Отпуск углеродистой стали

Категория:
Металлы


Отпуск углеродистой стали

Мартенсит является неравновесной структурой. Он стремится перейти в более устойчивое состояние за счет уменьшения концентрации углерода и выделения цементита. Такое превращение мартенсита приводит к образованию смеси кристалликов цементита и твердого раствора а (феррита).

Превращение мартенсита при отпуске является процессом диффузионным. Оно связано с подвижностью атомов углерода и железа в пространственной решетке твердого раствора, и поэтому весьма сильно зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше подвижность атомов, тем быстрее и полнее осуществляется распад мартенсита, тем более дифференцированной получается механическая смесь кристалликов цементита и твердого раствора а.

Тетрагональный мартенсит вследствие чрезмерно низкой пластичности и вязкости не может рассматриваться в качестве рабочей структуры. Детали и инструменты со структурой свежезакаленного мартенсита разрушаются при эксплуатации вследствие хрупкости. Поэтому изделия с такой структурой необходимо непосредственно после закалки подвергать отпуску.

Отпуском называют нагрев закаленной стали до температур не выше точки А, с целью получения степени распада мартенсита, обеспечивающей правильное сочетание желательной твердости и прочности с достаточной пластичностью и вязкостью. Температура отпуска выбирается в зависимости от требуемого комплекса механических свойств.

Практические температуры отпуска выбираются в пределах от 150 до 650°.

Наиболее часто применяют следующие виды отпуска:
а) низкий отпуск при температурах 150—300° на кубический мартенсит;
б) средний отпуск при температурах 350—450° на тростит;
в) высокий отпуск при температурах 550—650° на сорбит.

Низкий отпуск при температуре 150° сравнительно мало влияет на структуру свежезакаленного мартенсита, так как выделение углерода протекает в этих условиях относительно медленно. Назначение такого отпуска состоит в уменьшении остаточных напряжений, возникающих в стали при закалке.

Кубический мартенсит сохраняет высокую твердость, но приобретает большую вязкость и пластичность по сравнению с тетрагональным мартенситом.

Дальнейшее повышение температуры отпуска ведет к еще большему понижению концентрации углерода в твердом растворе а. Отпуск при температуре 200—300° оставляет в твердом растворе а 0,2% углерода. Одновременно в этом интервале температур протекает распад остаточного аустенита, превращающегося сразу в кубический мартенсит. Степень тетрагональности кубического мартенсита, содержащего 0,2% углерода, составляет 1,01.

При среднем отпуске на температуру примерно 400° твердый раствор а обедняется до содержания углерода ~0,025%,т.е. превращается в феррит. Этот момент интересен еще тем, что с образованием феррита нарушается так называемая когерентная связь решеток твердого раствора а и цементита, имеющая место при всех температурах низкого отпуска. Дело в том, что при низких температурах отпуска кристаллическая решетка выделяющегося цементита (новая фаза) связана определенным образом с решеткой твердого раствора (старая фаза). Представление о когерентной связи дает рис. 1,а. При температурах отпуска 300—400° когерентная связь нарушается и решетки цементита и феррита полностью обособляются друг от друга, как показано на рис. 1,6.

При среднем отпуске сталь приобретает структуру, представляющую собой тонкодисперсную механическую смесь феррита и цементита, не различимую в оптический микроскоп при обычных увеличениях и называемую троститом отпуска. Тростит эвтектоидной стали имеет твердость около 400 единиц по Бринеллю, обладает высоким пределом упругости и хорошим сопротивлением усталости. На троститную структуру обрабатываются почти все пружинные стали.

Высокий отпуск на 500—600° приводит к образованию менее Дисперсной по сравнению с троститом феррито-цементитной смеси, хорошо различимой в оптический микроскоп даже при средних увеличениях. Эта структура называется сорбитом. Применительно к конструкционным сталям, содержащим 0,4—0,5% углерода, она обладает высокой прочностью и твердостью, достигающей 270—300 единиц по Бринеллю, при большой пластичности и вязкости.

Между структурами тростит и сорбит, получаемыми при закалке и в процессе отпуска мартенсита, имеется существенная разница. Тростит и сорбит закалки имеют пластинчатое строение цементита, в то время как тростит и сорбит отпуска обнаруживают зернистое строение цементита и обладают лучшим комплексом механических свойств. Поэтому обычным методом термической обработки является не закалка непосредственно на рабочую структуру тростит или сорбит, а закалка на мартенсит с последующим отпуском на тростит или сорбит.

Рис. 1. Схемы расположения старой и новой фазы при наличии (а) и нарушении (б) когерентной связи

Все превращения стали при отпуске сопровождаются изменением параметра пространственной решетки и вызывают уменьшение или увеличение удельного объема стали. Поэтому при исследовании с помощью дилатометра объемных изменений при отпуске закаленной стали все стадии распада пересыщенного твердого раствора а находят ясное отражение на дилатометрических кривых.

На рис. 2 представлена дилатометрическая кривая отпуска закаленной на тетрагональный мартенсит стали, содержащей 1,2% углерода.

Можно отметить четыре стадии распада насильственного твердого раствора а по мере повышения температуры отпуска от комнатной до 650°.

На первой стадии при нагреве до 100—200° происходит уменьшение объема стали, отмечаемое на графике (рис. 2) понижением дилатометрической кривой. Содержание углерода в твердом растворе уменьшается до 0,4% и мартенсит тетрагональный переходит в кубический.

На второй стадии при нагреве до 200—300° объем стали увеличивается, что объясняется превращением остаточного аустенита в кубический мартенсит. На этой же стадии содержание углерода в твердом растворе а уменьшается до 0,2%; решетка выделяющихся зерен цементита когерентно связана с решеткой твердого раствора а.

Рис. 2. Дилатометрическая кривая отпуска

На третьей стадии при нагреве до 300—400° насильственный твердый раствор а превращается в феррит с 0,025% углерода, причем происходит полное обособление решетки цементита от решетки феррита. В результате образуется тростит.

На четвертой стадии при нагреве свыше 400° продолжается дифференциация феррито-цементитной смеси за счет укрупнения зерен цементита; образуется структура сорбит.

Рис. 3. Иглы мартенсита на фоне аустенита: а — сразу после закалки; б — после низкого отпуска.

Таким образом, сталь, закаленная на тетрагональный мартенсит, при низком отпуске 150—300° приобретает структуру кубического мартенсита, при среднем 350—450° — структуру тро-стита, а при высоком 550—650° — сорбита.

Рис. 4. Сорбит отпуска

На рис. 3 и 4 представлены некоторые структуры отпуска. Показательно, что иглы отпущенного мартенсита являются темными; это объясняется повышенной травимостью кубического мартенсита вследствие начавшегося выделения цементита.

Низкий отпуск применяется при обработке мерительных и режущих инструментов, предназначенных для работы без толчков и ударов, а также для цементованных деталей. Средний отпуск необходим для изделий с высоким пределом упругости и достаточной прочностью при действии вибрационных нагрузок (пружины всех видов). Высокий отпуск применяется для деталей конструкций, в которых должно быть обеспечено сочетание достаточной прочности с высокой пластичностью и вязкостью (валы, шатуны, болты и т. п.).


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум