Как влияет температура нагрева при отпуске на твердость изделий из углеродистой стали

Обновлено: 19.05.2024

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 (σ_в = 130 / 200 кгс/мм 2 ). Для увеличения вязкости и уменьшения закалочных напряжений после закалки применяют отпуск.

Распад мартенсита, казалось бы, должен приводить к дисперсионному твердению, и в общем случае зависимость прочностных свойств стали от температуры отпуска должна быть качественно такая же, как и при старении цветных сплавов. Однако на рисунке видно, что до температуры отпуска около 100 °С твердость закаленной стали или практически не меняется или слабо (на 1 — 2 единицы HRC) возрастает. С дальнейшим повышением температуры отпуска твердость плавно снижается.

Зависимость твердости углеродистых сталей

Зависимость твердости углеродистых сталей разного состава
от температуры отпуска (Г. В. Курдюмов).

Почему же распад мартенсита с выделением мелких частиц карбидов при низкотемпературном отпуске закаленной стали не вызывает сильного дисперсионного твердения аналогично дисперсионному твердению алюминиевых и других стареющих сплавов?

Объясняется это тем, что из-за высокой подвижности атомов углерода они успевают образовывать сегрегаты на дислокациях уже в период закалочного охлаждения. Таким образом, в период закалочного охлаждения происходит самоотпуск, причем дисперсионное твердение может дойти до стадии максимального упрочнения.

Поскольку углерод, растворенный в α-железе, вносит большой вклад в упрочнение мартенсита (смотрите Изменение свойств сплавов при закалке на мартенсит), то обеднение раствора углеродом при выделении промежуточных карбидов (например, ε-карбида) уже при низких температурах отпуска вызывает разупрочнение.

С ростом температуры отпуска разупрочнение усиливается 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 (смотрите Структурные изменения при отпуске сталей). В высокоуглеродистых сталях, содержащих значительное количество остаточного аустенита, распад его с выделением карбида задерживает падение твердости, а в интервале температур 200 — 250 °С даже несколько увеличивает ее.

Влияние температуры отпуска на механические свойства стали 45

Так как упрочняющий отпуск закаленной углеродистой стали не имеет практического значения, то часто с отпуском любых сталей связывают представление об обязательном смягчении, хотя, как будет показано ниже, это представление ошибочно.

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. Ударная вязкость, очень важная характеристика конструкционной стали, начинает интенсивно возрастать при отпуске выше 300 °С.

Максимальной ударной вязкостью обладает сталь с сорбитной структурой, отпущенная при 600 °С. Некоторое снижение ударной вязкости при температурах отпуска выше 600 °С можно объяснить тем, что частицы цементита по границам ферритных зерен, растущие за счет растворения частиц внутри α-фазы, становятся слишком грубыми.

А) Нормализация. В) Улучшение. С) Сфероидизация. D) Полная закалка.

№ 178. Как влияет большинство легирующих элементов на превращения в стали при отпуске?

А) Сдерживают процесс мартенситно-перлитного превращения, сдвигая его в область более высоких температур.

В) Не влияют на превращения при отпуске.

C) Сдвигают процесс мартенситно-перлитного превращения в область более низ­ких температур.

D) Ускоряют мартенситно-перлитное превращение.

№ 179. Как называется обработка, состоящая в длительной выдержке зака­ленного сплава при комнатной температуре или при невысоком нагреве?

А) Рекристаллизация. В) Нормализация. С) Высокий отпуск. D) Старение.

№ 180. Как называется термическая обработка стали, состоящая в нагреве ее выше А₃ или А_т, выдержке и последующем охлаждении вместе с печью?

А) Неполный отжиг.

В) Полный отжиг.

С) Рекристаллизационный отжиг.

№ 181. Какой отжиг следует применить для снятия деформационного уп­рочнения?

А) Рекристаллизационный.

В) Полный (фазовую перекристаллизацию).

№ 182. Какова цель диффузионного отжига?

А) Гомогенизация структуры.

В) Снятие напряжений в кристаллической решетке

С) Улучшение ферритной составляющей структуры. D) Получение зер­нистой структуры.

№ 183. Как регулируют глубину закаленного слоя при нагреве токами вы­сокой частоты?

В) Интенсивностью охлаждения.

С) Частотой тока.

D)Ти­пом охлаждающей жидкости.

№ 184. Как называется термическая обработка стали, состоящая из нагрева ее до аустенитного состояния и последующего охлаждения на спокойном воздухе?

А) Истинная закалка. В) Улучшение. С) Неполный отжиг. D) Нормализация.

