24,25. Превращения в сталях при отпуске. Виды отпуска, назначение, структура и свойства.

В процессе отпуска в закаленной стали протекают диффузионные процессы, ведущие к распаду мартенсита и остаточного аустенита.

В углеродистых сталях, при температурах 120–200 °С, уменьшается концентрация углерода в мартенсите, возникают микроучастки структуры с неоднородным распределением углерода в α-твердом растворе и образуются весьма дисперсные частицы карбидов (ε-карбид), когерентные (неразрывные) с кристаллами α-твердого раствора. Такая структура называется отпущенным мартенситом , а этот вид отпуска низким. Его осуществляют для сохранения высокой твердости необходимой инструментальным сталям.

Одновременно с превращениями в мартенсите углеродистой стали при температурах 200–300 °С происходит распад остаточного аустенита, продукты которого аналогичны структуре отпущенного мартенсита. Примерно при 350 °С мартенсит исчезает, так как степень тетрагональности решетки α-Fe становится равной единице, одновременно частицы ε-карбида теряют когерентность с α-фазой и превращается в обычный карбид железа – цементит (Fе3С). Такой вид отпуска называется средним. Полученная в результате структура состоит из ферритокарбидной смеси, сохранившей игольчатое строение, и носит название троостит отпуска. Если нужно обеспечить соотношение высокой прочности σв с высокими значениями условного предела упругости σу и ударной вязкости, стали подвергают среднетемпературному отпуску при температурах 350–500 °С. Его назначают для пружинно-рессорных и штамповых сталей.

При температурах более 500 °С наблюдаются изменения в строении ферритокарбидной смеси стали: происходит округление цементитных частиц (процесс сфероидизации) и укрупнение их размеров (процесс коагуляции). Отпуск при температурах 500–650 °С называют высоким, а полученную зернистую феррито карбидную смесь сорбитом отпуска. При этом твердость стали снижается, а возрастают показатели ударной вязкости и предела упругости. Получить хорошее сочетание достаточной прочности, вязкости и пластичности (стали для ответственных деталей машин) позволяет высокий отпуск.

26. Прокаливаемость стали. Факторы, определяющие прокаливаемость стали.

Прокаливаемость стали. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны, т. е. свойство стали закаливаться на определенную глубину от поверхности. Если, например, сверло диаметром 50 мм, изготовленное из инструментальной углеродистой стали, закалить в воде, а затем замерить твердость его в поперечном сечении, то окажется, что во внутренней зоне, расположенной вдоль оси сверла (сердцевине), твердость будет почти такой же, как до закалки, в то время как в наружной зоне, расположенной у поверхности, твердость резко повысится. Проверив затем микроструктуру, можно будет убедиться, что в сердцевине она будет перлитного типа, а у поверхности — мартенситного. Несквозная закалка объясняется неравномерным охлаждением детали при закалке: поверхность всегда охлаждается быстрее, чем сердцевина. Неравномерность охлаждения вызывается различными условиями теплоотвода у поверхности и в сердцевине. При погружении раскаленной детали в закалочную среду поверхность, соприкасаясь с холодной жидкостью, охлаждается с большой скоростью, в то время как отвод теплоты от сердцевины затруднен толщей горячего металла, и потому она охлаждается медленно. В результате скорость охлаждения поверхности оказывается выше критической, и поверхность закаливается, а скорость охлаждения сердцевины получается ниже критической, и последняя не закаливается. Очевидно, можно представить себе, что на некоторой глубине от поверхности скорость охлаждения будет равна критической. Тогда ясно, что слои металла, расположенные на большей глубине, не закалятся, а слои, расположенные на меньшей глубине, т. е. ближе к поверхности, закалятся.

Глубина проникновения закаленной зоны, т. е. прокаливаемость, зависит главным образом от химического состава стали. С повышением содержания углерода до 0,8% прокаливаемость стали повышается. Дальнейшее повышение его содержания несколько снижает прокаливаемость.

За исключением кобальта все легирующие элементы, растворенные в аустените, затрудняют его распад и, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки. В результате увеличивается прокаливаемость.

Для улучшения прокаливаемости в сталь вводят марганец, хром, никель, молибден и др. элементы. Особенно эффективно действует комплексное легирование, при котором полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается. Например, для стали с 0,4% С и 3,5% Ni критическая скорость закалки равна 150°С/с, а добавка 0,75% Мо снижает эту скорость до 4°С/с.

Те легирующие элементы, которые с углеродом могут давать химические соединения в виде карбидов (вольфрам, ванадий, титан и др.), повышают прокаливаемость только в том случае, если они при температуре закалки оказываются растворенными в аустените. Если же они будут оставаться в составе карбидов, то прокаливаемость снижается. В связи с этим с целью наиболее полного растворения карбидов и повышения благодаря этому прокаливаемости иногда значительно увеличивают температуру нагрева при закалке.

Из всего сказанного о влиянии легирующих элементов на прокаливаемость стали следуют два очень важных вывода:

1) при использовании легированных сталей можно получить сквозную прокаливаемость в деталях большого сечения, которые невозможно закалить насквозь при изготовлении их из углеродистой стали;

2) применение легированной стали вместо углеродистой позволяет снизить скорость охлаждения, необходимую для закалки, и использовать в качестве охладителя взамен воды — масло. В результате снижаются закалочные напряжения, уменьшается коробление и опасность образования трещин.

Наряду с химическим составом на прокаливаемость оказывают влияние и некоторые другие факторы: однородность аустенита, отсутствие в нем карбидов и иных примесей и включений, величина зерна и др. Чем однороднее аустенит и больше размер его зерен, тем выше будет прокаливаемость.