От каких факторов зависят свойства отпущенной стали

Свойства углеродистых сталей зависят от содержания углерода, а также от содержания постоянных и скрытых примесей При одинаковом содержании углерода кипящие, полуспокойные и спокойные стали имеют близкие величины прочностных свойств и различаются значениями характеристик пластичности. Содержание кремния в спокойной стали составляет 0,15-0,35%, в полуспокойной – 0,05-0,15%, в кипящей – до 0,05%.

Влияние содержания углерода на механические свойства сталей.

     7.2. 1. Как зависят свойства углеродистых сталей от содержания углерода?

      Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже малое изменение содержания углерода оказывает заметное влияние на свойства сталей. 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 цементит.  Феррит имеет низкую прочность, но сравнительно пластичен. Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэтому с ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность и уменьшается вязкость и пластичность стали (рис.1).

Рис. 1. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода.

Рост прочности происходит при содержании в стали до 0,8-1,0% С.

7.2. 2.  Чем обусловлен рост прочности до 0,8 –1,0%С?

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 цементит. Феррит имеет низкую прочность, но сравнительно пластичен. Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэтому с ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность и уменьшается вязкость и пластичность

7.2. 3. Почему при увеличении содержания углерода более 1,0% С уменьшается не только пластичность, но и прочность стали? Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен, легко разрушающейся при нагружении.

Какое влияние оказывает углерод на технологические свойства?

Углерод оказывает существенное влияние на свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием. С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии. Лучше всего обрабатывается резанием среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3-0,4%С. Низкоуглеродистые стали при механической обработке дают плохую поверхность и трудноудаляемую стружку. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную твердость, что снижает стойкость инструмента.

7.3. Влияние примесей на свойства стали    

 7.3.1. Назовите постоянные и скрытые примеси в углеродистых сталях?                                                               

Постоянными примесями в углеродных сталях являются марганец, кремний, сера, фосфор, а скрытые примеси – газы: кислород, азот, водород.

Охарактеризуйте влияние марганца

Полезными примесями являются марганец и кремний. Их вводят в сталь в процессе выплавки для раскисления:

                                   Fe+Mn → MnO+Fe; 2FeO+Si → SiO2+2Fe/

В углеродистой стали содержится до 0,8% Mn. Марганец, помимо раскисления, в этих количествах полностью растворяется в феррите и упрочняет его, увеличивает прокаливаемость стали, а также уменьшает вредное влияние серы, связывая еетугоплавкие сульфиды:  

                                   FeSв +Mn → MnS+Fe.

 7.3.3. Охарактеризуйте влияние кремния?

В полностью раскисленной углеродистой стали содержится до 0,4%Si. Кремний является полезной примесью, так как эффективно раскисляет сталь и, полностью растворяясь в феррите, способствует его упрочнению.

 7.3.4. Охарактеризуйте влияние серы?

Сера является вредной примесью. Основной источник серы в стали – исходное сырье (чугун). Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также сообщает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. Она образует с железом соединение FeS – сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца благодаря высокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкая эвтектика Fe-FeS

 (tпл =988 ºC). Эвтектика располагается по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до температуры горячей деформации включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Повышенное (до 0,2%) содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления крепежных деталей неответственного назначения, так как сера улучшает обрабатываемость стали.

7.3.5. Какой элемент вводят для устранения вредного влияния серы?

Марганец устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1620 ºC, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали.

7.3.6. Охарактеризуйте влияние фосфора?

Основной источник фосфора – руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью. Растворяясь в феррите до 1,2%, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор резко отличается от железа по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Поэтому фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

7.3.7. Охарактеризуйте влияние скрытых примесей.

Скрытые примеси – кислород, азот, водород – присутствуют в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо в составе химических соединений (нитриды, оксиды), либо в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, что снижает вязкость и пластичность стали. Водород находится в твердом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода, особенно в хромистых и хромоникелевых сталях, приводит к образованию внутренних трещин – флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрицательное влияние на свойства, ухудшая пластические и вязкие характеристики стали. Поэтому вакуумирование является важной операцией для улучшения свойств стали. Кроме того, в углеродистых сталях присутствуют такие случайные примеси, как Cr, Ni, Cu, наличие которых обусловлено загрязненностью шихты.