№ 185. Какими особенностями должна обладать диаграмма состояния сис­темы насыщаемый металл - насыщающий компонент для осуществления химико-термической обработки?

А) ХТО возможна только для систем, образующих механические смеси кри­сталлов компонентов.

В) Должна быть высокотемпературная область значитель­ной растворимости компонента в металле.

С) ХТО возможна только для систем, образующих непрерывные твердые растворы.

D) В диаграмме должны присутст­вовать устойчивые химические соединения.

№ 186. Какие из сплавов системы А-В (рис. 44) могут быть подвергнуты химико-термической обработке?

А) Сплавы, лежащие между Е и b, могут быть насыщены компонентом А.

В) Сплавы, лежащие между а и с, могут быть насыщены компонентом В.

С) Все сплавы могут быть насыщены как компонентом А, так и В.

D) Ни один из сплавов не может быть подвергнут ХТО.

№ 187. Как называется обработка, состоящая в насыщении поверхности стали углеродом?

А) Цементация. В) Нормализация. С) Улучшение. D) Цианирование.

№ 188. Какова конечная цель цементации стали?

А) Создание мелкозернистой структуры сердцевины.

В) Повышение содер­жания углерода в стали.

С) Получение в изделии твердого поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины.

D) Увеличение пластичности поверхностно­го слоя.

№ 189. Что такое карбюризатор?

А)Вещество, служащее источником углерода при цементации.

В) Карбиды легирующих элементов.

С) Устройство для получения топливовоздушной среды. D) Смесь углекислых солей.

№ 190. Какова структура диффузионного слоя, полученного в результате цементации стали?

Начиная от поверхности, следуют структуры .

А) цементит + перлит; перлит; перлит + феррит.

В) цементит + феррит; перлит; феррит.

С) перлит + феррит; феррит; феррит + цементит.

D) перлит; перлит + + цементит; цементит + феррит.

№ 191. Чем отличается мартенсит, полученный после закалки цементован­ного изделия, в сердцевинных участках от мартенсита в наружных слоях?

А) В сердцевине из-за низкой прокаливаемости сталей образуются структу­ры перлитного типа.

_В) В наружных слоях мартенсит высокоуглеродистый, в сердцевине - низкоуглеродистый.

С) В сердцевине мартенсита нет.

D) В наруж­ных слоях мартенсит мелкоигольчатый, в сердцевине - крупноигольчатый.

№ 192. Как называется обработка, состоящая в насыщении поверхности стали азотом и углеродом в расплавленных солях, содержащих группу CN?

С) Цианирование. D) Модифицирование.

№ 193. Как называется обработка, состоящая в насыщении поверхности стали азотом и углеродом в газовой среде?

А) Цианирование. В) Улучшение. С) Модифицирование. D) Нитроцементация.

№ 194. Какие стали называют цементуемыми?

А) Высокоуглеродистые (более 0,7 % С).

С) Малоуглеродистые (0,1 . 0,25 % С).

D) Среднеуглеродистые (0,3 . 0,5 % Су

№ 195. В поле микроскопа около четверти площади микрошлифа занято перлитом. Сталь какой марки может находиться под микроскопом?

А) 40. В) 05. С) 10.D)20.

№ 196. Какая из приведенных в ответах сталей относится к заэвтектоидным?

А) Ст1кп. В) У10А. С) 10пс. D) A11.

№ 197. Какой из признаков может характеризовать кипящую сталь?

А) Низкое содержание кремния. В) Высокая плотность отливки. С) Низкая пластичность. D) Низкое содержание марганца.

№ 198. Какую сталь называют кипящей (например, СтЗкп)?

А) Сталь, обладающую повышенной плотностью.

В) Сталь, доведенную до температуры кипения.

С) Сталь, раскисленную марганцем, кремнием и алюмини­ем

D) Сталь, раскисленную только марганцем.

№ 199. Что является основным критерием для разделения сталей по качеству?

А) Степень раскисления стали.

В) Степень легирования стали.

_С) Содержание в стали серы и фосфора.

D) Содержание в стали неметаллических включений.

№ 200. Каково предельное содержание серы и фосфора в высококачествен­ных сталях?

A) S - 0,05 %, Р - 0,04 %.

В) S - 0,015 %, Р - 0,025 %.

С) S.- 0,025 %, Р - 0,025 %.

D) S - 0,035 %, Р - 0,035 %.

№ 201. Каково предельное содержание серы и фосфора в качественных сталях?
A) S - 0,015 %, Р - 0,025 %.

В) S - 0,025 %, Р - 0,025 %..

C)_S - 0,035 %,Р - 0,035 %.

