Технология ТО / 5_ОТПУСК Технология

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОТПУСКА

Сл.2. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск (120...250 °С) используется при термической обработке высокопрочных конструкционных сталей, инструментальных сталей, изделий после цементации, нитроцементации и поверхностной закалки. При таком отпуске формируется структура отпущенного мартенсита. Низкий отпуск позволяет снизить уровень остаточных напряжений, возникающих при закалке, и одновременно сохранить высокую твердость. При низком отпуске происходит некоторое повышение пластичности и ударной вязкости. Но, как правило, низкоотпущенные изделия не выдерживают значительных динамических нагрузок.

Средний отпуск (350...450 °С), при котором образуется структура троостита, применяется в основном для рессорно-пружинных сталей, так как обеспечивает высокие значения пределов упругости и выносливости. При этом на достаточно высоком уровне сохраняются твердость, пределы текучести и прочности при умеренных пластичности и вязкости. Выбирая режим среднего отпуска, следует избегать температурного интервала развития необратимой отпускной хрупкости.

Сл.3. Высокий отпуск (500...670 °С) широко используется для различных изделий из конструкционных сталей, которые должны сочетать повышенный уровень прочности с высокой пластичностью и вязкостью. Высокоотпущенные стали хорошо противостоят динамическим нагрузкам. Термическая обработка, включающая закалку и высокий отпуск, называется улучшением. После улучшения сталь имеет структуру сорбита отпуска.

Отметим, что важным условием достижения оптимальных свойств улучшаемых сталей является их полная прокаливаемость с получением мартенситной структуры. При неполной прокаливаемости образование во время охлаждения при закалке немартенситных продуктов распада переохлажденного аустенита (за исключения нижнего бейнита) вызывает в высокоотпущенном состоянии ухудшение комплекса механических свойств внутренних слоев изделий.

Высокий отпуск наиболее полно снимает остаточные закалочные напряжения. Но окончательный уровень внутренних напряжений зависит от условий охлаждения после отпуска. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения.

Изделия несложной формы обычно охлаждают на воздухе. Но если сталь склонна к обратимой отпускной хрупкости, то охлаждение после окончания отпуска должно быть ускоренным. Относительно небольшие изделия после высокого отпуска часто охлаждают в воде. Охлаждение крупных изделий может проводиться по сложному режиму: после ускоренного охлаждения до 350...400 °С следуют выдержка для релаксации термических напряжений и последующее замедленное охлаждение. После высокого отпуска с ускоренным охлаждением в целях уменьшения внутренних напряжений иногда осуществляют еще один дополнительный отпуск с нагревом до 400°С, т. е. ниже температурного интервала развития обратимой отпускной хрупкости.

Сл.4. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ СО СТРУКТУРОЙ ОТПУЩЕННОГО МАРТЕНСИТА

Высокопрочные материалы используются для изготовления ответственных деталей и конструкций, работающих в условиях нагружения при больших удельных нагрузках, и должны обладать высокими значениями пределов текучести и прочности, повышенной циклической выносливостью, достаточной пластичностью и вязкостью. В качестве таких материалов нашли применение закаленные на мартенсит стали после низкого отпуска, хотя они и имеют повышенную склонность к хрупким разрушениям. Как показали многочисленные исследования, оптимальное сочетание их механических свойств достигается при следующей структуре.

1. Мартенсит должен иметь реечное строение. Наличие в закаленной стали двойникованного мартенсита приводит к значительному снижению вязкости разрушения. Напомним, что структура реечного мартенсита формируется в сталях, в которых точка М_н лежит при температурах порядка 350 °С, чему соответствует содержание углерода не более 0.4 %.

2. Остаточный аустенит должен находиться в виде тонких прослоек между рейками мартенсита. В этом случае, являясь вязкой составляющей, он эффективно тормозит хрупкое распространение трещин.

3. Желательно чтобы в процессе отпуска или самоотпуска не происходила сильная локализация выделений на границах зерен и мартенситных кристаллов, что вызывает охрупчивание стали.

Указанные особенности структуры можно реализовать на средней легированных сталях с 0.3...0.4% С, которые чаще всего и используются как высокопрочный материал. Применение сталей с 0,3%С (30ХГСА, 30ХГСНМА и др.) позволяет получить предел прочности порядка 1600... 1800 МПа. При содержании углерода около 0,4% С (38ХС, 40ХГСН3ВА) достигается предел прочности, равный 1900...2100 МПа.

Повышение прочности низкоотпущенных сталей путем увеличения в них содержания углерода более 0.4 % неприемлемо, так как при этом резко возрастам склонность к хрупким разрушениям. Стали становятся чувствительны к концентраторам напряжений — острым надрезам и трещинам Последние могут возникать при изготовлении деталей и в процессе их эксплуатации.

При использовании высокопрочных сталей со структурой отпущенного мартенсита необходимо учитывать следующие их особенности, повышающие вероятность преждевременных разрушений. Стали непосредственно после закалки склонны к замедленном разрушению.

Сл.5. Кроме того, высокопрочные стали чувствительны к водородному охрупчиванию и коррозионному растрескиванию.

