Главная Обратная связь

Дисциплины:






Отпускная хрупкость



При отпуске некоторых легированных сталей (250 – 400 и 500 – 550оС) снижается ударная вязкость Такое снижение вязкости – отпускная хрупкость.

Отпускная хрупкость 1 рода – необратимая отпускная хрупкость (250 – 400оС), она устраняется путем нагрева до температур выше 400оС, последующий отпуск в этом интервале температур не снижает ударную вязкость (излом блестящий межкристаллитный). Этот вид отпуска обусловлен возникновением объемно-напряженного состояния в результате неоднородного распада мартенсита.

Отпускная хрупкость П рода (500 – 550оС) – возникает в том случае, когда после отпуска проводят замедленное охлаждение (излом волокнистый, характерный для вязкого излома). Этот вид хрупкости является обратимым. Она может быть устранена повторным нагревом до 600 – 650оС с последующим быстрым охлаждением.

Хрупкость этого рода связана с диффузией растворенных атомов некоторых элементов к границам зерен и насыщением поверхности этими элементами. Для устранения – дополнительное легирование молибдена и вольфрама в небольших количествах.

Старение углеродистой стали

Старение - изменение свойств, протекающее во времени без заметного изменения структуры. Известно два вида старение: термическое и деформационное.

Термическое старение протекает в результате изменения растворимости углерода в альфа-железе в зависимости от температуры.

 

ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Отжиг 1 рода

Этот отжиг проводят как при температурах выше, так и ниже температур фазовых превращений, т.к. процессы при отжиге протекают независимо от фазовых превращений.

Гомогенизация (диффузионный отжиг) применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, приводящей к повышению склонности стали к хрупкому излому, анизотропности, шиферному излому и флокенам.

Общая продолжительность этого отжига достигает 50 – 100 ч и более, длительность выдержки 8 – 20 часов. Осуществляют посад в печь горячих слитков. Крупное зерно устраняется при последующей прокатке. Фасонные отливки подвергают полному отжигу

Рекристаллизационный отжиг – нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации, обычно в пределах 650 – 700оС. При отжиге стали, кроме рекристаллизации феррита могут протекать процессы коагуляции и сфероидизации цементита, что повышает пластичность стали и обработку давлением.

Отжиг для снятия напряжений – применяют для отливок, сварных изделий, после обработки и резанием и т.д. из-за неравномерности охлаждения, неоднородной пластической деформации. Температура отжига 200 – 700оС, чаще 350 – 600оС, время выдержки несколько часов. Остаточные напряжения снимаются и при других видах отжига.



Отжиг П рода

Заключается в нагреве стали выше температур фазовых превращения, выдержке и последующего, как правило, охлаждения с печью. После отжига сталь обладает низкой твердость и прочностью, но высокой пластичностью. Отжиг – в основном, подготовительная операция, а для многих крупных отливок – окончательной термической обработкой.

Полный отжиг – нагрев доэвтектоидной стали на 30 – 50оС выше точки Ас3, выдержке и последующего медленного охлаждения. При отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали. Время нагрева на металлургических заводах составляет 100оС/ч, а продолжительность выдержки может колебаться от 0,5 до 1ч на 1,0 т нагреваемого металла. Скорость охлаждения для легированных сталей составляет 10 – 100оС/ч, а углеродистых – 150 – 200о/ч. После распада аустенита в перлитной области последующее охлаждение – на спокойном воздухе. Этому виду отжига подвергают сортовой прокат поковки и фасонные отливки.

Изотермический отжиг – в основном легированную сталь после нагрева до температуры полного отжига и выдержки переносят в другую печь с температурой ниже А1 обычно на 100 – 150оС и осуществляют изотермическую выдержку до полного распада аустенита с последующим охлаждением на воздухе. При этом уменьшается длительность отжига, структура более однородная, улучшается обработка резанием, чистота поверхности и уменьшаются деформации при последующей закалке.

Для больших садок (20 – 30т и более) этот отжиг не применим.

Неполный отжиг – в основном для заэвтектоидных сталей; для доэвтектоидных сталей этот отжиг применяют, чтобы улучшить обрабатываемость резанием.

Для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг, который часто называют сфероидизацией. Доэвтектоидные и заэвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита имеют низкую твердость, предел прочности и соответственно более высокие значения относительного удлинения и сужения; стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, а также меньшей склонностью к образованию закалочных трещин.