Описанные выше изменения структуры сталей при отпуске приводят к значительному изменению их механических свойств.

Общей тенденцией изменения свойств в стали при отпуске является снижение ее прочностных характеристик (твердости НВ, К2, о«) и повышение пластических (8, I//). Причем во всех трех интервалах отпуска суммарное изменение механических свойств обусловлено рядом структурных факторов, действующих часто в противоположных направлениях. Например, снижение тетратональности мартенсита приводит к снижению прочностных характеристик и увеличению пластических. Однако происходящее при этом выделение мелкодисперсных карбидов, особенно некогерентно связанных с мартенситными кристаллами или образование вместо однофазного остаточного аустенита, областей с гетерогенной феррито-карбидной – в углеродистых сталях, или марген- ситно-карбидной в легированных сталях, повышает прочностные и снижает пластические характеристики. Конечный результат зависит от соотношения вкладов действующих факторов. Причиной различий действия указанных структур на свойства является различие в сопротивлении движению дислокаций.

Так, в однофазных областях остаточного аустенита и слабо искаженных кристаллах мартенсита отпуска (с меньшей теграго- нальностью) дислокации движутся легче, их пробег от одного препятствия до другого – больше. А известно, что именно средняя длина пробега дислокаций определяет пластические характеристики (чем она больше, тем выше пластичность). Выделение когерентно связанных с мартенситом мелкодисперсных частиц карбидов значительного повышения сопротивления движению дислокаций не оказывает, и дислокации могут перерезать указанные пластинки.

Когда же размеры карбидов увеличиваются, они становятся некогерентными и движение дислокаций у карбидов тормозится. Для дальнейшего их движения требуется приложить большие напряжения; прочностные характеристики сталей с такой структурой увеличиваются.

Зависимость механических свойств стали с 0,7 % С от температуры отпуска приведена на рис. 80.

Рис. 80. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали У7

Как видно из рис. 80, твердость НВ, ав монотонно снижаются с ростом температуры, а S и ^/монотонно растут.

В сталях с высоким содержанием углерода в интервале температур второго превращения при отпуске твердость зависит от количества остаточного аустенита и снижается медленнее с ростом температуры. В легированных сталях, содержащих значительное количество карбидообразующих элементов, при температурах 500 – 550 °С твердость не только не снижается, но даже растет, что обусловлено выделением специальных карбидов.

В сталях различают низкий отпуск (с нагревом до 250 °С), средний (350 – 500 °С) и высокий (500 – 650 °С). Каждый из этих видов отпуска, создавая описанные выше сгруктуры, устраняет частично или полностью остаточные напряжения, возникшие при закалке. Для полного снятия напряжений рекомендуется применять высокий отпуск.

Пластические характеристики легированных сталей S, ц/ с повышением температуры отпуска растут. Ударная же вязкость (КС), с ростом температуры отпуска изменяется немонотонно.

При низких температурах отпуска (200 – 250 °С) ударная вязкость растет (для закаленных сталей она низкая).

Для всех легированных конструкционных сталей имеется два температурных интервала, в которых с ростом температуры отпуска ударная вязкость не растет, а падает. Первый интервал соответствует температурам 250 – 350 °С, а второй – температурам 500 – 550 °С. Явление снижения ударной вязкости при отпуске получило название отпускной хрупкости.

Различают два вида отпускной хрупкости:

• 1. Отпускная хрупкость I рода (необратимая) – наблюдается при температурах 250 – 350 °С и повторным нагревом не устраняется. Для ее устранения требуется нагрев до температур выше 400 °С, что снижает прочностные характеристики. Хрупкость при отпуске в интервале температур 250 – 350 °С связана с неоднородным по объему распадом мартенсита.
• 2. Обратимая отпускная хрупкость II рода – наблюдается при отпуске легированных сталей и при их длительном пребывании в интервале температур 500 – 550 °С. Если охлаждение после отпуска проводить быстро, то отпускная хрупкость не появляется.

