При среднем отпуске углеродистых сталей мартенсит превращается в

Обновлено: 04.05.2024

Мартенсит является неравновесной структурой. Он стремится перейти в более устойчивое состояние за счет уменьшения концентрации углерода и выделения цементита. Такое превращение мартенсита приводит к образованию смеси кристалликов цементита и твердого раствора а (феррита).

Превращение мартенсита при отпуске является процессом диффузионным. Оно связано с подвижностью атомов углерода и железа в пространственной решетке твердого раствора, и поэтому весьма сильно зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше подвижность атомов, тем быстрее и полнее осуществляется распад мартенсита, тем более дифференцированной получается механическая смесь кристалликов цементита и твердого раствора а.

Тетрагональный мартенсит вследствие чрезмерно низкой пластичности и вязкости не может рассматриваться в качестве рабочей структуры. Детали и инструменты со структурой свежезакаленного мартенсита разрушаются при эксплуатации вследствие хрупкости. Поэтому изделия с такой структурой необходимо непосредственно после закалки подвергать отпуску.

Отпуском называют нагрев закаленной стали до температур не выше точки А, с целью получения степени распада мартенсита, обеспечивающей правильное сочетание желательной твердости и прочности с достаточной пластичностью и вязкостью. Температура отпуска выбирается в зависимости от требуемого комплекса механических свойств.

Практические температуры отпуска выбираются в пределах от 150 до 650°.

Наиболее часто применяют следующие виды отпуска:
а) низкий отпуск при температурах 150—300° на кубический мартенсит;
б) средний отпуск при температурах 350—450° на тростит;
в) высокий отпуск при температурах 550—650° на сорбит.

Низкий отпуск при температуре 150° сравнительно мало влияет на структуру свежезакаленного мартенсита, так как выделение углерода протекает в этих условиях относительно медленно. Назначение такого отпуска состоит в уменьшении остаточных напряжений, возникающих в стали при закалке.

Кубический мартенсит сохраняет высокую твердость, но приобретает большую вязкость и пластичность по сравнению с тетрагональным мартенситом.

Дальнейшее повышение температуры отпуска ведет к еще большему понижению концентрации углерода в твердом растворе а. Отпуск при температуре 200—300° оставляет в твердом растворе а 0,2% углерода. Одновременно в этом интервале температур протекает распад остаточного аустенита, превращающегося сразу в кубический мартенсит. Степень тетрагональности кубического мартенсита, содержащего 0,2% углерода, составляет 1,01.

При среднем отпуске на температуру примерно 400° твердый раствор а обедняется до содержания углерода ~0,025%,т.е. превращается в феррит. Этот момент интересен еще тем, что с образованием феррита нарушается так называемая когерентная связь решеток твердого раствора а и цементита, имеющая место при всех температурах низкого отпуска. Дело в том, что при низких температурах отпуска кристаллическая решетка выделяющегося цементита (новая фаза) связана определенным образом с решеткой твердого раствора (старая фаза). Представление о когерентной связи дает рис. 1,а. При температурах отпуска 300—400° когерентная связь нарушается и решетки цементита и феррита полностью обособляются друг от друга, как показано на рис. 1,6.

При среднем отпуске сталь приобретает структуру, представляющую собой тонкодисперсную механическую смесь феррита и цементита, не различимую в оптический микроскоп при обычных увеличениях и называемую троститом отпуска. Тростит эвтектоидной стали имеет твердость около 400 единиц по Бринеллю, обладает высоким пределом упругости и хорошим сопротивлением усталости. На троститную структуру обрабатываются почти все пружинные стали.

Высокий отпуск на 500—600° приводит к образованию менее Дисперсной по сравнению с троститом феррито-цементитной смеси, хорошо различимой в оптический микроскоп даже при средних увеличениях. Эта структура называется сорбитом. Применительно к конструкционным сталям, содержащим 0,4—0,5% углерода, она обладает высокой прочностью и твердостью, достигающей 270—300 единиц по Бринеллю, при большой пластичности и вязкости.

Между структурами тростит и сорбит, получаемыми при закалке и в процессе отпуска мартенсита, имеется существенная разница. Тростит и сорбит закалки имеют пластинчатое строение цементита, в то время как тростит и сорбит отпуска обнаруживают зернистое строение цементита и обладают лучшим комплексом механических свойств. Поэтому обычным методом термической обработки является не закалка непосредственно на рабочую структуру тростит или сорбит, а закалка на мартенсит с последующим отпуском на тростит или сорбит.

