Влияние легирующих элементов

 

На диффузионные процессы, происходящие при отпуске закаленной стали, оказывают существенное влияние легирующие элементы. Они не только сами обладают малой диффузионной подвижностью, но и уменьшают диффузионную подвижность атомов железа, углерода и дефектов кристаллической решетки.

На процесс образования промежуточных карбидов и на обеднение вокруг них участков мартенсита, т.е. на процесс двухфазного распада, легирующие элементы существенного влияния не оказывают.

 

На вторую стадию распада мартенсита легирующие элементы могут существенно влиять, сохраняя пересыщенность мартенсита и замедляя рост карбидных частиц.

 

В углеродистой стали после отпуска при температуре 300°С тетрагональность a–раствора почти полностью исчезает. При содержании в a-растворе:

– 2.0% молибдена температура распада мартенсита повышается на 100°С;

 

– при легировании 1,9% V и 1,4% Ti температура распада повышается на 150°С;

 

– при совместном легировании хромом и вольфрамом – на 200°С;

 

– значительно задерживают распад мартенсита кобальт и кремний.

 

Легирующие элементы особенно значительно влияют на процесс коагуляции карбидов при температурах выше 450°С.

 

При значительном легировании стали карбидообразующими элементами (Сr, W, Мо, V) возможно образование специальных карбидов (М₂₃С₆, М₇С₃, М₂С). Специальные карбиды значительно дисперснее, чем цементит, поэтому выделение их является главное причиной появления вторичной твердости при отпуске.

 

Большинство легирующих элементов повышают температурную область распада остаточного аустенита до 500-600°С.

 

В высоколегированных сталях (высокохромистых, быстрорежущих) распад остаточного аустенита происходит не при температуре отпуска, а во время охлаждения. Причиной этого является выделение карбидов вo время выдержки при температуре отпуска, в результате чего устойчивость аустенита и температура мартенситного превращения понижаются. Поэтому распад остаточного аустенита происходит во время охлаждения до комнатной температуры. Продуктом распада является мартенсит.

 

Таким образом, в зависимости от температуры нагрева в процессе отпуска формируются следующие структуры: отпущенный мартенсит, троостит и сорбит отпуска; при атом соответственно изменяются механические свойства стали (рис. 27).

 

Рис. 27. Механические свойства стали 40 в зависимости от температуры отпуска

 

Как видно из рис. 27, с повышением температуры отпуска предел прочности и твердость понижаются, а пластичность и ударная вязкость повышаются.

 

В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к изделиям, применяют следующие виды отпуска:

– низкий;

 

– средний;

 

– высокий.

 

Низкий отпуск – нагрев закаленной стали до 150–200°С. Время выдержки при этом рекомендуется 2,0 – 3,0 ч. Выдержка должна обеспечить получение стабильной структуры для данной температуры отпуска.

 

Низкий отпуск применяется для частичного снятия внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности стали без заметного снижения твердости. Этому виду отпуска подвергают детали, для которых требуется высокая твердость и износоустойчивость (измерительный и режущий инструмент, изделия из цементуемых сталей).

 

Структура стали – отпущенный мартенсит, твердость которого лежит в пределах HRC 56‑64.

 

Средний отпуск ‑ нагрев закаленной стали до 300‑400°С. Время выдержки рекомендуется 1,0‑2,0 ч. При этом отпуске обеспечивается относительно высокая твердость изделия HRC 40‑45 и максимальный предел упругости при достаточном пределе прочности. Этот вид отпуска чаще всего применяют при изготовлении рессор и пружин.

 

После среднего отпуска получают структуру троостита отпуска.

 

Высокий отпуск – нагрев закаленной стали до 500‑600°С. Время выдержки рекомендуется 0,5‑1 ч. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска, твердость HRC 30‑32. Высокий отпуск обеспечивает более полное снятие напряжений и дает наилучшее сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости. Этот отпуск применяют при изготовлении шатунов, ответственных крепежных изделий и деталей машин, изготовляемых из конструкционных сталей.

 

Двойная термическая обработка, состоящая в закалке с последующим высоким отпуском, существенно улучшающая общий комплекс механических свойств, является основным видом термической обработки, конструкционных сталей и называется улучшением.

 

Отпуск некоторых легированных сталей при температурах 250–400°С и 500–650°С может снизить ударную вязкость (рис. 28). Такое снижение вязкости получило название отпускной хрупкости. Первый вид отпускной хрупкости, называемой отпускной хрупкостью первого рода, наблюдается в результате отпуска при температуре 250–400⁰С.

 

Рис. 28. Изменение ударной вязкости легированной стали от температуры отпуска: 1 – при быстром охлаждении; 2 – при медленном охлаждении

 

Причиной отпускной хрупкости первого родаявляется распад мартенсита с неоднородным выделением карбидов по границам и в объеме зерна; больше карбидов выделяется в пограничных слоях, что и вызывает хрупкое разрушение с характерным межкристаллитным изломом по границам бывших аустенитных зерен. Отличительной особенностью хрупкости первого рода является ее необратимый характер; повторный отпуск при этой же температуре не улучшает вязкости.

 

При увеличении температуры выше 400°С распад мартенсита распространяется и в глубь зерна, в результате чего структура выравнивается и хрупкость устраняется, но при этом снижается твердость. Повторный нагрев при 250–400°С отпускной хрупкости не вызывает. Кроме легированных сталей, отпускная хрупкость первого рода свойственна и углеродистым сталям.

 

Отпускная хрупкость второго рода при температуре 500–650°С возникает только в том случае, если охлаждение после нагрева – медленное (в печи или на воздухе). Причиной хрупкости является выделение по границам зерен каких-либо фаз (фосфидов, карбидов, нитридов и др.). При быстром охлаждении после нагрева (в воде или масле) эти фазы выделиться не успевают и хрупкости не наблюдается. Характерной особенностью отпускной хрупкости второго рода является ее обратимость. Хрупкость, возникшая в результате медленного охлаждения с температур 500–650°С, может быть устранена повторным отпуском с последующим быстрым охлаждением или может быть вызвана вновь дополнительным отпуском определенной длительности при температуре 500–550°С.

 

Наиболее восприимчивы к отпускной хрупкости второго рода стали, содержащие повышенное количество фосфора или марганца, а также хромомарганцевые и хромоникелевые стали. Введение в сталь небольшого количества молибдена (0,2–0,3%) или вольфрама (0,5–0,7%) значительно уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости второго рода.