Отпускная хрупкость стали

Отпуск стали: виды и характеристика, особенности технологии и отпускная хрупкость, термообработка сплавов

Отпуском металла называется технологический процесс термообработки закалённого стального сплава.

Он даёт возможность завершить фазовые превращения в микроструктуре (мартенсите), которая приобретает наиболее устойчивое состояние.

Дело в том, что в процессе закалки в металле возникают внутренние напряжения — осевые, радиальные, тангенциальные.

Чтобы устранить их негативные последствия такие как хрупкость и низкая пластичность, изделия нагревают в печах при различных температурах (от 250 °C до 650 °C), выдерживают заданное время (от 15 минут до 1,5 часа), а потом медленно охлаждают.

Комплекс этих мероприятий приводит к выделению лишнего углерода, перестройке и упорядочиванию структуры металла, устранению дефектов его кристаллического строения.

Обработанные материалы приобретают заданный комплекс механических свойств, среди которых основные — увеличение пластичности и снижение хрупкости при сохранении достаточного уровня прочности.

Виды отпуска стали

1. Низкий.
2. Средний.
3. Высокий.

Понятие низкого отпуска.

Для снижения внутренних напряжений низкий отпуск стали обычно проводят нагреванием до 250 °C в течение от 1 до 2,5 часа.

Из металла в процессе диффузии выделяется часть излишков углерода, из них образуются карбидные частицы в виде пластин и стержней.

Неравновесная структура мартенсита закалки превращается в равновесный отпущенный мартенсит.

Этим достигается стабилизация размеров изделий, повышаются вязкость и прочность, а показатели твёрдости практически не изменяются.

Особенности среднего отпуска.

Он проводится при температурах от 350 °C до 500 °C и обеспечивает высокую упругость и релаксационную стойкость.

Из стали выделяется весь избыточный углерод, а карбид переходит в цементит.

Мартенсит уже полностью разложился, а перестройка структуры металла (полигонизация) и её совершенствование (рекристаллизация) ещё не начались.

Новая комбинация называется троостомартенсит и характеризуется ускорением процессов диффузии. Кристаллическая решётка сплава при этом превращается в кубическую, а внутренние напряжения ещё больше уменьшаются.

Охлаждение металла осуществляют в воде, что тоже увеличивает предел выносливости. Среднетемпературный отпуск необходим при производстве упругих деталей: рессор, ударного инструмента и пружин.

Технология высокого отпуска.

При температурах свыше 500 °C в углеродистых сплавах происходят структурные преобразования, которые уже не относятся к фазовым превращениям.

Претерпевают изменения конфигурация и габариты частиц кристаллов, их зёрна укрупняются, а форма стремится к равноосной.

Она считается наиболее эффективной, так как достигается идеальное сочетание вязкости, пластичности и прочности сплава. Однако несколько снижается твёрдость, поэтому не приходится надеяться на улучшение износостойкости.

Продолжительность высокого отпуска варьируется в пределах от 1 до 6 часов и зависит от размеров зубчатых передач, опор, коленчатых валов, втулок, болтов и винтов, изготовленных из конструкционных и среднеуглеродистых сталей. Эти изделия в процессе эксплуатации воспринимают ударные нагрузки и работают на сжатие, растяжение и изгиб, а к их прочности, выносливости, текучести и ударной вязкости предъявляются особые требования.

Явление отпускной хрупкости

Изучая сущность процесса, можно было бы сделать вывод, что при любом увеличении температуры отпуска станет повышаться и ударная вязкость.

Но при обработке стальных сплавов в определённых температурных интервалах возникает внезапное падение ударной вязкости без изменения прочих механических характеристик.