Все превращения стали при отпуске сопровождаются изменением параметра пространственной решетки и вызывают уменьшение или увеличение удельного объема стали. Поэтому при исследовании с помощью дилатометра объемных изменений при отпуске закаленной стали все стадии распада пересыщенного твердого раствора а находят ясное отражение на дилатометрических кривых.

На рис. 2 представлена дилатометрическая кривая отпуска закаленной на тетрагональный мартенсит стали, содержащей 1,2% углерода.

Можно отметить четыре стадии распада насильственного твердого раствора а по мере повышения температуры отпуска от комнатной до 650°.

На первой стадии при нагреве до 100—200° происходит уменьшение объема стали, отмечаемое на графике (рис. 2) понижением дилатометрической кривой. Содержание углерода в твердом растворе уменьшается до 0,4% и мартенсит тетрагональный переходит в кубический.

На второй стадии при нагреве до 200—300° объем стали увеличивается, что объясняется превращением остаточного аустенита в кубический мартенсит. На этой же стадии содержание углерода в твердом растворе а уменьшается до 0,2%; решетка выделяющихся зерен цементита когерентно связана с решеткой твердого раствора а.

На третьей стадии при нагреве до 300—400° насильственный твердый раствор а превращается в феррит с 0,025% углерода, причем происходит полное обособление решетки цементита от решетки феррита. В результате образуется тростит.

На четвертой стадии при нагреве свыше 400° продолжается дифференциация феррито-цементитной смеси за счет укрупнения зерен цементита; образуется структура сорбит.

Таким образом, сталь, закаленная на тетрагональный мартенсит, при низком отпуске 150—300° приобретает структуру кубического мартенсита, при среднем 350—450° — структуру тро-стита, а при высоком 550—650° — сорбита.

На рис. 3 и 4 представлены некоторые структуры отпуска. Показательно, что иглы отпущенного мартенсита являются темными; это объясняется повышенной травимостью кубического мартенсита вследствие начавшегося выделения цементита.

Низкий отпуск применяется при обработке мерительных и режущих инструментов, предназначенных для работы без толчков и ударов, а также для цементованных деталей. Средний отпуск необходим для изделий с высоким пределом упругости и достаточной прочностью при действии вибрационных нагрузок (пружины всех видов). Высокий отпуск применяется для деталей конструкций, в которых должно быть обеспечено сочетание достаточной прочности с высокой пластичностью и вязкостью (валы, шатуны, болты и т. п.).

Отпуск стали

Закаленная сталь очень твердая, но она хрупкая, у нее низкая пластичность и большие внутренние напряжения. В таком состоянии изделие не работоспособно, не надежно в эксплуатации. Поэтому для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности после закалки всегда следует еще одна операция термической обработки, которая называется отпуск.

Отпуск – заключительная термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры фазового превращения (для углеродистой стали это ниже температуры Ас₁), выдержке и охлаждении на воздухе. Целью отпуска является получение более равновесной структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности, создание требуемого комплекса эксплуатационных свойств стали.

Различают три вида отпуска.

1. Низкий отпуск углеродистой стали проводят при температуре 150-200 0 С. При этом из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода в мартенсите остается.

Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости изделий. Структура стали в результате низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска или мартенсит отпуска и вторичный цементит. Закалке и низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а так же изделия, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью (например, штампы для холодной штамповки или валки прокатных станов). Закалке и низкому отпуску подвергают стали с 0,7 – 1,3 %С.

2. Средний отпуск проводят при температуре 350 – 450 0 С. При этом из мартенсита уже выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с очень мелкими, в виде иголочек, частицами цементита, которая называется трооститом отпуска.

При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшения сопротивляемости действию ударных нагрузок. Закалку и средний отпуск проводят для пружин, рессор, ударного инструмента. Средний отпуск применяют для стали с содержанием углерода 0,5–0,65%.

3. Высокий отпуск проводят для среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,3 – 0,45%. Он заключается в нагреве закаленной стали до температуры 550 - 650 0 С. Цель высокого отпуск – достижение оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости. Структура стали после закалки и высокого отпуска – сорбит отпуска (мелкая смесь феррита и зернистого цементита, более крупного по сравнению с цементитом троостита отпуска). Термическая обработка, состоящая из закалки и последующего высокого отпуска, является основным видом термической обработки изделий из конструкционных сталей, подвергающихся в процессе эксплуатации действию высоких напряжений и ударных, часто знакопеременных нагрузок. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением.

