3. Критическая скорость закалки

Критическая скорость закалки у различных сталей не одинакова и колеблется в очень больших пределах (в зависимости от химического состава стали). Имеются специальные стали, у которых критическая скорость закалки составляет 2 - 3° в секунду, а у некоторых сталей она достигает 1200° в секунду. Чем ниже критическая скорость закалки, тем легче закалить сталь. У всех углеродистых сталей критическая скорость закалки очень велика. Влияние углерода на критическую скорость закалки стали показано на рис. 62. Как видно из приведенной диаграммы, наименьшую критическую скорость закалки имеет сталь, содержащая 0,8% углерода. Но и у этой стали критическая скорость очень велика - около 160° в секунду.

На критическую скорость закалки оказывают влияние и другие элементы, содержащиеся в стали, что будет рассмотрено в дальнейшем. Критическая скорость закалки - важная характеристика, без которой нельзя установить правильный режим закалки стали. Скорость охлаждения. Чтобы установить скорость охлаждения при закалке, кроме критической скорости закалки надо учитывать также форму и размеры закаливаемого изделия. Изделия, изготовленные из стали одного и того же состава и имеющие, следовательно, одинаковую критическую скорость закалки, будут охлаждаться с различной скоростью, если они отличаются друг от друга размерами и формой. Влияние размеров и формы изделия на скорость охлаждения при закалке весьма наглядно иллюстрируется следующим примером.

Изготовим из одной и той же стали пластинку размерами 50 х 50 мм и толщиной 1 мм и шарик диаметром 10 мм. Если их охлаждать в одинаковой среде, то можно легко убедиться, что пластинка охлаждается значительно быстрее, чем шарик. Между тем пластинка весит около 20 г, а шарик всего около 5 г. Из этого примера видно, что скорость охлаждения сильно зависит от величины поверхности изделия. Чем меньше толщина изделия и чем больше отношение охлаждаемой поверхности к объему изделия, тем быстрее происходит охлаждение. Значения твердости образцов различных сечений, изготовленных из стали 45 и подвергнутых закалке в воде.

Данные приведенной таблицы показывают, что образцы, изготовленные из одной и той же стали и подвергнутые закалке в одинаковой среде, получили различные свойства и структуру. Это объясняется тем, что они имели различное сечение, и поэтому их охлаждение протекало с неодинаковой скоростью. Фактическая скорость охлаждения при закалке обычно характеризуется какой-то средней величиной. В действительности, охлаждение изделий при закалке в различных интервалах температур происходит с неодинаковой скоростью. В первый период охлаждения, когда разность температур нагретого изделия и охлаждающей среды очень велика (850 и 20°), изделие охлаждается значительно быстрее, чем в конце процесса, когда эта разность уже значительно меньше.

8.Отпуск

Это нагрев заколенной стали до Т А_с1 ,выдержке при зажанной Т и охлождением с определенной скоростью.

Отпуск-это окончательная термическая термическая обработка в результате которой получаются необходимые механические свойства. Чтобы сталь заколить надо нагреть ее до аустенитного состояния (А₃ +- 30-50С) и затем охлождение со скоростью верт.кр. скорости закалки (скорость в.к.з.) с целью получения мартенситной структуры.

Операция отпуска проводится после закалки стали. Само название этой операции говорит о том, что сталь как бы отпускается из напряженного, закаленного состояния. В результате снижается хрупкость, повышается вязкость и сопротивление ударной нагрузке.

Посмотрим, какие же изменения происходят в закаленной стали при отпуске. Как мы уже видели, структура закаленной стали представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в железе, что вызывает сильные внутренние напряжения. Вследствие этого атомная решетка искажается, превращаясь из кубической в тетрагональную, а сталь приобретает хрупкость и легко разрушается при ударных нагрузках. Если же устранить внутренние напряжения, то, не снижая прочности и твердости стали, можно уменьшить хрупкость и тем самым существенно улучшить ее эксплуатационные свойства, что и достигается операцией отпуска с нагревом до температуры 150—200°С. Это так называемый низкий отпуск. Что же происходит при низком отпуске? Под действием повышенной температуры атомы углерода приобретают более высокую подвижность и благодаря этому выходят из твердого раствора. Они образуют с атомами железа химическое соединение — карбид Fe₂C При этом внутренние напряжения в атомной решетке железа уменьшаются, и в результате снижается хрупкость закаленной стали. Образующиеся карбиды имеют настолько малые размеры, что их невозможно обнаружить с помощью микроскопа, поэтому видимых изменений в микроструктуре после низкого отпуска не наблюдается. Зато свойства стали существенно улучшаются.