Высокий отпуск (низкий отжиг) – применяют в случае получения после прокатки в легированных сталях структуры сорбита, бейнита или мартенсита. Температура отжига 650 – 680оС при этом происходят процессы распада мартенсита, коагуляция и в итоге снижение твердости. Углеродистые стали подвергают высокому отпуску, когда они предназначены для обработки резанием, холодной высадке или волочению.

Нормализация – заключается в нагреве до- и заэвтектоидной стали до температуры превышающей на 50оС температуры Ас3 или Ас1 соответственно с последующим охлаждением на спокойном воздухе. При нормализации происходит полная фазовая перекристаллизация и устраняется крупнозернистая структура. При охлаждении на воздухе распад происходит при более низких температурах, чем при отжиге, что приводит к повышению дисперсности феррито-цементиной смеси и получению сорбита или троостита.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали: для низкоуглеродистой стали применяют вместо отжига, для высокоуглеродистой стали – для устранения цементитной сетки. Нормализацию с последующим высоким отпуском часто используют для исправления структур легированных сталей вместо полного отжига.

Закалка стали

Закалка заключается в нагреве стали на 30 – 50оС выше Ас3 для заэвтектоидных сталей или Ас1 для заэвтектоидных сталей с последующим охлаждением со скоростью выше критической. Для углеродистой стали охлаждение производят преимущественно в воде, а легированных сталей – в масле или других средах.

Выбор температуры закалки осуществляют исходя из содержания углерода в стали, а также легирующих элементов. Условия аустенитизации и соответственно состояние аустенита оказывают большое влияние на кинетику фазовых превращение при последующем охлаждении и конечные свойства образующихся при этом структур. Рассмотреть влияние перегрева или недогрева на свойства закаленной стали.

Продолжительность нагрева при аустенитизации должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать рост зерна аустенита и обезуглероживание поверхностных слоев стали.

Общая продолжительность нагрева: τобщ = τс.п. + τи.в.; где τс.п. – продолжительность сквозного нагрева, обусловленная формой и размером изделия, их расположением, типом печи, составом и свойствами стали и т.п.; τи.в. – продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, которая определяется только составом и исходным состоянием стали.

Продолжительность изотермической выдержки при заданной температуре для деталей машин часто принимают равной 15 – 25% от продолжительности сквозного нагрева.

Фасонный инструмент и детали машин сложной конфигурации при нагреве под закалку и для уменьшения деформации рекомендуется подогревать в печи при 400 – 600оС.

Для предотвращения изделий от окисления и обезуглероживания в рабочее пространство печи вводят защитную газовую среду (контролируемые атмосферы):

- эндотермическая атмосфера, содержащая до 21%СО, 40%Н2, 2%СН4, 37%N2; рекомендуется при нагреве под закалку и нормализацию конструкционных и инструментальных сталей. Коэффициент избытка воздуха α=0,25.

- экзотермическая атмосфера (богатая) 10%СО, 15 – 14%Н2 ,0,05 – 1,5%СН4, 68 – 72%N2, α=0,6. Может использоваться при нагреве для отжига, нормализации и закалки легированных конструкционных и легированных сталей.

- экзотермическая атмосфера (бедная) α=0,9: 2%СО, 2%Н2, 96%N2. Эту атмосферу применяют для нагрева низкоуглеродистых конструкционных и инструментальных сталей.

- диссоциированный аммиак применяют для термообработки нержавеющих и электротехнических сталей.

- технический азот, а также аргон, гелий, водород.

Охлаждающие среды для закалки должны обеспечивать получение структуры мартенсита и не вызывать закалочных трещин.

Обычно для закалки используют кипящие жидкости – воду, водные растворы солей и щелочей. Различают три периода охлаждения 1 – пленочное кипение, 2 – пузырьковое кипение, 3 – конвективный теплообмен.

Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8 – 12% водные растворы NaCl и NaOH.

Масло, как закалочная среда имеет преимущество по сравнению с охлаждением в воде.

Закаливаемость и прокаливаемость стали. Закаливаемость – способность стали при закалке получать высокую твердость, она зависит от содержания углерода, легирующие элементы оказывают слабое влияние на закаливаемость стали.

Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны вглубь металла. За глубину закаленного слоя принимают расстояния от поверхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита + 50% троостита).