Время выдержки при низком отпуске составляет от 1 до 10-15 часов, так как при таких низких температурах диффузия углерода идет медленно. Для среднего и высокого отпуска обычно достаточно 1-2 часа. Для дисков газовых и паровых турбин, валов, цельнокованых роторов в теплоэнергетике требуется до 8 часов, потому что их структура должна быть максимально стабильной.

Изменение механических характеристик углеродистой стали при отпуске показано на рис. 43.

Рис.43. Изменение механических свойств стали при отпуске

Таким образом, с повышением температуры и продолжительности отпуска увеличиваются пластические свойства стали, но снижаются ее твердость и прочность. В практике термической обработки стали режим отпуска назначают в соответствии с требуемыми свойствами, которые определяются условиями работы детали.

Отпускная хрупкость.

Отпускной хрупкостью называют резкое падение ударной вязкости при отпуске при определенных температурах.

Различают два вида отпускной хрупкости – низко температурную и высоко температурную. Первая развивается в температурном интервале 250-4000С. Ее называют необратимой или отпускной хрупкостью первого рода. Ударная вязкость закаленной стали после отпуска в этом интервале меньше, чем после отпуска ниже 2500С (рис. 44).

Рис. 44. Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска

Если охрупченную сталь, отпущенную при 250-400 0 С, отпустить при более высоких температурах для перевода в вязкое состояние, то повторный отпуск в интервале 250-400 0 С не возвращает сталь в хрупкое состояние. Поэтому такую отпускную хрупкость называют необратимой.

Необратимая отпускная хрупкость в большей или меньшей степени свойственна всем сталям и не зависит от скорости охлаждения с температур отпуска. Ее причину связывают с неоднородным выделением карбидов по границам зерен при распаде мартенсита.

Второй провал на кривой ударной вязкости приходится на интервал температур отпуска примерно 450-600 0 С при медленном охлаждении (рис.44). При этом быстрое охлаждение с температур высокого отпуска, например в воде, предотвращает развитие отпускной хрупкости. Если же сталь вновь нагреть в этот интервал и медленно охладить, то отпускная хрупкость возвращается. Новый нагрев выше 600 0 С с быстрым охлаждением устраняет хрупкость и т.д. Поэтому это явление называют обратимой или отпускной хрупкостью второго рода.

Развитие отпускной хрупкости второго рода связывают с повышенной концентрацией фосфора на границах зерен. Наиболее широко используемые легирующие элементы – хром, никель, марганец усиливают эффект обратимой хрупкости, а введение молибдена и вольфрама уменьшают его. Особенно сильно на снижение склонности к отпускной хрупкости влияет молибден при введении его в сталь более 0,2%.

37. Отпуск сталей. Превращения в стали при отпуске, изменение микроструктуры и свойств

Отпуском называется операция нагрева закаленной стали для уменьшения остаточных напряжений и придания комплекса механических свойств, которые необходимы для долголетней эксплуатации изделия. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния отличаются от состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым или точечным, как в зернистом перлите.

При отпуске закаленной на мартенсит стали в ней происходят превращения, которые приводят к распаду мартенсита и образованию равновесного структурно-фазового состава. Интенсивность и результат этих превращений зависят от температуры отпуска. Температуру отпуска выбирают в зависимости от функционального эксплуатационного назначения изделия.

В процессе многолетней эксплуатационно-производственной практики сложились три основные группы изделий, требующие для их успешной эксплуатации «своих» специфических комплексов вязкостно-прочностных свойств.

Первая группа: режущие измерительные инструменты и штампы для холодной штамповки. От их материала требуются высокая твердость и небольшой запас вязкости. Вторую группу составляют пружины и рессоры, от материала которых требуется сочетание высокого предела упругости с удовлетворительной вязкостью. Третья группа включает большинство деталей машин, испытывающих статические и особенно динамические или циклические нагрузки. При длительной эксплуатации изделий от их материала требуется сочетание удовлетворительных прочностных свойств с максимальными показателями вязкости.

В зависимости от температуры нагрева существует три вида отпуска: низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий). Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200–300°) в структуре стали в основном остается мартенсит, кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в б-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес. При среднем37б и высоком отпуске сталь из состояния мартенсита переходит в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. При высоком отпуске сталь получает сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичность и вязкость, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит называют кузнечным штампом, пружин, рессор, а высокий – для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений.