Наиболее вероятной причиной появления обратимой отпускной хрупкости является образование карбидов но границам зерен и адсорбция на границах зерен фосфора, серы и других элементов, приводящая к более легкому зарождению трещин.

Обратимая отпускная хрупкость может быть устранена повторным нагревом до 600 – 650 °С и быстрым охлаждением.

Термическую обработку, заключающуюся в закалке и последующем высоком отпуске, называют улучшением.

Характерным примером финальной обработки металла является отпуск стали. Он представляет собой нагрев детали на определенное время с медленным остыванием. Это помогает устранить внутренние дефекты сплава, которые негативно влияют на устойчивость, прочность, пластичность. Но какие дефекты помогает устранить этот способ термической обработки? Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях? Правда ли, что в случае неправильного нагрева можно ухудшить физические свойства металла?

Описание процесса

Отпуск стали (ОС) — это разновидность термической обработки, при которой происходит постепенный нагрев металла с последующим его остыванием. В большинстве случаев отпускную процедуру выполняют на заключительном этапе сразу же после закалки. ОС может выполняться как до, так и после формирования детали из стального полуфабриката. Позволяет устранить внутренние напряжения внутри металла, которые негативно влияют на его физическую структуру, свойства.

Внутренние напряжения на химическом уровне — это нарушения кристаллической структуры металла. Из-за них происходит неравномерное распределение углерода, легирующих добавок по металлическому сплаву. Отпуск позволяет перераспределить эти элементы более равномерно. Это улучшает физико-химические свойства материала (пластичность, прочность, сохранение формы, химическая инертность). Нагрев осуществляется с помощью специальных печей в защитной среде (масляные, селитровые или щелочные ванны). Способ охлаждения деталей после нагрева — воздушный (обычно) или жидкостной (редко).

Качество отпуска стали зависит от следующих физических параметров термической процедуры:

• Температура нагрева. ОС может выполняться при температурах от 100 до 700 градусов, а чем выше будет температура нагрева, тем выше лучше будет качество обработки. Объясняется эта зависимость тем, что при более высоких температурах происходит более глубокое изменение структуры кристаллической решетки. В основном за счет процессов полигонизации, рекристаллизации.
• Длительность нагрева. Длительность ОС обычно составляет от 1 до 3 часов, хотя существуют и более длительные форматы. Все основные процессы в материале проходят в первые 20-40 минут.  Дополнительная выдержка нужна для равномерного распределения атомов углерода, железа, легирующих добавок по всей толщине материала.
• Скорость остывания. Здесь правило предельно простое — чем медленнее будет проходить остывание, тем выше будет качество материала. Чтобы замедлить остывание, металлурги используют различные уловки, хитрости. Главная хитрость — это помещение материала в масляную, селитровую или щелочную среду, которая замедляет остывание материала. Теоретически остывание можно выполнять и без применения жидкостных сред, однако скорость остывания будет высокой, что негативно скажется на качестве ОС.

Виды отпуска стали

Главный технический параметр ОС — это температура нагрева. Различают 3 типа ОС — высокий, средний и низкий. Конечно, высокотемпературный отпуск является оптимальным средством обработки, поскольку чем выше температура нагрева, тем более активно будет происходить рекристаллизация металла. Однако низко- и среднетемпературные способы обработки также имеют практическую пользу, которую не стоит недооценивать. Ниже мы рассмотрим каждый тип ОС по отдельности.

Высокий

Высокий отпуск стали — это вариант отпускной обработки при температуре от 500 до 700 градусов. Данный способ является самым эффективным, поскольку при таком нагреве происходит полигонизация и рекристаллизация материала, что позволяет устранить все напряжения внутри металла.  Обычно длится от 2 до 3 часов. В случае обработки сложных конструкций рекомендованное время может увеличиваться до 6 часов.

Главный недостаток высокотемпературного отпуска — это небольшое снижение прочности материала. Поэтому методика не годится для обработки деталей, которые во время эксплуатации будут испытывать сверхвысокую нагрузку. Высокотемпературная методика распространяется на все виды стали, однако обратите внимание, что в случае некоторых легированных сплавов во время обработки может возникнуть так называемая обратимая высокотемпературная хрупкость.