Водородное охрупчивание во время пребывания сталей под внешней нагрузкой может быть вызвано водородом, растворенным в стали. Наводороживание возможно при некоторых технологических операциях, например в процессе травления или нанесения гальванических покрытий.

Абсорбированный металлом водород может находиться непосредственно в решетке, при этом происходит его диффузия в зоны, где имеются растягивающие напряжения. Около дислокаций водород образует атмосферы Коттрелла. Водород также накапливается на границах зерен и около межфазных границ матрицы и крупных некогерентных выделений. Кроме того, он адсорбируется на поверхностях микронесплошностей, а также скапливается в микропорах в молекулярной форме.

Охрупчивание в основном связано с растворенным водородом. Это обусловлено тем, что водород ослабляет межатомные связи и уменьшает когезивную прочность решетки.

Сл.6. Под коррозионным растрескиванием понимают разрушение, происходящее при совместном действии агрессивной среды и растягивающих напряжений (внешних или остаточных внутренних) и имеющее макрохрупкий характер. Коррозионное растрескивание высокопрочных сталей наблюдается в кислотах, щелочах и растворах солей. Обычно разрушение начинается от локализованных коррозионных поражений на поверхности металла. Возникающая трещина начинает медленно расти вглубь металла, пока не достигнет определенного критического размера. Далее наступает стадия быстрого разрушения.

Механизм коррозионного растрескивания имеет различный характер в зависимости от природы системы металл – среда, а также уровня напряжений. Можно выделить две основные теории, объясняющие общие принципы коррозионного растрескивания. Одна из них (электрохимическая) связывает коррозионное растрескивание с анодным растворением металла в устье трещины. Согласно другой (адсорбционной), растрескивание обусловлено понижением поверхностной энергии металла в результате адсорбции атомов и ионов из окружающей агрессивной среды.

Сл.7. На склонность высокопрочных сталей к водородной хрупкости и коррозионному растрескиванию влияет режим отпуска. Повышение температуры отпуска и уменьшение предела прочности сопровождается увеличением сопротивления этим видам охрупчивания.

Эффективным способом снижения склонности к рассматриваемым видам хрупкости является уменьшение размеров аустенитного зерна и, следовательно, размеров пакетов и реек мартенсита. Сопротивление водородному охрупчиванию и коррозионному растрескиванию можно увеличить, используя методы поверхностного наклепа (например, пескоструйную обработку), обеспечивающие создание в поверхностном слое изделия сжимающих остаточных напряжений.

Из сказанного следует, что при выборе высокопрочных сталей для изготовления тех или иных деталей и конструкций нельзя ограничиваться оценкой только обычных свойств. Необходим комплексный анализ, включающий определение трещиностойкости, склонности к замедленному разрушению, водородной хрупкости и коррозионному растрескиванию.

Сл.8. Один из способов улучшения комплекса механических свойств сталей со структурой отпущенного мартенсита – отпуск под напряжением. Склонность к хрупкому разрушению сталей, находящихся в высокопрочном состоянии, в значительной мере зависит от уровня внутренних микронапряжений и характера их распределения в металле. В структуре отпущенного мартенсита существуют или возникают при приложении внешней нагрузки локальные, “пиковые” напряжения, значительно превышающие средний уровень. Эти напряжения могут приводить к зарождению и развитию трещин. Уменьшения микронапряжений можно добиться путем повышения температуры отпуска, но в этом случае снижается прочность. Использование отпуска под напряжением позволяет добиться того же эффекта при сохранении высокопрочного состояния.

Известно, что релаксация напряжений может развиваться во время выдержки под нагрузкой при напряжениях ниже макроскопического предела текучести. При этом она происходит прежде всего в местах действия локальных, “пиковых” напряжений и осуществляется путем микроскопических сдвигов. В результате возникают более однородное распределение напряжений в стали под нагрузкой и более однородная дислокационная структура, что приводит к повышению сопротивления малым пластическим деформациям и хрупкому разрушению. Процесс сглаживания локальных, “пиковых” напряжений путем микропластических сдвигов облегчается в случае нагружения при повышенных температурах, когда возрастает подвижность дислокаций.

Этот эффект и используется при отпуске под напряжением. Такую обработку можно проводить как непосредственно после закалки, так и после предварительного отпуска. Сталь нагревают на заданную температуру отпуска и медленно со скоростями порядка 10^-3…10^-4 с^-1 нагружают до напряжений, равных 0.5...0.7 σ_0,2, затем следуют снятие нагрузки и охлаждение металла.

В результате отпуска под напряжением предел пропорциональности σ_0,02 и предел текучести σ_0,2 увеличиваются на 200...400 МПа, причем предел прочности и характеристики пластичности остаются практически неизменны. Кроме того, после такой обработки наблюдается рост сопротивления хрупкому разрушению, что, в частности проявляется в снижении температуры вязкохрупкого перехода при динамическом нагружении. Отпуск под напряжением приводит также к снижению склонности низкоотпущенных сталей к коррозионному растрескиванию.

4