6. Старение стали

Старение - это процесс изменения свойств сплавов без заметного изменения микроструктуры. Известны два вида старения: термическое и деформационное.

Термическое старение протекает в результате изменения растворимости углерода в α-железе в зависимости от температуры. При быстром охлаждении с 650—700 °С в низкоуглеродистых сталях выделение углерода в виде третичного цементита может быть задержано, в результате чего и получают пересыщенный твердый раствор. В процессе вылеживания этот углерод будет стремиться выделиться из раствора. Поскольку скорость диффузии углерода при комнатной температуре достаточна, то в результате длительной выдержки он выделяется в виде третичного цементита. При этом твердость и прочность после закалки возрастают, а характеристики пластичности и ударная вязкость падают. Несмотря, на невысокое содержание углерода в стали, повышение твердости может достигать 50%. Такое повышение твердости, обусловленное распадом пересыщенного раствора, называется дисперсионным твердением. Дисперсионное твердение помимо стали наблюдается в ряде других сплавов, где растворимость одного элемента в другом изменяется с температурой.

Если старение осуществляется при комнатной температуре, оно называется естественным. Если же процесс протекает при повышенной температуре, то старение называется искусственным.

С повышением температуры нагрева увеличивается скорость диффузионных процессов, что значительно сокращает длительность старения.

Деформационное (механическое) старение протекает после холодной пластической деформации. Этот процесс развивается в течение 15-16 суток и более при комнатной температуре и в течение нескольких минут при 200-350 ^оС.

При пластической деформации отдельные объемы α-фазы пересыщаются углеродом и азотом, а в процессе выдержки происходит выделение карбидов и нитридов. В сталях возможно одновременное протекание термического и деформационного старения.

Из-за старения ухудшается штампуемость листовой стали. Поэтому многие углеродистые стали подвергают испытаниям на склонность к деформационному старению.

7. Термомеханическая обработка стали

 

Термомеханическая обработка (ТМО) заключается в совмещении пластической деформации и термического воздействия с целью формирования заданной структуры и свойств металла.

При пластической деформации часть энергии (до ~20 %) идет на увеличение внутренней энергии кристаллической решетки. Совмещение пластической деформации и фазовых превращений вызывает повышение плотности дислокаций, изменяет количество вакансий и дефектов упаковки; применяется для формирования оптимальной структуры металла, и придания металлу необходимых свойств – прочности и вязкости.

Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам изменения строения и свойств металлов.

Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость возрастает в 1,5…2 раза, по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.

В зависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают:

• высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО),

• низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО),

• предварительную термомеханическую обработку (ПТМО).

Высокотемпературная термомеханическая обработка заключается в деформации при температуре выше А₃, при которой сталь имеет аустенитную структуру. Степень деформации составляет 20-30 %, при большей деформации развивается рекристаллизация, которая снижает механические свойства. Сразу после деформации осуществляют закалку, для предотвращения развития процессов рекристаллизации (рис. 13, а).

Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко повышает ударную вязкость при комнатной температуре. Понижается температурный порог хладоломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка повышает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке.

Рис. 13. Схема режимов термомеханической обработки стали: а – высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО);

б –низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО)

 Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно используют для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей.

Последующий отпуск при температуре 100…200^oС проводится для сохранения высоких значений прочности.

По способу низкотемпературной термомеханической обработки (аусформинг) сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600^oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рис. 13, б).

Низкотемпературная термомеханическая обработка, дает более высокое упрочнение, но не снижает склонность стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование.

Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.

Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в 2-4 раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются внутренние напряжения.

После закалки в обоих случаях проводят низкотемпературный отпуск при 100-300 ^оС. Такая комбинированная обработка дает возможность получить высокую прочность при хорошей пластичности и вязкости. Механические свойства после разных видов ТМО для машиностроительных сталей в среднем имеют следующие характеристики (см. табл. 2):

Таблица 2. Механические свойства сталей после ТМО

Вид обработки	, МПа	, МПа	, %	, %
НТМО	2400…2900	2000…2400	5…8	15…30
ВТМО	2100…2700	1900…2200	7…9	25… 40
Закалка + низкий отпуск	1400	1100	2	3

Предварительная термомеханическая обработка (ПТМО) характеризуется простотой выполнения технологическиго процесса: холодная пластическая деформация повышает плотность дислокаций, дорекристаллизационный нагрев обеспечивает полигонизацию структуры феррита, закалка после ускоренного нагрева и отпуск. При этом пауза между холодной деформацией и нагревом под закалку не регламентируется, что упрощает технологический процесс ПТМО. Одновременно с повышением прочности после термомеханической обработки увеличиваются пластичность и сопротивление разрушению.

Повышенная конструкционная прочность после термомеханической обработки объясняется наследованием развитой дислокационной структуры аустенита мартенситом, который образуется при последующей закалке.