конструкционной стали. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска (мелкая зернистая феррито-цементитная смесь, но более грубая чем троостит отпуска). Цель высокого отпуска – получение для конструкционных сталей достаточной прочности при сохранении хорошей сопротивляемости ударным нагрузкам. Выдержку при высоком отпуске (обычно несколько часов) подбирают опытным путем для получения заданного комплекса свойств.
Двойная термическая операция получения сорбита отпуска – закалка с высоким отпуском – называется улучшением. Эту операцию применяют к среднеуглеродистым сталям, содержащим от 0,35 до 0,6 % С. Такие стали называют улучшаемыми.
Скорость охлаждения с температуры отпуска не влияет на механические свойства углеродистых сталей, и если не опасны термические напряжения, то можно проводить ускоренное охлаждение.
На рисунке 7 показано изменение твердости в зависимости от температуры отпуска для сталей с разным содержанием углерода.
Рисунок. 7. Зависимость твердости углеродистых сталей с различным содержанием углерода от температуры отпуска
Сравнение свойств продуктов непосредственного
распада аустенита и продуктов закалки и отпуска
Твердость, предел прочности пластинчатых продуктов, полученных при изотермическом распаде аустенита (сорбита и троостита), оказывается несколько выше, чем зернистых, полученных после отпуска (троостит отпуска, сорбит отпуска). Вязкость зернистых структур, относительное удлинение, относительное сужение, предел циклической прочности всегда выше пластинчатых (при одинаковой твердости). Таким образом, с точки зрения получения наилучшего комплекса механических свойств, закалка + отпуск (высокий или средний) дают лучшие механические свойства, чем изотермическая обработка.
Порядок проведения работы и составления отчета
1. Описать основные положения теории и практики термической обработки.
2. Студенты должны провести отжиг, нормализацию, закалку в воде и масле, отпуск (низкий, средний, высокий) эвтектоидной стали У8 (0,8 % С) и определить влияние этих видов термической обработки на твердость стали.
3. Зарисовать диаграмму Fe – C, указать критические температуры.
4. Зарисовать диаграмму изотермического распада аустенита эвтектоидной стали У8, указать на ней скорости охлаждения соответствующие отжигу, нормализации, закалке.
5. Для проведения указанных термических операций использовать четыре муфельные печи с температурами 800, 600, 450, 300 0 С и сушильный шкаф с температурой 150 0 С.
6. После проведения операций термической обработки произвести замер твердости каждого образца на приборе Роквелла. Результаты замеров занести в таблицы № 1 и № 2.
7. Построить кривые зависимости твердости стали от скорости охлаждения (вида термической обработки: отжига, нормализации, закалки в масле, закалки в воде) и твердости от температуры отпуска закаленной на мартенсит стали (рис. 8).
8. Инструмент и оборудование для проведения термической обработки студенты получают и осваивают в присутствии преподавателя и лаборанта.
Термическая обработка стали У8 (0,8 % С)
| Вид термической обработки | Температура нагрева, 0 С | Охлаждающая среда | Скорость охлаждения образца | Твердость, HRC | Микроструктура стали |
| 1. Отжиг | 800 | с печью | 1-3 0 С/мин | ||
| 2. Нормализация | 800 | спокойный воздух | 30 0 С/мин | ||
| 3. Закалка | 800 | масло | 30 0 С/сек | ||
| 4. Закалка | 800 | вода | 200 0 С/сек |
Отпуск закаленной на мартенсит стали У8 (0,8 % С)
| Вид термической обработки | Температура нагрева, 0 С | Продолжительность отпуска, мин | Твердость, HRC | Микроструктура стали |
| 1. Низкий отпуск | 150 | |||
| 2. Средний отпуск | 300 | |||
| 3. Средний отпуск | 450 | |||
| 4. Высокий отпуск | 600 |
Рисунок 8. Зависимость твердости стали У8 от параметров режима
Вопросы для самоподготовки
1. Что называется перлитом, сорбитом, трооститом, мартенситом?
2. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше критических точек АС1 и АС3 и быстром охлаждении (в воде)?
3. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше критических точек АС3 и АСm и охлаждении на спокойном воздухе?
4. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше критических точек АС1 и АС3 и обязательно медленным охлаждением (с печью)?
5. Какая структура получается в стали после нормализации?
6. Какая структура образуется после охлаждения со скоростью выше критической?
7. Какая структура получается в стали У8 после отжига?
8. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали ниже критической точки АС1?
9. При какой температуре производят низкий, средний, высокий отпуск?
10. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температуры 150 0 С?
11. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температуры 350 0 С?
12. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температуры 600 0 С?
13. Какими свойствами будет обладать сталь У8 подвергнутая закалке и последующему низкому отпуску?
14. Какое имеют строение сорбит и троостит, получаемые при отпуске закаленной стали?
1. Гуляев А.П. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
2. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. – М.: МАШГИЗ, 1953. – 384.
3. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – М.: Металлургия, 1978. – 392 с.
4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. – Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.
5. Геллер Ю.А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989. – 455 с.