Средний

Основная особенность среднего отпуска — активная диффузия углерода без полигонизации и рекристаллизации сплава. В случае среднетемпературной обработки улучшается упругость материала, повышается его релаксационная стойкость. Температура отпуска стали в данном случае находится в пределах от 350 до 500 градусов. Средний срок проведения обработки — 2-4 часа. Оптимальная среда — маслянистая или щелочная. Средняя обработка хорошо подходит для прочных деталей сложной формы — рессоры, пружины, ударные конструкции. Однако на практике данная технология используется редко в связи с рядом ограничений:

• В температурной диапазоне от 250 до 300 градусов находится так называемый островок хрупкости первого рода, которого следует избегать. Одновременно с этим при температуре выше 500 градусов находится другой островок хрупкости второго рода (его тоже рекомендуется избегать). Об особенностях этих островков мы расскажем ниже. А небольшое отклонение температуры в большую или меньшую сторону во время отпуска может привести к фатальным последствиям.
• Методика не имеет преимуществ в сравнении с альтернативными технологиями (низкой и высокой). Одновременно с этим слабые печи для обработки обычно не могут нагревать рабочую среду до таких температур, а более сильные печи могут нагреваться до более высоких температур, что неудобно с практической точки зрения.

Низкий

Низкий отпуск стали — методика обработки стального сплава или изделия, при которой нагрев осуществляется до температуры от 100 до 250 градусов. Срок обработки обычно составляет 1-3 часа в зависимости от типа детали, ее габаритов. Во время низкотемпературной обработки происходит диффузия частиц углеродистых компонентов без полигонизации и рекристаллизации атомной решетки. Это позволяет повысить некоторые физические характеристики материала — прочность, пластичность, твердость, химическую инертность.

Низкий отпуск — универсальная технология, однако по факту ее применяют в основном для отпуска изделий из низколегированных и высокоуглеродистых сталей (ножи, посуда, простые детали). Также нужно избегать нагрева материала выше температуры 250 градусов (в противном случае он попадет в островок хрупкости первого рода, что чревато необратимой порчей металла).

Сводная таблица

Обработка инструментальных сплавов

Высокий, средний и низкий отпуск стали годятся только для температурной обработки сплавов, содержащих менее 0,7% углерода. Для сплавов с более высоким содержанием углерода (их называют инструментальными) используются другие способы. Рассмотрим основные технологии:

• Не рекомендуется делать отпуск быстрорежущих инструментальных сплавов, поскольку они содержат молибден, кобальт, вольфрам, ванадий. Эти элементы устойчивы к нагреву, поэтому они не меняют своих физико-химических свойств при отпускном нагреве. Вместо отпуска рекомендуется делать многоступенчатую закалку: для этого материал поэтапно нагревается до 800, 1050 и 1200 градусов — после этого выполняется резкое охлаждение сплава в масляной среде.
• Обработку обычных инструментальных сплавов рекомендуется выполнять в два этапа. Сначала происходит закалка материала в расплавах солей при температуре 450-500 градусов. После этого выполняется второй этап — двойной отпуск при температуре 550-600 градусов (не более 1 часа). Обратите внимание, что при нагреве инструментальных сплавов возможность возникновения отпускной способности второго рода исключается.

Что такое отпускная хрупкость

Отпускная температура влияет на качество обработки — чем выше будет температура, тем выше будет качество обработки. Однако ученые-металлурги установили, что это правило имеет 2 исключения, когда повышение температуры приводит не к улучшению, а к ухудшению качества материала. Эти два исключения на практике часто называют островками отпускной хрупкости. К счастью, было придумано несколько эффективных, безопасных способов обойти эти островки, поэтому проблема отпускной способности не является значимой в современной металлургии. Рассмотрим каждый из островков по отдельности + узнаем о том, как их обойти.