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющей высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом. Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950–970°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

Цель отпуска – не просто устранить внутренние напряжения в закаленной стали. При низком отпуске мартенсит частично освобождается от пересыщающих его решетку атомов углерода, основу мартенсита отпуска составляет пересыщенный твердый раствор углерода.

Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре от 350 до 450 °C. При таком нагреве завершается распад мартенсита, приводящий к образованию нормальных по составу и внутреннему строению феррита и цементита. Вследствие недостаточной интенсивности диффузионных процессов размер зерен образующихся фаз оказывается очень малым.

Высокотемпературный (высокий) отпуск осуществляется при 500–650 °C. При таких условиях нагрева при усилившихся диффузионных процессах происходит образование более крупных зерен феррита и цементита, сопровождающееся снижением плотности дислокаций и полным устранением остаточных напряжений.

Получающийся при высоком отпуске продукт распада мартенсита, называемый сорбитом отпуска, обладает максимальной для стали вязкостью.

Такой комплекс является идеальным для деталей машин, подвергающихся динамическим нагрузкам. Благодаря этому преимуществу термическую обработку, сочетающую закалку и высокий отпуск, издавна называют улучшением.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

3. Диффузионные и бездиффузионные превращения

3. Диффузионные и бездиффузионные превращения Под диффузией понимают перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния данного металла. Если перемещения атомов не связаны с изменением концентрации в отдельных объемах,

2. Стали: классификация, автоматные стали

2. Стали: классификация, автоматные стали Стали служат материальной основой машиностроения, строительства и других отраслей промышленности. Стали являются основным сырьем для производства листового и профильного проката.По способу производства стали разделяют на

1. Влияние легирующих компонентов на превращения, структуру, свойства сталей

1. Влияние легирующих компонентов на превращения, структуру, свойства сталей Легирующие компоненты или элементы, вводимые в стали в зависимости от их взаимодействия с углеродом, находящемся в железоуглеродистых сплавах, подразделяют на карбидо—образующие и

3. Диаграмма изотермического превращения аустенита

3. Диаграмма изотермического превращения аустенита На рис. 10 представлена диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода.По оси ординат откладывается температура. По оси абсцисс – время. Рис. 10. Диаграмма изотермического превращения

4. Виды и разновидности термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, нормализация

4. Виды и разновидности термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, нормализация Термическую обработку металлов и сплавов, а также изделий из них применяют для того, чтобы вызвать необратимое изменение свойств вследствие необратимого изменения структуры.Термическая

30. Закон сохранения и превращения энергии

30. Закон сохранения и превращения энергии Первый закон термодинамики основан на всеобщем законе сохранения и превращения энергии, который устанавливает, что энергия не создается и не исчезает.Тела, участвующие в термодинамическом процессе, взаимодействуют друг с

ПРЕВРАЩЕНИЯ САМОВАРА

ПРЕВРАЩЕНИЯ САМОВАРА Для начала давайте поставим самовар.Было углей в самоваре полно, а вскипел самовар — и на дне одна зола. Где угли?Как где? Сгорели. С кислородом соединились. Обернулись летучим газом и улетели в трубу. Это каждый знает. А кто не поверит, те могут газ

2.3. Учет и отпуск спирта на производственно-технические нужды со склада предприятия

2.3. Учет и отпуск спирта на производственно-технические нужды со склада предприятия 2.3.1. Согласно действующим на предприятии нормам расхода этилового спирта каждому подразделению устанавливаются лимиты потребления спирта на планируемый год. Подписанные главным

3. Световая микроскопия; количественные характеристики микроструктуры

3. Световая микроскопия; количественные характеристики микроструктуры Самые разнообразные методы применяются для исследования внутреннего строения сплавов, большинство основано на физических принципах.Изучение строения металлов начинается с помощью простого и

27. Строение и свойства железа; метастабильная и стабильная фазовые диаграммы железо-углерод. Формирование структуры углеродистых сталей. Определение содержания углерода в стали по структуре

27. Строение и свойства железа; метастабильная и стабильная фазовые диаграммы железо-углерод. Формирование структуры углеродистых сталей. Определение содержания углерода в стали по структуре Сплавы железа с углеродом являются самыми распространенными металлическими

29. Белые, серые, половинчатые, высокопрочные и ковкие чугуны Формирование микроструктуры, свойства, маркировка и применение

29. Белые, серые, половинчатые, высокопрочные и ковкие чугуны Формирование микроструктуры, свойства, маркировка и применение Чугун – это сплав железа с углеродом. Чугун содержит углерод – 2,14 % и более дешевый материал, чем стали. Он обладает пониженной температурой