Это явление обозначается термином «отпускная хрупкость» и объясняется следующим образом:

1. Отпускная хрупкость Ι рода — необратимый процесс. При температурах от 250 °C до 300 °C карбиды из мартенсита начинают выделяться неравномерно, что приводит к резкому различию прочности на поверхности зёрен кристаллов и внутри их. Этому подвержены все виды стальных сплавов вне зависимости от состава и скорости охлаждения по окончании отпуска. Это явление невозможно устранить и для его предотвращения стараются просто не выполнять обработку при данных температурах.
2. Отпускная хрупкость ΙΙ рода — обратимый процесс. Возникает при замедлении охлаждения некоторых легированных хромом, марганцем и никелем сталей, которые отпускались при температурах выше 500 °C. Причиной опять является выделение и диффузное перераспределение карбидов, а также фосфидов и нитридов. Чтобы подавить развитие обратимой хрупкости, применяют повторный отпуск с масляным охлаждением, при этом скорость последнего должна быть как можно более высокой. Добавки в легированную сталь до 1% вольфрама или до 0,3% молибдена тоже помогают решить эту проблему. Интересно, что если во время эксплуатации детали будут снова подвергаться нагреву до температуры выше 500 °C, отпускная хрупкость возникнет повторно, почему она и получила название обратимой.

Практически для всех металлов справедливо утверждение: с повышением температуры отпуска снижается прочность и увеличивается пластичность.

Исключение составляют только быстрорежущие стали, применяющиеся в производстве инструментов.

Для обеспечения лучших характеристик теплостойкости и износостойкости их легируют карбидообразующими элементами: молибденом, кобальтом, вольфрамом и ванадием.

Теплопроводности самого железа и легирующих его элементов значительно различаются, поэтому для предотвращения деформации и растрескивания при нагреве следует выполнять температурные паузы. Это происходит при достижении 800 °C и 1050 °C, а для больших предметов первый интервал назначают при температуре 600 °C. Длительность остановки лежит в пределах от 5 до 20 минут, что позволяет обеспечить наилучшие условия для растворения карбидов. Охлаждение чаще всего проводят в масле.

Существенно уменьшить деформацию позволяет ступенчатая термообработка стали в расплавах солей, где закалка выполняется при температуре около 500 °C.

Для увеличения твёрдости изделий далее следует двукратный отпуск при 570 °C.

Длительность процесса составляет 1 час, а на его режим влияют химические свойства легирующих элементов и температура, определяющая скорость выделения карбидов.

Источник: https://tokar.guru/metally/stal/osobennosti-i-vidy-otpuska-stali-kak-sposoba-termoobrabotki-metalla.html

Отпускная хрупкость металла

/ Статьи / Отпускная хрупкость металла

Большая часть известных сортов стали обладают отпускной хрупкостью – особым состоянием сплава, характеризующимся невысоким значением ударной вязкости. При нормальных условиях это свойство не способно оказывать влияние на прочие механические свойства материала.

На схеме представлено наглядное изображение зависимости температуры отпуска от значений ударной вязкости закаленной стали, которая характеризуется повышенной склонностью к нахождению в состоянии отпускной хрупкости. Большинство подобных материалов обладают двумя интервалами отпускной хрупкости. В процессе отпуска в диапазоне от 250oC до 400oC фиксируется необратимая хрупкость, а в интервале от 450oC до 650oC – обратимая.

Корреляция отпускной температуры и ударной вязкости

На схеме, расположенной ниже, представлена зависимость влияния значений отпускной температуры на ударную вязкость материала, обладающим определенной склонностью к отпускной хрупкости.

1- Процесс охлаждения осуществляют с большой скоростью,

2- Процесс охлаждения проводят постепенно, с небольшой скоростью.

Ударная вязкость различных типов стали по завершении отпуска в температурном интервале от 250oC до 400oC несколько ниже, чем во время отпуска при температурах меньших, чем 250oC.

Если при нагревании хрупкой стали, отпущенной в интервале от 250oC до 400oC, до температуры, превышающей 400oC, перевести ее в вязкое состояние, то процесс вторичного отпуска в интервале 250oC – 400oC не повлияет на значение ударной вязкости.

Подобная хрупкость является характерной для всех сталей, но в различной степени.

Именно по этой причине средний отпуск сталей не принято использовать на практике, однако именно этот показатель способен обеспечить большое значение предела текучести.

Причины явления

Одной из главных причин такого явления, как необратимая отпускная хрупкость, можно назвать карбидообразование.

Под этим термином подразумевают процесс, который происходит при разложении мартенсита: формирование карбидной пленки на зерновых границах.

Эти пленки сами по себе исчезают в ходе нагревания до высокой температуры, при этом вторичный нагрев до 250oC до 400oC не приводит к их возникновению вновь.

Кремний, присутствующий в составе некоторых сталей, способствует ингибированию процесса разложения мартенсита.

Ударная вязкость большинства из типов закаленных сталей после высокого отпуска в диапазоне температур от 450oC до 650oC может варьироваться в зависимости от того, насколько быстро протекает процесс охлаждения.

При постепенном остывании с температуры отпуска значение ударной вязкости большинства типов закаленных сталей становится ниже, по сравнению с тем значением, которое наблюдается по завершении быстрого охлаждения.

Появление отпускной хрупкости, наблюдаемой по причине медленного охлаждения при высоком отпуске, ликвидируется путем повторения высокого отпуска, однако, прибегая уже к скоростному охлаждению. Сократить ударную вязкость материала можно и повторно, при осуществлении очередного высокого отпуска, при этом скорость охлаждения должна быть несколько ниже, чем на предшествующей стадии.

Последней благоприятствуют некоторые элементы, в число которых входят фосфор, марганец, воздействие хрома несколько слабее.

Хромсодержащая сталь, не имеющая в своем составе прочих добавок, является маловосприимчивой к отпускной хрупкости.

Добавление к материалу марганца, никеля или кремния способствует резкому увеличению ее восприимчивости к отпускной хрупкости. В частности, никель не способен самостоятельно вызывать отпускную хрупкость, однако, действуя в тандеме с хромом или марганцем, способствуют возникновению данного явления.

Добавки молибдена, вольфрама способствуют уменьшению склонности материала к проявлению отпускной хрупкости. Наибольшей эффективностью обладает именно молибден, даже в небольших количествах (около 0.2% по массе).

Теория «растворения-выделения»

Поскольку при создании конструкционных сталей прибегают к серьезным улучшениям, то обратимая отпускная хрупкость представляет собой довольно большую трудность, возникающей на пути у производителя. О причинах возникновения явления обратимой хрупкости существует целый ряд всевозможных теорий на данный счет.

Довольно долго огромное количество ученых следовало предположению о «растворении — выделении».

Согласно этой теории, ударная вязкость сокращается вследствие возникновения по зерновым границам каких-либо посторонних фаз, в число которых входят фосфиды, карбиды и прочие химические соединения. После нагрева материала до температуры, соответствующей высокому отпуску, данные фазы начинают медленный переход в раствор, а постепенное охлаждение способствует выделению их из него, в результате чего сталь теряет свои прочностные характеристики.

Быстрое охлаждение материала с температуры отпуска позволяет предотвратить формирование новых фаз, способствующих уменьшению хрупкой прочности. Кроме того, теория «растворения — выделения» может объяснить и обратимый характер, который носит отпускная хрупкость.

Невысокая устойчивость к некоторым химическим веществам этих самых зон является подтверждением того факта, что постепенное охлаждение от температуры высокого отпуска приводит к возникновению различных структурных изменений.

В частности, фиксируется сокращение ударной вязкости, однако значение иных механических характеристик, которые измеряются в условиях комнатной температуры, остается без изменений.

Подобные наблюдения могут быть объяснены тем, что ударная вязкость представляет собой характеристику, сильно зависящую от структуры материала, являющейся очень чувствительной к тому состоянию, в котором находятся границы зерен.

По мнению Л. М.

Например, заполнение вышеупомянутых зон фосфором стимулирует снижение работы формирования расколов между зернами, что становится результатом развития отпускной хрупкости.

• Конструкционная сталь
• Инструментальная сталь
• Магнитная сталь

Источник: https://resursmsk.ru/otpusknaya-khrupkost-metalla

Отпуск сталей

Отпуск — это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температур ниже точки Ас1, c целью получения равновесной структуры и заданного комплекса механических свойств.

После закалки сталь имеет структуру на основе мартенсита с тетрагональной искаженной кристаллической решеткой и остаточного аустенита, количество которого зависит от химического состава стали. При нагреве закаленной стали в ее структуре происходят фазовые превращения, которые можно показать в виде схемы.

Схема фазовых превращений при отпуске сталей

Низкий отпуск сталей

Низкий отпуск стали делают при температуре до 250°С. При этом процессе из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц (ε-карбидов).

ε-карбиды выделяются в виде пластин или стержней и они когерентно связаны с решеткой мартенсита.

Распад остаточного аустенита при низком отпуске происходит по механизму бейнитного превращения: образуется гетерогенная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов.