Низкий отпуск применяют в тех случаях, когда после закалки необходимо сохранить высокую твердость и износостойкость стали. Для завершения всех процессов, происходящих при низком отпуске, достаточно дать выдержку при температуре 200°С в течение 1 ч. Хотя при этом не весь углерод выходит из раствора, однако продолжение выдержки не дает существенных изменений. Твердость стали после низкого отпуска зависит от содержания в ней углерода. В высокоуглеродистых сталях, содержащих более 0,7% С, она бывает обычно в пределах HRC 59—63.

При повышении температуры отпуска до 200—300°С происходят изменения в структуре: остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит. В легированных сталях это превращение происходит при более высокой температуре. В некоторых высоколегированных сталях, например, в быстрорежущих, которые содержат до 35% остаточного аустенита, превращение его в мартенсит происходит при нагреве свыше 500°С.

При дальнейшем повышении температуры до 300— 400°С в углеродистой закаленной стали полностью завершается процесс выделения углерода из твердого раствора. Карбид Fe₂C преобразуется в знакомый нам цементит Fe₃C. Иными словами, в результате отпуска при 300—400°С происходит распад мартенсита и образуется структура, состоящая из феррита, в котором будут равномерно распределены мельчайшие кристаллики цементита. Такая структура называется трооститом. Твердость троостита приблизительно HRC 45—50.

При повышении температуры отпуска до 450°С и более происходят существенные изменения как в структуре, так и в свойствах закаленной стали, обусловленные укрупнением цементитных частиц: мелкие частицы как бы сливаются с более крупными. Такой процесс называется коагуляцией цементита. При температуре отпуска свыше 450°С частицы цементита становятся настолько крупными, что их без труда можно различить при наблюдении под микроскопом. Такую ферритно-цементитную структуру, полученную в результате закалки и отпуска при указанной температуре, называют сорбитом. Таким образом, сорбит отличается от троостита только тем, что частицы цементита в нем более крупные. Твердость сорбита приблизительно HRC 30—45.

Если теперь повысить температуру отпуска до 600— 650°С, то частицы цементита укрупнятся настолько, что структура по виду будет приближаться к обычному перлиту, который был до закалки. Тем не менее будут и отличия: перлит, полученный после закалки и отпуска, будет иметь более однородное мелкодисперсное строение. Это способствует улучшению свойств стали, и потому сочетание закалки с высоким отпуском носит названиеулучшения.

Отпуск закаленной стали в интервале температур 300—450°С принято называть средним, а отпуск в интервале температур 500—600°С — высоким.

При среднем отпуске закаленной стали образуется трооститная структура, и сталь приобретает наиболее упругие свойства. Поэтому такой отпуск применяют при обработке рессорно-пружинных сталей.

При высоком отпуске образуется сорбитная структура. При этом значительно снижается твердость стали, но зато существенно повышается ее вязкость и сопротивление ударной нагрузке (ударная вязкость). Кроме того, как установлено исследованиями, высокий отпуск почти полностью (на 90—95%) устраняет внутренние напряжения, поэтому его применяют для многих ответственных деталей и инструментов, работающих в условиях динамической нагрузки: валов, шатунов, молотовых штампов и др.

Отпуск легированных сталей имеет существенные особенности. До температуры 150°С легирующие элементы не оказывают существенного влияния на процесс отпуска. Но при более высоких температурах такие элементы, как хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и кремний, тормозят распад мартенсита, а также образование и рост (коагуляцию) карбидных частиц. Объясняется это тем, что как для распада мартенсита, так и для роста карбидных частиц необходима диффузия (перемещение) атомов углерода, а легирующие элементы препятствуют этому. Поэтому в углеродистых сталях мартенсит сохраняется только до 300—350°С, в легированных сталях — до 450—500°С, а в высоколегированных он может сохраняться до еще более высоких температур. Это имеет важное практическое значение для деталей и инструментов, от которых требуется сохранение высокой твердости и износостойкости в условиях повышенной температуры.