33. Гомогенизационный отжиг, изменение структуры и свойств при гомогенизационном отжиге. Закалка с полиморфным превращением. Закалка без полиморфного превращения

33. Гомогенизационный отжиг, изменение структуры и свойств при гомогенизационном отжиге. Закалка с полиморфным превращением. Закалка без полиморфного превращения Отжиг – операции нагрева и медленного охлаждения стали с целью выравнивания химического состава,

34. Изменение микроструктуры и механических свойств металлов при нагреве после горячей и холодной обработки давлением

34. Изменение микроструктуры и механических свойств металлов при нагреве после горячей и холодной обработки давлением Обработка металлов давлением основана на их способности в определенных условиях пластически деформироваться в результате воздействия на

40. Классификация и маркировка легированных сталей. Влияние легирующих элементов на превращения, микроструктуру и свойства стали; принципы разработки легированных сталей

40. Классификация и маркировка легированных сталей. Влияние легирующих элементов на превращения, микроструктуру и свойства стали; принципы разработки легированных сталей Легированная сталь – это сталь, которая содержит кроме углерода и обычных примесей, другие

41. Конструкционные стали: строительные, машиностроительные, высокопрочные. Инструментальные стали: стали для режущего инструмента, подшипниковые, штамповые

41. Конструкционные стали: строительные, машиностроительные, высокопрочные. Инструментальные стали: стали для режущего инструмента, подшипниковые, штамповые Углеродистые инструментальные стали У8, У10, У11,У12 вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита

Цементацию целесообразно применять для сталей – низкоуглеродистых

Рекристаллизационный отжиг сталей проводят с целью … устранения наклёпа после холодной пластической деформации.

Ферромагнитные материалы обладают структурой … доменной

Материалами для изоляции токопроводящих частей являются … диэлектрики

Макромолекулы резины имеют строение … линейное

Термопластичные полимеры имеют структуру … линейную

Наполнители вводят в состав резин для … повышения прочности, износостойкости, снижения стоимости

Материалами для изоляции токопроводящих частей являются … диэлектрики

Полимеры, необратимо затвердевающие в результате протекания химических реакций, называют … сшитыми

Конструкционными улучшаемыми сталями являются … 30ХГСА,40ХН2МА

Дюралюмины можно упростить … закалкой и старением

Наиболее мягкой и пластичной фазой железоуглеродистых сплавов при комнатной температуре является … феррит

Вакансии является дефектом … точечным

Металлы Cu и Ni в твёрдом состоянии образуют … твёрдый раствор замещения

Дюралюмины – это сплавы системы…Al-Cu-Mg

По назначению сталь 55С2 является…машиностроительной – улучшаемой

На рисунке представлена диаграмма состояния сплава, компоненты которого…практически нерастворимы в твердом состоянии

Характер изменения прочности металла при наклепе или рекристаллизации…при наклепе прочность увеличивается, при рекристаллизации – уменьшается

Минимальный объем кристалла, при трансляции (последовательном перемещении) которого вдоль координатных осей можно воспроизвести всю решетку, называется…элементарной ячейкой

Содержание углерода в чугуне…более 2,14%

Предел прочности (временное сопротивление) определяет на…разрывной машине

Силуминами называются сплавы алюминия с…кремнием

Марка сплава меди и олова, содержащего 4% олова и 3% цинка…БрОЦ4-3

Конструкционными улучшаемыми сталями являются…30ХГСА, 40ХН2МА

Цементацию проводят с целью… повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя

Пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе, полученный при охлаждении аустенита со скоростью, большей критической, называется…ферритом

Среди нижеперечисленных сталей цементуемыми являются…Х12М1, У10

Форма графитовых включений в ковком чугуне…хлопьевидная

Линейными дефектами кристаллической решетки являются…дислокация

При легировании алюминия его электропроводность…уменьшается

Легирована марганцем сталь…18Г2АФ

Перлитное превращение в сталях сопровождается…распадом аустенита с образованием эвтектоидной смеси феррита и цементита

Нормализация отличается от отжига…скоростью охлаждения

критическая скорость охлаждения при закалке – это максимальная скорость охлаждения, при которой аустенит еще распадается на структуры перлитного типа.

алитирование – это насыщение поверхностного слоя металла алюминием.

структура стали 40 после полного отжига – феррит + перлит

цементацию проводят с целью повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя.

Читайте также: