Отпуск (превращения в закаленной стали при нагреве)

Мартенсит, получаемый в результате закалки неравновесная, неустойчивая структура, поэтому он может длительно сохраняться лишь при достаточно низких температурах (≤ 100…150 ^оС), где диффузия атомов несущественна.

При нагреве закаленной стали в докритическом интервале температур (t <А₁=727 ^оС) в ней развиваются диффузионные процессы, постепенно приближающие структуру и свойства стали к равновесному состоянию– это процессы отпуска.

Структура и свойства стали при отпуске зависят от температуры нагрева. Соответственно различают три вида отпуска: низкий (≈200 ^оС), средний (≈400 ^оС), высокий (≈600 ^оС).

При низком отпуске существенных изменений в структуре еще не происходит (структура - мартенсит отпуска), лишь уменьшается степень тетрагональности, частично снимаются внутренние напряжения, незначительно понижается твердость и повышается пластичность. Низкий отпуск применяют в тех случаях, когда от изделий в первую очередь требуется высокая твердость (режущий, измерительный и холодноштамповый инструмент, детали шариковых подшипников, шестерни после цементации и т.п.).

При среднем отпуске избыточный углерод в виде мельчайших частиц цементита практически полностью покидает решетку мартенсита. Решетка мартенсита обезуглероживается и превращается в ОЦК решетку феррита (степень тетрагональности = 1).

В результате образуется феррито – цементитная смесь, называемая трооститом отпуска. Твердость и прочность заметно понижаются, повышается ударная вязкость. Такая структура при твердости HRC_э 35…45 обеспечивает наибольшую упругость стали, поэтому средний отпуск обычно применяют для пружин, рессор, мембран, ударного инструмента.

При высоком отпуске изменений в фазовом составе (Ф+Ц) уже не происходит (см. диаграмму Fe–Ц), но развиваются диффузионные процессы укрупнения и округления частиц цементита, что сопровождается дальнейшим снижением прочности и твердости, повышением пластичности и ударной вязкости. Соответствующая структура называется сорбитом отпуска.

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она применяется для ответственных изделий (валов, рычагов, зубчатых колес и т.п.), изготавливаемых из среднеуглеродистых (0,3…0,5 %С) улучшаемых сталей, так как обеспечивает в этом случае наилучший комплекс механических свойств – максимальную ударную вязкость при достаточно высокой прочности. Высокие механические свойства сорбита отпуска обусловлены малыми размерами и округлой формой частиц цементита (в отличие от сорбита закалки, в котором острые концы пластинок цементита играют роль концентраторов напряжений, способствующих зарождению микротрещин).

На рис. 2.2.6 в качестве примера показано изменение механических свойств стали 45 в зависимости от температуры отпуска.

Рис. 2.2.6. Зависимости механических свойств закаленной стали от температуры отпуска (сталь 45)

Заметим, что с повышением температуры отпуска свойства приближаются к значениям, соответствующим отожженному (равновесному) состоянию, но не достигают их даже при высоком отпуске (в частности, сохраняется более высокая твердость и прочность).

Очевидно, что правильный выбор температуры отпуска позволяет сформировать окончательную структуру и комплекс механических свойств, обеспечивающих успешную работу изделия данного назначения.

Внимание!

В начале этой темы (2.2) отмечалось, что все ответственные стальные изделия должны проходить упрочняющую термическую обработку, состоящую из закалки и отпуска. Поэтому данная тема с точки зрения и теории и практики – одна из наиболее важных в курсе материаловедения. Соответствующие знания совершенно необходимы для выполнения как первой, так и второй части контрольной работы, посвященной выбору материалов для изделий различного назначения. Поэтому изучению материала данной темы нужно уделить особое внимание. Все явления, касающиеся термической обработки сталей, входят и в обязательный перечень экзаменационных вопросов. Рекомендуется также выполнить лабораторную работу 6 и, конечно, ответить на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки к теме 2.2

1. Из каких этапов состоит упрочняющая термическая обработка сталей?

2. Что такое закалка сталей? Какова ее цель?

3. Нарисуйте диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали; объясните смысл ее линий.

4. Что такое критическая скорость закалки (V_кр)? Как определяется ее величина?

5. Какую структуру и механические свойства приобретает сталь при охлаждении со скоростью V ≥ V_кр?

6. Какие структуры получаются в стали при охлаждении со скоростями V<V_кр? Что у них общего, чем отличаются?

7. В чем принципиальное отличие мартенситного превращения от перлитного?

8. В чем причина высокой твердости мартенсита? Как зависит твердость закаленной стали от содержания в ней углерода?

9. Каков недостаток стали после закалки?

10. Что такое отпуск, какова его цель?

11. Перечислите виды и режимы отпуска.

Как изменяются структура и свойства закаленной стали с повышением температуры отпуска?

12. Что такое «улучшение»? Какие стали (и изделия) ему подвергаются?

Промежуточные тесты к теме 2.2

I. Какая обработка стальных изделий называется «улучшением»?

1. Закалка.

2. Закалка + низкий отпуск.

3. Высокий отпуск.

4. Закалка + высокий отпуск.

5. Шлифовка поверхности.

II. Какая фаза должна обязательно присутствовать в стали при температуре ее нагрева под закалку?

1. Мартенсит.

2. Цементит.

3. Феррит.

4. Аустенит.

5. Перлит.

III. Какая структура обеспечивает максимальную твердость доэвтектоидной стали?

1. Перлит + феррит.

2. Троостит.

3. Мартенсит отпуска.

4. Мартенсит.

5. Сорбит отпуска.

IV. Какую структуру должна иметь ответственная деталь из среднеуглеродистой стали, работающая при динамических (ударных) нагрузках?

1. Мартенсит.

2. Феррит + перлит.

3. Мартенсит + цементит вторичный.

4. Мартенсит отпуска.

5. Сорбит отпуска.

V. Полная закалка – это закалка стали из однофазного аустенитного состояния. Какая структура получается при полной закалке доэвтектоидных сталей?

1. Мартенсит + цементит вторичный.

2. Мартенсит.

3. Феррит + перлит.

4. Мартенсит +феррит.

5. Аустенит.

VI. Для заэвтектоидных сталей применяют закалку из двухфазного состояния (неполную). Какую структуру должна иметь сталь У10 после такой закалки?

1. Перлит + цементит вторичный (П + Ц _II).

2. Мартенсит (М).

3. Аустенит + Ц_II.

4. М + Ц_II.

5. М + феррит.

VII. Как изменяются прочность (s_в) и ударная вязкость (KCU) с повышением температуры отпуска?

1. s_в и KCU увеличиваются.

2. s_в растет, KCU падает.

3. s_в падает, KCU растет.

4. s_в не изменяется, KCU растет.

5. s_в и KCU уменьшаются.

VIII. Какое из перечисленных утверждений неверно?

Высокая твердость стали с мартенситной структурой обусловлена:

1) высокой плотностью мартенсита;

2) дисперсностью структуры;

3) пересыщением решетки мартенсита углеродом;

4) большим количеством дислокаций;

5) наличием сильных внутренних напряжений.