Однако при отпуске легированных сталей наблюдается отрицательное явление, известное под названиемотпускной хрупкости. Оно заключается в том, что в случае отпуска таких сталей при температурах 250— 400°С или 500—550°С происходит падение сопротивления стали ударной нагрузке, т. е. возникает хрупкость. В первом случае хрупкость вызывается тем, что в интервале температур 250—400°С при распаде мартенсита образуются карбиды, которые выделяются преимущественно по границам кристаллов мартенсита. Это приводит к возникновению больших внутренних напряжений, а следовательно, к хрупкости. Для устранения такой хрупкости нужно провести повторный нагрев выше 400°С, однако при этом уже получится пониженная твердость. Во втором случае при отпуске в интервале температур 500—550°С хрупкость наблюдается, если охлаждение после отпуска было замедленным. Ученые полагают, что такая хрупкость вызывается диффузией к границам зерен фосфора и некоторых других элементов. Одни из легирующих элементов, например хром в сочетании с никелем, марганцем или кремнием, усиливают такую диффузию, а значит повышают хрупкость. Другие, как, например, вольфрам или молибден, тормозят диффузию, а следовательно, подавляют отпускную хрупкость. При быстром охлаждении после отпуска диффузия не успевает произойти, и отпускная хрупкость не наблюдается.

Однако резкое охлаждение после высокого отпуска, особенно крупных деталей, может вызвать внутренние напряжения и потому не всегда допустимо. Именно в таких случаях в сталь вводят небольшое количество вольфрама или молибдена, и тогда отпускная хрупкость даже в условиях медленного охлаждения после отпуска не возникает.

9.

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14 % углерода при малом содержании других элементов, называются углеродистыми сталями. Углеродистые стали завершают кристаллизацию образованием аустенита. В их структуре нет эвтектики (ледебурита), благодаря чему они обладают высокой пластичностью, особенно при нагреве, и хорошо деформируются.

Углеродистые (нелегированные) стали являются наиболее дешевыми сталями и составляют около 80 % объема продукции черной металлургии. Эти стали выплавляются различными способами в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах, что определяет содержание примесей и качество.

Наилучшими свойствами обладает электросталь, более чистая по содержанию вредных примесей — серы и фосфора, а также газов и неметаллических включений. Она идет на изготовление более ответственных деталей.

Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на изменение свойств стали. С увеличением углерода в структуре стали растет содержание цементита. При содержании до 0,8 % С сталь состоит из феррита и перлита, при содержании более 0,8 % С в структуре стали, кроме перлита, появляется структурно свободный вторичный цементит. Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются: Ст. 1, Ст. 2, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5, Ст. 6, Ст. 7. Цифры указывают процентное содержание углерода, увеличенное в 10 раз.

Марки углеродистой качественной конструкционной стали обозначаются: 08, 10, 15, 20, 25 ... 85, где двузначные цифры указывают процентное содержание углерода, увеличенное в 100 раз.

В тех случаях, когда сталь кипящая, после двухзначных цифр, обозначающих содержание углерода, ставится индекс кп, а если сталь полуспокойная, индекс пс. Марки стали, не имеющие индекса, относятся к спокойной стали. Если в стали повышенное содержание марганца, после цифр ставится буква Г.

Сталь 08 обладает хорошей пластичностью в холодном состоянии и применяется для деталей, изготовляемых методом холодной штамповки. Стали 10, 15, 20 —низкоуглеродистые. Они хорошо куются, свариваются, цементируются и применяются для изготовления мелких деталей (валики, гайки, оси, втулки, трубы и листы под сварку). Стали 45, 50, 55 хорошо закаливаются и применяются для изготовления ответственных деталей.

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы. Различают несколько видов чугуна.

 

 Белый чугун, в котором весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном состоянии в виде Fe3C (цементита), что и определяет его свойства: высокие твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали.

 Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии только частично (не более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в виде графита. Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит по реакции Fe3C~>--»-3Fe-[-C. В зависимости от преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе.

Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе 280 МПа.

Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные деталистанков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали.

 Ковкий чугун получают после длительного отжига белого чугуна при высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе. Углеродные включения имеют округлую форму. В отличие от серых ковкие чугуны являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются.

 Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей.

При испытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна — предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость.

При маркировке серого и модифицированного   чугуна, например СЧ12—28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении,   последующие две — предел прочности при изгибе.

10. Легированными называют стали, в которые кроме железа и углерода вводят легирующие добавки для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются Mn, Si, Cr, Ni, W. Mo, Со, Ti, V, Zr, Nb и др.

Легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термической обработке.

Кремний способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках стали. Кремний способствует магнитным превращениям, а при содержании его в количестве 15-20 % придает стали кислотоупорность.

