Отпуск стали

Отпуск закаленной стали позволяет получить изделие с заданными свойствами. Основные влияния на свойства оказывает температура отпуска. По температуре нагрев отличают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск. Отпущенный мартенсит (120-150°) широко используется для обработки режущего инструмента, изделий после химико-термической обработки (цементации, нитроцементации) и поверхностной закалки. Основная цель - уменьшить закалочные напряжения. Выдержка 1-3 часа. Разновидность -стабилизация отпуска - длительная выдержка для стабилизации (до 150 часов).

Средний отпуск. (350-450°). Используется при необходимости получить высокую прочность (высокий предел упругости) и удовлетворительную вязкость. Охлаждают обычно в воде для образования на поверхности сжимающих напряжений (повышают предел выносливости). Такой термической обработке подвергают пружины и рессоры.

Высокий отпуск на сорбит (500-680°). Создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Выдержку подбирают опытным путем для получения заданного комплекса свойств. Термическую обработку состоящую из закалки и высокого отпуска называют улучшением. Улучшению обычно подвергают конструкционные стали с 0, 3 - 0, 5% С, такая обработка повышает конструктивную прочность, уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений, снижает температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости. Для высоких результатов необходимо обеспечить сквозную закалку во всех течениях изделия.

Отпуск – термическая обработка стали, заключающаяся в нагреве закаленной на мартенсит стали до температуры ниже критической, выдержки при этой температуре и охлаждении на воздухе.

Цель отпуска: Улучшение механических свойств закаленной стали, снижение хрупкости, повышение пластичности, некоторое снижение твердости и прочности.

Закалка + Отпуск = Улучшение свойств стали.

Исходная структура – мартенсит закалки: высокое содержание углерода, сильно искаженная кристаллическая решетка, значительное напряжение в структуре, высокая степень неравновесности.

Виды отпуска:

1) Низкотемпературный отпуск (низкий отпуск):

Исходная структура – мартенсит закалки, температура отпуска t_отп = 150–250° C. В результате отпуска – мартенсит отпуска и -карбиды.

При повышении температуры активизируется диффузия. Часть атомов углерода покидает кристаллы мартенсита, концентрируется в локальных областях, где образуется карбид железа (-карбид). Размеры этих карбидов очень небольшие. Результат низкого отпуска: уменьшение степени пересыщенности мартенсита и, как следствие, снижение внутреннего напряжения, немного снижается твердость и прочность. Мартенситная структура в целом сохраняется, снижается склонность стали к хрупкому разрушению.

2) Среднетемпературный отпуск (средний отпуск):

Исходная структура – мартенсит закалки, температура отпуска t_отп = 250–450° C. В результате отпуска – тростит отпуска.

При повышении температуры активизируется диффузия. Диффузия углерода при такой температуре достаточна для превращения мартенсита в перлитную структуру, но не достаточна для перемещения углерода на большие расстояния. В итоге образуется смесь феррита и цементита. Особенности среднего отпуска: маленький размер кристаллов, кристаллы равноостные, мелкодисперсные. Такая структура называется тростит отпуска. Такая структура обладает высокой прочностью и твердостью и достаточным запасом пластичности. Используется для ответственных, сильно нагреваемых деталей (пружины, рессоры).

3) Высокотемпературный отпуск (высокий отпуск):

Исходная структура – мартенсит закалки, температура отпуска t_отп = 450–650° C. В результате отпуска – сорбит отпуска.

Процессы аналогичны среднему отпуску, но увеличивается расстояние, на которое смещаются атомы углерода. Диффузия происходит интенсивнее, чем в случае среднетемпературного отпуска, увеличиваются размеры кристаллов феррита и цементита. Такая структура называется сорбит отпуска. В результате высокого отпуска повышается пластичность, снижается хрупкость, одновременно уменьшается твердость и прочность. Используется для ответственных, сильно нагреваемых деталей под ударными нагрузками.

Превращение аустенита при охлаждении (перлитное превращение)

Основное превращение при медленном охлаждении стали с температурой выше A_c1 это эвтектоидный распад аустенита на феррито-цементитную смесь-перлит. Процесс диффузионный, связанный с распадом твердого раствора А на две резко различные по химическому составу фазы - Ц - 6, 67%С и Ф-0, 02%С. Процесс идет при переохлаждении сплава.

Контролирует процесс диффузия углерода. Однако чем ниже температура превращения(>ΔТ), тем меньше скорость диффузии углерода. При очень больших (ΔТ) диффузия углерода практически равна нулю и диффузионный распад аустенита невозможен..

Распад начинается обычно на стыке аустенитных зерен образованием зародыша цементита. При утолщении цементитной пластины вблизи нее аустенит объединяется и создаются условия для образования роста ферритной пластины. При утолщении ферритной пластины углерод оттесняется в аустенит, в результате создаются условия для появления новых цементитных пластин.

Межпластиночное расстояние Δ (суммарная толщина пластин Ф и Ц) постоянны для данной степени переохлаждения аустенита. Это важная структурная характеристика, чем оно меньше, тем дисперсией структура, выше прочностные свойства стали. В зависимости от температур распада аустенита образуются следующие структуры:

при 650 °- 220^о С межпластиночное расстояние Δ =0. 5- 1мкм, НВ170-220 – перлит;

при 650 - 570° С межпластиночное расстояние Δ - 0,4 - 0,2 мкм НВ - 230 - 330-сорбит;

при 570° - 500° межпластиночное расстояние Δ = ~ 0, 1мкм, НВ 330 - 460 троостит.