Углеродистые стали
Закаленная углеродистая сталь характеризуется не только высокой твердостью, но и очень большой склонностью к хрупкому разрушению. Кроме того, при закалке возникают значительные остаточные напряжения. Поэтому закалку углеродистых сталей обычно не применяют как окончательную операцию, хотя она и может сообщить стали высокую прочность (σв = 1300 – 2000 МПа). Для увеличения вязкости и уменьшения закалочных напряжений после закалки применяют отпуск.
До температуры отпуска около 100° С твердость закаленной стали или практически не меняется, или слабо (на 1–2 HRC) возрастает.
Рис. 169. Зависимость твердости углеродистых сталей разного состава от температуры отпуска (Г. В. Курдюмов)
Сл.11. С дальнейшим повышением температуры отпуска твердость плавно снижается из-за следующих причин:
1) уменьшения концентрации углерода в α- растворе;
2) нарушения когерентности на границе карбид – матрица и снятия упругих микронапряжений;
3) коагуляции карбидов и увеличения межчастичного расстояния;
4) развития возврата и рекристаллизации.
В разных температурных интервалах преобладает действие разных факторов разупрочнения в соответствии с интенсивностью развития тех или иных структурных изменений.
Обратно Сл.10.
Рис. 170. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали 45
Прочностные характеристики углеродистой стали (предел прочности, предел текучести и твердость) непрерывно уменьшаются с ростом температуры отпуска выше 300° С, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) непрерывно повышаются (рис. 170). Ударная вязкость начинает интенсивно возрастать при отпуске выше 300° С. Максимальной ударной вязкостью обладает сталь с сорбитной структурой, отпущенная при 600° С.
Сл.12. По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (120–250° С) широко применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий и после поверхностной закалки.
Цель низкого отпуска – уменьшение остаточных закалочных напряжений.
Разновидность низкого отпуска — стабилизирующий отпуск. Применяется для таких изделий, как мерительный инструмент высокого класса точности и прецизионные подшипники.
Вредное влияние остаточного аустенита устраняют, уменьшая его количество при обработке холодом.
Стабилизации мартенсита и напряженного состояния достигают низким (стабилизирующим) отпуском при 100—180 °С с выдержкой до 150 ч.
Сл.13. Средний отпуск на троостит (350–450° С) – сравнительно редкая операция. Ее используют тогда, когда необходимо сочетание высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.
Высокий отпуск на сорбит (450–650° С) широко применяют в машиностроении к изделиям из конструкционной стали, которые должны характеризоваться не только достаточной прочностью, но и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам.
Квазиэвтектоидную сорбитную структуру можно получить нормализацией непосредственно из аустенита при охлаждении стали, причем достигают твердости, равной твердости стали после высокого отпуска.
Двойная операция получения сорбита – закалка с высоким отпуском – называется улучшением. Эту операцию применяют к среднеуглеродистым сталям, содержащим от 0,35 до 0,6% С.
Такие стали называют улучшаемыми в отличие от малоуглеродистых цементуемых.
Сл.14. Легированные стали
Легирующие элементы, затрудняющие распад мартенсита и коагуляцию карбидов, смещают температурную границу начала интенсивного разупрочнения при отпуске с 200–300 до 450–550° С. Повышение красностойкости закаленной стали, т. е. способности ее сопротивляться смягчению при нагреве – одна из основных целей легирования в производстве инструмента.
Для конструкционных легированных сталей весьма важно, что специальные карбиды выделяются при высоком отпуске в более дисперсной форме, чем цементит. Это обеспечивает их повышенную вязкость.
Вторичное твердение
В сталях с добавками титана, молибдена, ванадия или вольфрама при повышении температуры отпуска после обычного разупрочнения, вызванного распадом мартенсита и коагуляцией частиц цементита, твердость возрастает (рис. 171). Это явление, обнаруживаемое после отпуска при температурах 500–600° С, называют вторичным твердением.
Рис. 171. Вторичное твердение при отпуске стали с 0,32% С и 1,36% V
Причина вторичного твердения – замена растворяющихся сравнительно грубых частиц цементита значительно более дисперсными выделениями специального карбида (TiC, V4C3, Мо2С или W2C).
В молибденовых и вольфрамовых сталях в последовательности карбидных превращений Fe3C –>Ме2С –> Ме23С6 –>максимум вторичного твердения соответствует стадии выделения дисперсных частиц Ме2С и Ме23С6.
Коагуляция этих частиц приводит к снижению твердости. Частицы карбида Ме6С сразу образуются в сравнительно грубой форме и не приводят к упрочнению.
Весьма важно, что во время вторичного твердения параллельно с ростом предела текучести увеличивается и вязкость из-за растворения сравнительно грубых частиц цементита.