Хром повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает глубину прокаливаемости, положительно сказывается на жаропрочности, жаростойкости, повышает коррозионную стойкость.

Никель действует так же, как и марганец. Кроме того, он повышает электросопротивление и снижает значение коэффициента линейного расширения.

Вольфрам уменьшает величину зерна, повышает твердость и прочность, улучшает режущие свойства при повышенной температуре.

Молибден действует как и вольфрам, а также повышает коррозионную стойкость.

Влияние легирующих элементов на структуру металла

На механические, физические и химические свойства стали большое влияние оказывают присадки легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена, ванадия, титана и др. Большинство специальных примесей и углерод повышают прока-ливаемость стали, так как увеличивают устойчивость аустенита и замедляют процесс распада его при охлаждении.

Основное влияние большинства специальных примесей и углерода заключается в том, что они снижают критическую скорость охлаждения и при определенном содержании могут вызвать закалку даже при охлаждении на воздухе. При сварке большинства легированных сталей вероятность образования мартенсита в наплавленном металле и в зоне термического влияния вбсьма высока, потому что отвод тепла от металла шва к металлу зоны термического влияния происходит значительно быстрее, чем отвод тепла в окружающий воздух. Это является одним из основных затруднений при сварке легированных сталей.

В зависимости от структуры, получаемой при охлаждении на спокойном воздухе, стали часто делят на следующие структурные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный, карбидный и ферритный. К перлитному классу относят стали, которые при охлаждении на воздухе приобретают структуру перлита, сорбита или троостита.

К мартенситному классу относят легированные стали, в которых при охлаждении на воздухе появляется структура мартенсита. К аустенитному классу относят легированные стали, когда в них не наблюдается распада аустеннта при самом большом содержании примесей. К сталям карбидного класса относят стали мартенситного или аустенитного класса с карбидообразующимн элементами (хром, вольфрам и др.), благодаря чему в структуре металла наряду с мартенситом или аустенитом содержится значительное количество карбидов.

Структура сталей перлитного класса. К сталям перлитного класса относят углеродистые и низколегированные стали. Одной из особенностей структурных изменений в сталях перлитного класса при сварке является возможность получения в зоне влияния структуры мартенсита. Появление мартенсита в зоне термического влияния основного металла крайне нежелательно не только из-за повышенной твердости и уменьшения пластических свойств зоны, но и главным образом из-за возможного образования микроскопических или даже субмикроскопических трещин.

Появление хрупкой структуры мартенсита можно предупредить путем предварительного подогрева детали перед сваркой. Подогрев также рекомендуется при сварке сталей с высоким содержанием углерода. При сварке сталей перлитного класса металл шва чаще всего имеет структуру сорбита или сорбитообразного перлита

У некоторых сталей этого класса, имеющих значительное содержание углерода и легирующих элементов, находящихся у границы мартенситного класса, возможно появление структуры мартенсита в наплавленном металле.

При сварке незакаленной стали в зоне термического влияния наблюдаются следующие участки, структура которых во многом зависит от содержания в металле углерода и легирующих элементов:

1. Участок перегрева часто имеет структуру крупноигольчатого мартенсита. На большом удалении от шва строение мартенсита более мелкое. Механические свойства металла относительно высокие.

2. Участок нормальной закалки имеет структуру мелкоигольчатого мартенсита. При недостаточной скорости охлаждения или пониженном содержании углерода наряду с мартенситом встречается троостит.

Иногда оба участка объединяют под общим наименованием «участок полной закалки», так как между ними нет резкой границы.

3. Участок частичной закалки в легированных сталях имеет структуру мартенсита с сеткой феррита. Величина участка незначительна.  Все три участка образуют хрупкую зону закалки с высокой твердостью , что затрудняет последующую механическую обработку, а также способствует развитию трещин в основном металле.

4. Участок рекристаллизации в структурном отношении отличается от основного металла только при наличии предварительной пластической деформации.

5. Участок синеломкости так же, как и у низкоуглеродистых сталей, не имеет структурных отличий от основного металла.  Если перед сваркой сталь была подвергнута закалке с отпуском, то характер структур участка перегрева, участков нормальной и частичной закалки остается таким же, но характер структур участков рекристаллизации и синеломкости будет отличаться. Здесь появляется участок отпуска, так как максимальный нагрев при сварке был ниже 720° С. Структурные изменения в зонах закалки и отпуска вызывают необходимость последующей (после сварки) термообработки сварных изделий.