Прокаливаемость стали зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, т.е. от критической скорости закалки, а именно:

- состава аустенита. Все элементы, растворимые в аустените (кроме кобальта) замедляют превращение;

- нерастворенные частицы (карбиды, оксиды, нитриды, интерметаллические включения) уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита, являясь центрами кристаллизации;

- неоднородность аустенита. Участки с более высоким содержанием углерода быстрее превращаются в перлит;

- размер зерна аустенита. Чем больше размер зерна аустенита, тем более он устойчив.

Критический диаметр (Dкр) – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе. Чем интенсивнее охлаждает закалочная среда, тем больше величина критического диаметра.

Чем выше должна быть механическая прочность детали, чем больше ее сечение, тем большее значение имеют прокаливаемость и улучшение по всему сечению. Прокаливаемость определяют методом торцевой закалки.

Внутренние напряжения. Различают три типа внутренних напряжений:

Напряжения 1 рода – зональные внутренние напряжения, уравновешивающиеся во всем изделии. Возникают при термической обработке.

Напряжения П рода возникают между различными фазами, вследствие разных коэффициентов линейного расширения этих фаз. Эти напряжения называют структурными напряжениями.

Напряжений Ш рода возникают внутри объема порядка нескольких элементарных ячеек (напр., примесные атомы, дислокации).

Все напряжения вызывают одинаковый эффект – упругие деформации и искажения кристаллической решетки.

Наиболее существенными являются напряжения первого рода, которые вызывают коробление детали, а также образование трещин в случае, когда внутренние напряжения по величине превзойдут предел прочности.

Внутренние напряжения в закаленной стали возникают вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины изделия – это тепловые напряжения; и структурные напряжения – возникают в результате мартенситного превращения, связанного с увеличением объема.

Тепловые напряжения после охлаждения изделия распределяются следующим образом: на поверхности – остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – растяжения.

В результате мартенситного превращения на поверхности образуются остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине – сжатия.

При закалке возникают одновременно два типа напряжения как тепловые, так и структурные. В зависимости от соотношения между структурными и тепловыми напряжениями могут возникнуть различные эпюры суммарных напряжений. Во многих случаях величина фазовых превращений больше тепловых. Наиболее опасны при этом растягивающие напряжения на поверхности, которые способствуют образованию трещин и снижают предел выносливости стали. Напряжения при закалке уменьшают замедлением скорости охлаждения в интервале мартенситного превращения и устранением перегрева стали.

Способы закалки:

 

1.Непрерывная закалка, т.е. в одном охладителе, которая получила наиболее широкое применение.

2. Прерывистая (в двух средах), напр., вода → масло. В воде охлаждают до температуры несколько выше Мн, а затем изделие переносят в масло.

3. Закалка с самоотпуском осуществляется путем прерывания охлаждения в закалочной среде, чтобы в сердцевине изделия сохранилось еще некоторое количество тепла, которое в результате теплообмена приводит к нагреву поверхностных слоев (самоотпуск).

 

Температуру самоотпуска определяют по цветам побежалости:

 

 

Цвет побежалости Температура, оС Толщина слоя, мкм
Соломенно-желтый 220 – 240 0,045
Оранжевый 240 – 260 0,050
Красно-фиолетовый 260 – 280 0,065
Синий 280 - 300 0,070

Эту закалку применяют для таких инструментов, как зубила, кувалды, слесарные молотки, керны, работающие с ударными нагрузками.

4. Ступенчатая закалка, нагретую сталь охлаждают в среде с температурой несколько выше температуры Мн (180 – 250оС) выдерживают в ней сравнительно короткое время, а затем охлаждают на воздухе. При этой закалке уменьшаются объемные изменения (больше количество аустенита остаточного) и возможности самоотпуска мартенсита, коробление (протекание мартенсита по всему объему) и опасность появления трещин. Ступенчатая закалка углеродистых сталей может быть применена только лишь для изделий диаметром не более 8 – 10 мм.

5. Изотермическая закалка в отличие от ступенчатой при этой закалке предусмотрена более высокая длительность выдержки выше Мн, при этом образуется структура нижнего бейнита. Применяется, в основном, для легированных сталей. Так как распад аустенита не идет до конца, то в структуре сохраняется 10 – 20% остаточного аустенита. При такой структуре достигается высокая прочность при достаточной вязкости. Применяется для изделий сложной конфигурации.

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалке применяют расплавленные соли, а также щелочи

Обработка холодом. Так как в закаленной стали, содержащей более 0,4 – 0,5% углерода всегда присутствует остаточный аустенит, снижающий твердость, износостойкость, изменяющий размеры деталей, работающих при низких температурах в результате его превращения в мартенсит.

Обработку холодом применяют для сталей , в которых температура Мк лежит ниже нуля. Понижение температуры до точки Мк (- 30) – (- 70о)С вызывает превращение остаточного аустенита, что повышает твердость сталей на 1 – 3 НRС. При этом повышаются напряжения, поэтому изделие немедленно подвергают отпуску.

Обработку холодом выполняют сразу же после закалки. Так как выдержка перед отпуском приводит к стабилизации аустенита. Применяют для измерительных инструментов, для пружин и деталей из цементуемых высоколегированных сталей, содержащих много остаточного аустенита.

Отпуск стали

Заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке и последующего охлаждения с определенной скоростью (обычно на воздухе). Отпуск – окончательная операция термообработки, в результате которого сталь получает требуемые механические свойства; кроме того полностью или частично устраняются остаточные напряжения.

Низкотемпературный (низкий) отпуск при нагреве до 250оС для снятия внутренних напряжений. При этом повышается прочность и несколько улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Применяют, в основном для режущего и измерительного инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалке, цементации, цианировании и нитроцементации. Длительность отпуска 1 – 2 часа, а для изделий больших сечений назначают более длительный отпуск. Структура после отпуска – мартенсит отпущенный. Твердость

НRС 58 - 63

Среднетемпературный (средний) отпуск при температурах 350 – 500оС. Применяется главным образом для пружин, рессор, а также штампов. Структура после отпуска – троостит отпуска, твердость НRС 40 – 50. Охлаждение после отпуска при 400 – 450оС для пружин следует проводить в воде; возникающие остаточные сжимающие напряжения увеличивают предел их выносливости.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500 – 680оС, структура стали – сорбит отпуска. При этом создается наилучшее сочетание прочности и вязкости стали. Закалка с высоким отпуском – улучшение. Высокий отпуск применяют для конструкционных среднеуглеродистых сталей (0,3 – 0,5% С), к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости.

Чаще длительность высокого отпуска составляет 1 – 6 часов в зависимости от габаритных размеров изделий. Чтобы снизить флокеночувствительноть длительность высокого отпуска увеличивают до нескольких часов.

Термомеханическая обработка стали (ТМО) – заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии с ее закалкой. Различают два основных способа ТМО.

Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) – сталь деформируют при температурах выше точки А3 в аустенитном состоянии со степенью деформации 20 – 30%. После деформации немедленная закалка во избежание развития процесса рекристаллизации. ВТМО обеспечивает большой запас пластичности и лучшую конструктивную прочность6 повышает ударную вязкость при комнатной и низки температурах, понижает порог хладноломкости и чувствительность к отпускной хрупкости. Кроме того при высоких температурах деформация протекает при меньших усилиях и является более технологичной.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) – сталь деформируют в температурной зоне существования переохлажденного аустенита в области его относительной устойчивости (400 – 600оС); температура деформации должна быть выше точки Мн, но ниже температуры рекристаллизации Степень деформации составляет обычно 75 – 95%. Закалку осуществляют сразу же после деформации. При этом одновременно с повышением прочности до 2600 – 3000МПа сохраняется достаточная пластичность.

После закалки по обеим режимам сразу же следует низкотемпературный отпуск (100 – 300оС).

НТМО можно рассматривать как холодную обработку давлением, т.к. проводится ниже температуры рекристаллизации. ВТМО обеспечивает больший запас пластичности и лучшую конструктивную прочность, повышает ударную вязкость. Снижает порог хладноломкости и чувствительность к отпускной хрупкости. ВТМО более технологичная обработка.

Дефекты, возникающие при термической обработке стали: трещины и коробление.

Трещины образуются при закалке, склонность к их образованию возрастает с увеличением содержания углерода, высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, повышением температуры закалки. Кроме того причиной образования трещин являются наличие в изделиях концентраторов напряжения. Трещины – неисправимый дефект

Деформация и коробление. Деформация обусловлена напряжениями при ТО при неравномерном охлаждении изделий. Несимметричная деформация – коробление (поводка) вызвана высокой температурой нагрева и неравномерностью нагрева, неправильным погружением деталей в закалочную жидкость и т.д.





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...