6. Лившиц Б.Г. Металлография. – М.: Металлургия, 1990. – 236 с.
7. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1983. – 360 с.
Отпуск стали – это процесс нагрева стали до определенной температуры и последующее охлаждение изделия. Процесс осуществляется для ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий.
Отпуск стали –это чаще всего финальная термическая обработка после закалки, представляющая собой процесс нагрева полуфабрикатов и изделий до определенной температуры с последующим охлаждением. Ее основное назначение – ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий.
Общее описание процесса
Основные этапы проведения отпуска стали:
- нагрев сплава до температур начала фазовых превращений;
- выдержка при требуемой температуре;
- охлаждение с установленной скоростью.
В результате этого вида т/о получают требуемые технические характеристики изделий, сводят к минимуму внутренние напряжения. Чем выше температура термообработки и чем ниже скорость остывания, тем эффективнее устраняются остаточные напряжения.
Скорость охлаждения зависит от химического состава сплава и запланированного результата:
- интенсивное охлаждение после отпуска при +550…+650°Cповышает предел выносливости стали за счет сохранения в приповерхностном слое остаточных напряжений сжатия;
- металлоизделия сложной конфигурации после высокотемпературного отпуска охлаждают медленно, что позволяет избежать коробления;
- полуфабрикаты из легированных сталей, для которых характерна отпускная хрупкость, после отпуска при +550…+650°C охлаждают только в ускоренном темпе.
В зависимости от температуры нагрева выделяют три вида отпуска стали – высокий, средний и низкий.
Особенности низкого отпуска стали
Этот вид термообработки подразумевает нагрев заготовок и полуфабрикатов до +250°C. Результаты процесса: уменьшение закалочных напряжений, улучшение вязкости без падения твердости.
Чаще всего низкий отпуск применяется для режущего и мерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и низколегированных марок, металлопродукции после цементации, нитроцементации, цианирования.
Режимы среднего (среднетемпературного) отпуска стали
Температуры среднетемпературного отпускного процесса – +350…+500°C. Этот вид т/о, применяемый в основном для пружин, рессор, штампов, обеспечивает значительные пределы выносливости и упругости, хорошую релаксационную стойкость. Получаемые структуры: троостит или тростомартенсит, твердость – 45-50 HRC.
Охлаждение в воде после нагрева до температур +400…+450°C применяется для пружин с целью появления на поверхности остаточных напряжений сжатия, повышающих прочностные характеристики металла.
Высокотемпературный отпуск стали – режимы, цели
Температуры высокого отпуска – +500…+650°C, получаемая структура стали – сорбит отпуска. Задача, решаемая этим видом т/о, – получение оптимального соотношения между прочностью и вязкостью. Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск, называется улучшением. Ее преимущество по сравнению с различными видами отжига и нормализацией – повышение временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости, относительного сужения.
Закалка и отпуск закаленной стали применяются для среднеуглеродистых сталей с содержанием C 0,3-0,5%, к которым предъявляются повышенные требования к ударной вязкости и пределу выносливости. С их помощью повышают прочность материала, снижают чувствительность к концентраторам напряжений, температуру порога хладоломкости, склонность к трещинообразованию.
Длительность высокого отпуска – 1-6 часов. Конкретное время зависит от габаритов металлоизделия.
Виды отпускной хрупкости
Повышение температуры отпуска в большинстве случаев улучшает характеристики металлоизделия, способствует эффективному снятию остаточных напряжений. Но есть ситуации, приводящие к ухудшению характеристик сплава. Ученые-металлурги разработали несколько действенных технологий устранения проблемы отпускной хрупкости, которая может быть низко- или высокотемпературной.
Хрупкость I рода – низкотемпературная
Эта разновидность хрупкости возникает при длительной выдержке материала при температурах +250…+350°C. Скорость охлаждения на вероятность ее появления не влияет. Распространяется эта проблема на все марки сталей. Причина возникновения хрупкости I рода – активное, но неравномерное распространение углерода по поверхности кристаллической решетки. Следствие этого процесса – искажение кристаллической структуры сплава, а, следовательно, существенное увеличению хрупкости.
Отпускная хрупкость I рода является необратимым процессом, и она резко снижает эксплуатационные характеристики сплава, который становится пригодным только для переплавки. Технология борьбы с этой проблемой – выполнение низко- либо среднетемпературного отпуска. Нагрев до промежуточных температур – не допускается. Склонность к низкотемпературной отпускной хрупкости снижает высокотемпературная ТМО.
Отпускная хрупкость II рода – высокотемпературная
Проблема высокотемпературной отпускной хрупкости возникает при совпадении трех факторов. Это:
- нагрев сплава до температур, превышающих +500°C;
- наличие в стали высокого процентного содержания Cr, Mn, Ni;
- медленное охлаждение.
Существует два наиболее эффективных варианта решения этой проблемы. Первый способ: после появления признаков отпускной хрупкости нагреть металлоизделие еще раз до заданной температуры в масляной среде и быстро охладить. Второй метод –легирование сплава вольфрамом (примерно в количестве 1%) или молибденом – 0,3-0,4%.
Читайте также: