Краткие теоретические сведения. После закалки на мартенсит углеродистая сталь имеет высокую твердость (58-62 HRC)

После закалки на мартенсит углеродистая сталь имеет высокую твердость (58-62 HRC), но низкую пластичность. Кроме того, в про­цессе закалки, в результате неравномерного охлаждения образца или детали по сечению, возникают довольно значительные закалочные напря­жения. Поэтому закалка углеродистых сталей не является оконча­тельной обработкой.

Закалочные напряжения подразделяются:

1. Фазовые (структурные).

2. Термические (тепловые).

Напряжения, которые возникают в результате структурных превраще­ний (в данном случае мартенситных) в охлаждаемом образце или детали, называ­ют фазовыми. Возникновение фазовых напряжений при закалке обус­ловлено двумя причинами:

1. Удельный объем мартенсита больше, чем удельный объем аустенита.

2. Неодновременное протекание мартенситного превращения в поверхностных и внутренних слоях детали.

Напряжения, возникающие в результате неравномерного теплового сжатия образца по сечению в процессе закалки, называют термическими.

Рассмотрим процесс возникновения закалочных (фазовых и термических) напряжений в образце подробнее.

В начальном промежутке времени при охлаждении поверхност­ных слоев до точки М_н (≈ 240°С) в них начнется мартенситное превращение, в результате чего увеличится объем материала, создавая сжимающие напряжения. Внутренняя часть образца, находясь пока в аустенитном состоянии, будет испытывать растягивающие напряжения. По мере охлаждения центральной части образцов и развития мартенситных превращений, знак напряжений на поверхности и в сердцевине образца поменяется. Теперь уже растягивающие напряжения возникают в поверхностных слоях, а сжимающие – в центральной части (рис. 1а).

С другой стороны, поверхностные слои образца, охлажда­ясь быстрее, чем внутренние, сжимаются по законам физики. Это приводит к неравномерности из­менения объема: внутренние слои препятствуют сжатию внешних слоев. Вслед­ствие этого, в поверхностных слоях возникают растягивающие, а во внутренних – сжимающие напряжения. При дальнейшем охлаждении образца, теперь уже сердцевина будет испытывать тепловое сжатие. Вследствие этого, вышеуказанные напряжения начнут уменьшаться и в некоторый момент произойдет изменение знака напряжений на поверхности и в сердцевине образца: на поверхности получаются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – напряжения растяжения (рис. 1б). Таким образом, тепловые напряжения изменяются в обратном порядке относительно структурных напряжений.

а) б) в)

Рисунок 1 – Схема эпюры остаточных напряжений: а – структурные; б – тепловые; в – суммарные. (–) – растягивающие; (+) – сжимающие напряжения

При закалке одновременно возникают как тепловые, так и структурные напряжения, которые суммируются (рис. 1в). Поэтому после закалки на поверхности образца всегда присутствуют, как правило, растягивающие напряжения, хотя иногда присутствуют и сжимающие.

Следует обратить внимание на то, что: 1) закалочные напряжения получаются наибольшими не после окончательного охлаждения, а в процессе самого охлаждения и мо­гут вызвать коробление детали; 2) в поверхностных слоях могут возникать значительные растягивающие напряжения, которые приводят к появлению трещин (сжи­мающие напряжения трещин не вызывают).

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 феррито-цементитной 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.

Для уменьшения или полного устранения закалочных напряжений, а также для повышения пластичности стали после закалки проводят отпуск - процесс нагрева закаленной стали до температур ниже критической точки Ас1, выдержки при выбранных температурах и последующего охлаждения, как правило, на воздухе. В зависимости от температур нагрева различают 3 вида отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпускзаключается в нагреве закаленной стали до температуры 150-250°С. Время выдержки зависит от формы и размеров детали. Выдержка должна обеспечить получение ста­бильной структуры при данной температуре отпуска. При низком от­пуске мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска (см. ат­лас микроструктур). Это превращение связано с уменьшением степе­ни тетрагональности мартенсита, которое происходит за счет выде­ления углерода из мартенсита в виде карбидных частиц Fе₂С, коге­рентно связанных с твердым раствором. Структура стали после низ­кого отпуска состоит из мартенсита с меньшим содержанием углеро­да, чем исходный мартенсит, и мелких карбидных частиц.

Низкий отпуск предназначается для частичного снятия внутренних закалочных напряжений и повышения вязкости и пластичности стали без заметного снижения ее твердости (рис. 2).

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.

Рисунок 2 - Влияние температуры отпуска на механические свойства стали

Средний отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры 350-450°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 350°С), детали машин, к которым предъявляются требования высоких упругих свойств: рессоры, пружины и др. (температура нагрева 400°С).

При таких температурах диф­фузионное перераспределение углерода в стали активизируется. Углерод покидает кристаллическую решетку мартенсита в результате почти полностью устраняется тетрагональность решетки, проис­ходит образование мелких устойчивых частиц карбида Fе_зС сферической формы. Выделение избыточного углерода из решетки мартенсита приводит к образованию феррита. Остаточный аустенит превращается в мартенсит отпуска.

Получаемая после среднего отпуска структура называется трооститом отпуска. В отличие от троостита, полученного после за­калки в масле, троостит отпуска имеет зернистое строение высокой дисперсности (рис. 2).

В процессе среднего отпуска происходит уменьшение закалочных напряжений. Наблюдается повышение упругих свойств стали, некоторое снижение твердости и прочности.

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. 1) происходят в основном за счет устранения тетрагональности, дефектов кристаллической решетки и остаточных напряжений.

(а)	(б)
Рисунок 2 – Пластинчатая (а) и зернистая (б) феррито-цементитная смесь

Высокий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры 500-700°С. Получаемая после высокого отпуска структура сорбита отпуска представляет собой феррито-цементитную смесь зернистого строения (рис. 2) средней степени дисперсности (см. атлас микроструктур). Высокий отпуск обеспечивает полное снятие зака­лочных напряжений и дает наилучшее сочетание твердости, прочнос­ти, пластичности и ударной вязкости. Двойная термообработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется термическим улучшением стали. Термическому улучшению подвергают ответственные детали ма­шин, изготовленные из углеродистых конструкционных сталей, испыты­вающие в эксплуатации статические, ударные и знакопеременные нагрузки (шестерни, валы, траверсы, плунжеры и т. д). Термическое улучшение позволяет понизить чувствитель­ность к надрезам и перекосам, к конструктивным переходам от одно­го сечения к другому, к изменению размеров детали и т. д.

При высоком отпуске, наряду с процессами распада закалочных структур (мартенсита и остаточного аустенита) в феррито-цементитной 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 (рис. 2) и удар­ной вязкости, 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. Время выдержки опре­деляется из расчета 2...3 мин на 1 мм толщины обрабатываемого из­делия или образца.

Таким образом, для получения заданной твердости у одной и той же стали можно использовать охлаждение аустенита с заданной скоростью или закалку и отпуск. При одинаковой твердости, которая определяется степенью дисперсности феррито-цементитной смеси, об­работка по второму варианту обеспечивает более высокую пластич­ность стали и лучшее сопротивление развитию трещины. Это объясня­ется тем, что при такой термической обработке феррито-цементитная смесь имеет зернистое строение.

Виды и применение отпуска закаленных сталей приведены в табл. 1.

Таблица 1 – Виды и применение отпуска закаленных сталей

Отпускная хрупкость стали. Охрупчивание стали при некоторых условиях отпуска называется отпускной хрупкостью. Понижение ударной вязкости при этом вызвано повышением температуры перехода в хрупкое состояние. Наблюдаются два вида отпускной хрупкости. Отпускная хрупкость первого рода (необратимая) и отпускная хрупкость второго рода (обратимая), определяемые путем испытаний на ударный изгиб при комнатной температуре. Ударная вязкость в зависимости от температуры отпуска меняется немонотонно (рис. 3).

Рисунок 3 – Изменение ударной вязкости легированной стали в зависимости от температуры отпуска и последующей скорости охлаждения

Сталь, отпущенная в интервале температур 300…350°С, имеет минимальную ударную вязкость (рис. 3). Это обусловлено отпускной хрупкостью первого рода (необратимой хрупкостью).

Отпускная хрупкость первого рода проявляется у большинства сталей независимо от их состава и скорости охлаждения. Считают, что это явление обусловлено возникновением объемно-напряженного состояния, получающегося при неоднородном распаде мартенсита. Распад происходит наиболее полно по границам зерен, в результате чего появляется резкое различие между прочностью пограничных слоев и телом самого зерна. Кроме того, образовавшиеся частицы карбидов не успевают приобрести зернистое строение, и большинство карбидов еще имеют пластинчатую форму. В данном интервале температур происходит еще и превращение остаточного аустенита в мартенсит отпуска. Происходит потеря вязкой составляющей структуры – аустенита и увеличение хрупкой составляющей – мартенсита. Сталь в состоянии необратимой отпускной хрупкости имеет блестящий межкристаллитный излом.

Хрупкость первого рода устраняется нагревом стали выше 400°С, снижающим твердость.

Хрупкость второго рода наблюдается в сталях, легированных карбидообразующими элементами, в интервале температур 500…550°С при охлаждении в печи или на воздухе после отпуска или при слишком длительной выдержке в этом температурном интервале. В стали в состоянии отпускной хрупкости второго рода уменьшается работа зарождения и особенно распространения трещины, поэтому наблюдается снижение ударной вязкости (рис. 3).

При быстром охлаждении в воде этот вид хрупкости не возникает; излом стали – волокнистый, характерный для вязкого состояния. После медленного охлаждения от температур 500…650 °С сталь имеет хрупкий кристаллический излом. Хрупкость второго рода можно устранить повторным отпуском при температурах 600…650°С с последующим быстрым охлаждением.

Хрупкость второго рода часто встречается в сталях, легированных Mn, Si, Сr и содержащих повышенное количество Р и Аs или при одновременном введении в сталь Cr и Ni (или Mn).

Появление отпускной хрупкости второго рода наиболее вероятно связано с диффузией растворенных атомов некоторых элементов и насыщением поверхностных слоев зерна этими элементами. По границам зерна происходит ускоренное образование карбидов, обогащенных легирующими элементами. Мелкодисперсные вторичные фазы легирующих элементов, располагаясь по границам зерен, охрупчивают их. Как следствие, приграничные слои обедняются карбидообразующими элементами, куда начинает диффундировать фосфор, который значительно снижает работу образования межзеренных трещин, вызывающих развитие отпускной хрупкости. Ускоренное охлаждение после нагрева предотвращает перераспределение легирующих элементов и фосфора между объемом зерен и приграничными слоями, сохраняя их равномерную концентрацию и тем самым устраняя отпускную хрупкость второго рода.

Задания 1 и 2 выполняются по выбору преподавателя.