Необратимая низкотемпературная хрупкость

Другое название — хрупкость первого рода. Возникает при длительной обработке материала при температуре от 250 до 300 градусов, а распространяется данная хрупкость на все типы стальных сплавов. Объяснение феномена: при нагреве в данном температурном диапазоне углерод начинает активно распределяться по поверхности кристаллической решетки. Однако распределение углерода происходит крайне неравномерно — это приводит к нарушению кристаллической структуры металла, что приводит к серьезному повышению хрупкости. Как ясно из названия, данная хрупкость является необратимой (то есть островки сохраняют стабильность в течение неограниченного времени, а испорченный материал годится только на переплавку). Методика борьбы с данной хрупкостью тривиальна — нужно использовать либо низкую, либо среднюю термическую обработку — но не «промежуточную» между ними.

Обратимая высокотемпературная хрупкость

Другое название — хрупкость второго рода. Возникает только при комбинации сразу трех факторов одновременно. Первый фактор — металл нагревается выше температуры 500 градусов (то есть данная хрупкость характерна для высокой отпускной обработки). Второй фактор — сталь является легированным сплавом с высоким содержанием хрома, марганца или никеля. Третий фактор — очень низкая скорость остывания. Объяснение феномена: при комбинации трех факторов также происходит неравномерное распределение атомов углерода, хрома, марганца и никеля, что приводит к нарушению кристаллической решетки сплава. Существует много способов борьбы с данной хрупкостью — рассмотрим два из них:

• Способ №1: после образования хрупкости происходит повторный нагрев материала до заданной температуры — только нагрев осуществляется в масляной среде, а охлаждение металла после отпуска осуществляется очень быстро.
• Способ №2: во время отпускной обработки в сплав дополнительно вносится вольфрам (около 1% от общей массы) либо молибден (0,3-0,4%) — после этого выполняется высокий отпуск по стандартной технологии.

Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях?

Чаще все термообработка распространяется на различные простые детали, домашнюю утварь — ножи, вилки, металлические чашки, детали автомобилей и так далее. Однако домашняя металлургия обладает множеством ограничений, о которых простой человек может не знать. Рассмотрим основные проблемы, с которым может столкнуться человек во время отпуска стали в домашних условиях:

• Большинство домашних печей не могут выполнить нагрев до высоких температур. Поэтому в домашних условиях можно сделать только низкий или средний отпуск. Теоретически можно попытаться переоборудовать или «усилить» свою печь, чтобы повысить температуру нагрева, однако сделать это человеку без опыта будет сложно.
• Для проведения термической обработки необходимо использовать защитную среду (масло, щелочи, селитра). Но каждое вещество имеет свои температурные особенности. Простой пример: соединения на основе селитры могут взрываться при нагреве до высоких температур, что может быть опасно для жизни, здоровья домашнего металлурга.
• Выполнение отпуска без применения защитной среды может быть фатально для самого металла. Дело в том, что без использования защитной среды металл будет остывать быстро, что может повлиять на качестве стали (повышение хрупкости, образования изгибов, пластическая деформация, появление ржавчины).
• Также не стоит забывать о низкотемпературной хрупкости первого рода (от 250 до 300 градусов). В случае неправильного температурного режима из-за нее может серьезно пострадать качество металла вплоть до полного разрушения сплава.

Заключение

Подведем итоги. Отпуск стали — это технологическая процедура, которая заключается в нагреве металла до определенной температуры с последующим остыванием в защитной среде. Эта обработка позволяет улучшить качество металла — повышение прочности, нормализация пластичности, улучшение физико-химических свойств материала. В зависимости от температуры различают несколько типов отпуска — высокий, средний, низкий. Высокотемпературная обработка — оптимальна, поскольку она позволяет выполнить не только диффузию углерода, но и рекристаллизацию, полигонизации материала.

Низкотемпературная технология подходит для обработки простых деталей, низкокачественных сплавов. Инструментальные стальные сплавы (с большим содержанием углерода) не подходят для стандартного отпуска — вместо него рекомендуется делать многоступенчатую закалку. Во время обработки нужно избегать островков отпускной хрупкости, которые могут серьезно ухудшить свойства стали.

Используемая литература и источники:

• Техминимум отжигальщика на томильных и отжигательных печах / М.М. Эфрос. — М.: Главная редакция литературы по черной металлургии
• Основы технологии автоматизированных машиностроительных производств: моногр. / А.В. Скворцов, А.Г. Схиртладзе. — М.: Высшая школа, 2010
• Статья на Википедии