При температуре около 250°С начинается превращение карбида в цементит; при этом когерентность решеток α-твердого раствора мартенсита и карбидов нарушается.

Низкому отпуску подвергают инструментальные железоуглеродистые материалы (режущий и мерительный инструмент), а также стали, которые подвергались цементации, нитроцементации. Часто низкий отпуск делают для сталей после термообработки токами высокой частоты.

Средний отпуск

Средний отпуск проводится при температурах 350–400 °С. При этом из мартенсита выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц.

Тетрагональность (степень тетрагональности) решетки железа уменьшается, она становится кубической. В результате вместо мартенсита остается феррит.

Такая феррито-цементитная смесь называется трооститом отпуска, а процесс, приводящий к таким изменениям, среднетемпературным отпуском.

 При среднем отпуске снижается плотность дислокаций и уменьшаются внутренние напряжения в стали.

Средний отпуск применяется при термообработке упругих деталей: рессор, пружин и др.

Высокий отпуск

Во время высокого отпуск (450-550°С и выше) в углеродистых сталях происходят изменения структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяются форма, размер карбидов и структура феррита. С повышением температуры происходит коагуляция – укрупнение частиц цементита. Форма кристаллов постепенно становится сферической – этот процесс называется сфероидизацией.

Коагуляция и сфероидизация карбидов начинают происходить более интенсивно с температуры 400°С. Зерна феррита становятся крупными, и их форма приближается к равноосной.

Феррито-карбидная смесь, которая образуется после отпуска при температуре 400–600 °С, называется сорбитом отпуска.

Высокий отпуск с температур 450-550°С применяется для большинства конструкционных сталей.

Его широко используют при термообработке различных втулок, опор, крепежных изделий, работающих на растяжение-сжатие и других изделий, которые испытывают статические нагрузки.

Отпуск быстрорежущих инструментальных сталей

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей (Р18, Р6М5 и др.

) являются вольфрам, молибден, кобальт и ванадий — элементы, обеспечивающие теплостойкость и износостойкость при эксплуатации. Быстрорежущие стали относятся к карбидному (ледебуритному) классу.

Под закалку эти стали нагревают до температуры выше 1200°С (Р18 до температуры 1270°С, Р6М5 — до 1220°С).

 Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения вторичных карбидов и получения аустенита высоколегированного хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием.

Это обеспечивает получение после закалки теплостойкого мартенсита. Даже при очень высоком нагреве растворяется только часть карбидов. Для этих сталей характерно сохранение мелкого зерна при высоких температурах нагрева.

Железо и легирующие элементы «быстрорезов» имеют сильно отличающиеся свойства теплопроводности, поэтому при нагреве, для избежания трещин, следует делать температурные остановки.

Обычно при 800 и 1050°С. При нагреве крупного инструмента первую выдержку делают при 600°С. Время выдержки составляет 5-20 мин.

Выдержка при температуре закалки должна обеспечить растворение карбидов в пределе их возможной растворимости. Охлаждение инструмента чаще всего делают в масле.

Для уменьшения деформации применяют ступенчатую закалку в расплавах солей с температурой 400-500°С.

Чем выше температура закалки, тем ниже положение точек Мн, Мк и тем больше остаточного аустенита. В стали Р18 присутствует примерно 25-30% остаточного аустенита, в стали Р6М5 — 28-34%. Для уменьшения аустенита можно сделать обработку холодом, но как правило этого не требуется.

После закалки следует отпуск при 550 — 570°С, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение за счет частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов легирующих элементов.

Это сопровождается увеличением твердости (вторичная твердость).

В процессе выдержки при отпуске из остаточного аустенита выделяются карбиды, что уменьшает его легированность, и поэтому при последующем охлаждении он претерпевает мартенситное превращение (Мн~150°С).

При назначении режима нужно учитывать химические свойства элементов и периодичность выделения карбидов в зависимости от температуры. Например максимальная твердость стали Р6М5 получается за счет 3-х стадийного отпуска.

Первый отпуск при температуре 350°С, последующие два при температуре 560-570°С. При температуре 350°С выделяются частицы цементита, равномерно распределенные в стали. Это способствует однородному выделению и распределению спецкарбидов М6С при температуре 560-570°С.

Источник: https://HeatTreatment.ru/otpusk-stalej