1. Закалка и отпуск стали. Назначение каждого процесса. Виды отпуска. Получаемые структура и свойства. Отпускная хрупкость и методы ее устранения.

Закалка – нагрев доэвтектоидной стали на 30..50°С выше А_С3, заэвтектоидной - на 30..50°С выше А_С1, выдержка и последующее охлаждение со скоростью выше критической (Рис. 38, 42). Цель закалки – получение структуры мартенсита.

Структуры сталей после закалки:

• доэвтектоидных - М+А_ОСТ,

• эвтектоидной - М+А_ОСТ,

• заэвтектоидных – М+А_ОСТ+Ц_II.

Виды отпуска	Температура, °С	Структура	Свойства	Применение
Низкий	150…250	Мотп	HRC, σв	Инструмент, подшипники, детали после ХТО и ТВЧ
Средний	350…500	Тотп	σупр, σ-1	Рессоры, пружины
Высокий	500…680	Сотп	КС	Валы, оси, шатуны

Закалка, как правило, не является окончательной термообработкой, после нее следует отпуск. Отпуск стали Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже А_С1, выдержка и охлаждение. Цель отпуска – получение окончательной структуры и свойств стали. Отпуск основан на превращениях мартенсита при нагреве (см. п. 6.3), в результате которых происходит изменение структуры и свойств стали Различают три вида отпуска (табл.3). Окончательная термообработка, назначаемая изделию для придания требуемых свойств, состоит из закалки и последующего отпуска. Закалку с низким отпуском применяют для деталей машин и инструмента, от которых требуются высокая твердость и износостойкость. Закалку с последующим средним отпуском – для изделий с повышенными упругими свойствами. Закалку с высоким отпуском (улучшение) – для деталей, работающих при повышенных динамических (ударных) и циклических нагрузках.

Отпускная хрупкость

Существуют определенные температурные интервалы отпуска, в которых снижается ударная вязкость (Рис.44). Понижение ударной вязкости при температурах отпуска называется отпускной хрупкостью.

Отпускная хрупкость I рода (необратимая) наблюдается в температурном интервале среднего отпуска (250…400°С) у всех конструкционных сталей. Её связывают с неравномерным выделением карбидов из мартенсита по границам зёрен. Хрупкость I рода устраняется нагревом до температуры выше 400°С, снижающим, однако, твердость.

Отпускная хрупкость II рода (обратимая) проявляется при температуре 500…550°С в Cr-Ni- и Cr-Mn- улучшаемых сталях. Предполагаемая причина – скопление фосфора и элементов внедрения по границам зёрен при медленном охлаждении. Хрупкость II рода устраняется повторным отпуском с быстрым охлаждением. Для предупреждения обратимой хрупкости стали легируют молибденом (0,3%) или вольфрамом (до 1%).

5. 2. Жаропрочность. Факторы, повышающие жаропрочность. Явление ползучести, характеристики ползучести. Жаропрочные стали, их состав, класс, структура, применяемая термообработка и ее цель.

Жаропрочные стали предназначены для работы под нагрузкой при высоких температурах в течение определенного времени.

При повышенных температурах в металлах развиваются процессы ползучести – нарастание деформации при постоянно действующем напряжении, что и приводит, в конечном счете, к разрушению деталей.

Жаропрочность – это способность металла сопротивляться ползучести.

Основными причинами разупрочнения сталей при высоких температурах являются:

• развитие процессов рекристаллизации;

• диффузионные процессы,

• активное перемещение дислокаций,

• скольжение границ зерен.

Повышение жаропрочности достигается:

• легированием твердого раствора тугоплавкими металлами, такими как Cr, Mo, W, V, что обеспечивает повышение температуры рекристаллизации, замедление диффузионных процессов и твердорастворное упрочнение;

• образованием в твердом растворе дисперсных частиц вторичных фаз (карбидов, нитридов, интерметаллидов), которые выделяются из пересыщенного твердого раствора в результате закалки и старения (отпуска), частицы тормозят движение дислокаций, обеспечивая дисперсионное упрочнение;

• формированием крупнозернистой структуры, что уменьшает зернограничное скольжение. Для стабилизации границ зерен применяют легирование элементами, образующими устойчивые фазы, например, бором (до 0,01%).

Таким образом, жаропрочные стали являются, как правило, многокомпонентными высоколегированными сплавами. Они также должны обладать высокой жаростойкостью и коррозионной стойкостью.

Основные группы жаропрочных сталей

Стали перлитного класса

• Котельные углеродистые стали 12К, 15К, 22К применяются для слабонагруженных деталей энергетических установок, их рабочие температуры не превышают 400°С, термообработка – нормализация.

• Низколегированные стали 12Х1МФ, 25Х2М1Ф с содержанием карбидообразующих элементов (Cr, Mo, W и V) до 3%. Термообработка - закалка + высокий отпуск обеспечивает дисперсионное твердение за счет выделения карбидов молибдена и вольфрама. Применяются в паросиловых установках с рабочими температурами до 510…550°С.

Стали мартенситного (мартенситно-ферритного) класса:

• Стали 15Х11МФБ, 18Х12ВМБФР содержат 8…13%Cr, а также W, Mo, V, Nb. После закалки и высокого отпуска формируется структура сорбита отпуска. Жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидных и интерметаллидных фаз. Применяются для деталей газовых турбин и паросиловых установок. Т_раб=580…600°С.

• Сильхромы 40Х9C2 и 40Х10С2М применяют для изготовления выпускных клапанов двигателей. Т_раб.max=650°С.

Стали аустенитного класса по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали. Различают три группы аустенитных сталей:

• Стали со структурой твердого раствора, не упрочняемые термообработкой: 10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР применяются для пароперегревателей и трубопроводов высокого давления до температур 600…700°С. Для получения однородной аустенитной структуры проводят термообработку: закалку от 1100…1150°С в воде или на воздухе.

• Стали с карбидным упрочнением 45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС содержат повышенное содержание углерода (0,3…0,5%С) и карбидообразующих элементов. В результате закалки и старения формируется структура легированного аустенита с дисперсными карбидами. Применяют для изготовления дисков, лопаток, корпусов газовых турбин и др. с рабочими температурами до 700°С.

• Стали с интерметаллидным упрочнением 10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР после закалки и старения получают структуру легированного аустенита с включениями дисперсных интерметаллидов (Ni₃Ti, Fe₃Ti и др.), когерентно связанных с решеткой γ–твердого раствора. Жаропрочность сохраняется до 750…800°С.