D) S - 0,05 %, Р - 0,04 %.

№ 202. К какой категории по качеству принадлежит сталь Стбсп?

А) К высококачественным сталям. В) К особовысококачественным сталям. С) К качественным сталям. D) К сталям обыкновенного качества.

№ 203. К какой категории по качеству принадлежит сталь 05кп?

А) К сталям обыкновенного качества.

B) C качественным сталям.

С) К вы­сококачественным сталям.

D) К особовысококачественным сталям.

№ 204. Содержат ли информацию о химическом составе (содержании угле­рода) марочные обозначения сталей обыкновенного качества, например, Ст4?

А) Нет. Число 4 характеризует механические свойства стали.

В) Нет.

С) Да. В сплаве Ст4 содержится 0,4 % углерода.

D) Да. В сплаве Ст4 содержится 0,04 % углерода.

№ 205. Какой из сплавов СтЗсп или сталь 30 содержит больше углерода?

В) В обоих сплавах содержание углерода одинаково.

D)) Для ответа на поставленный вопрос следует состав сплава СтЗсп уточнить по ГОСТ 380-94.

№ 206. Изделия какого типа могут изготавливаться из сталей марок 65, 70?

А) Изделия, изготавливаемые глубокой вытяжкой.

В) Пружины, рессоры.

C) Неответственные элементы сварных конструкций. D) Цементуемые изделия.

№ 207. Каков химический состав стали 20ХНЗА?

А) ~ 0,2 % С, не более 1,5 % Сr, ~ 3 % Ni. Сталь высококачественная.

В) ~ 2% С, не более 1,5 % Сг и N, ~ 3 % Ni.

С) ~ 0,02 % С, ~ 3 % N и ~ по 1 % Сr и Ni.

D) ~ 20 % Сr, не более 1,5 % Ni и около 3 % N.

№ 208. Каков химический состав сплава 5ХНМА?

А) ~ 0,5 % С; не более, чем по 1,5 % Сг, Ni и Мо. Сталь высокого качества.

В) ~ 5 % С; не более, чем по 1,5 % Сг, Ni, Mo и N.

С) ~ 0,05 % С; не более, чем по 1,5 % Сr, Ni и Мо. Сталь высокого качества.

D) ~ 5 % Сr; Ni, Mo и N не более, чем по 1,5 %.

№ 209. Какие стали называют автоматными?

А) Стали, предназначенные для изготовления ответственных пружин, рабо­тающих в автоматических устройствах.

В) Стали, длительно работающие при цикловом знакопеременном нагружении.

С) Стали с улучшенной обрабатываемо­стью резанием, имеющие повышенное содержание серы или дополнительно ле­гированные свинцом, селеном или кальцием.

D) Инструментальные стали, пред­назначенные для изготовления металлорежущего инструмента, работающего на станках-автоматах.

№ 210. К какой группе материалов относится сплав марки А20?

А) К углеродистым инструментальным сталям.

В) К углеродистым качест­венным конструкционным сталям.

С) К сталям с высокой обрабатываемостью резанием. D) К сталям обыкновенного качества.

№ 211. К какой группе материалов относится сплав марки АЦ20? Каков его химический состав?

А) Конструкционная сталь, содержащая ~ 0,2 % С и легированная N и Zr.

B) Высококачественная конструкционная сталь, содержащая ~ 0,2 % С и ~ 1 % Zr.

C) Автоматная сталь. Содержит ~ 0,2 % С, легирована Са с добавлением РЬ и Те.

D)Алюминиевый сплав, содержащий ~ 2 % Zn.

№ 212. К какой группе материалов относится сплав марки АС40? Каков его химический состав?

А) Высококачественная конструкционная сталь. Содержит около 0,4 % уг­лерода и около 1 % кремния.

В) Антифрикционный чугун. Химический состав в марке не отражен.

С) Конструкционная сталь, легированная азотом и кремнием. Содержит около 0,4 % углерода.

D)Автоматная сталь. Содержит около 0,4 % углерода, повышенное количество серы, легирована свинцом.

№ 213. Даны две марки сталей: 40Х9С2 и 40X13. Какая из них коррозионно-стойкая (нержавеющая)?

В) 40X13.

С) Ни одна из этих марок сталей не может быть отне­сена к коррозионно-стойким (нержавеющим).

D) Обе марки относятся к коррози­онно-стойким (нержавеющим) сталям.

№ 214. Какие металлы называют жаростойкими?

А) Металлы, способные сопротивляться часто чередующимся нагреву и ох­лаждению.

В) Металлы, способные сопротивляться коррозионному воздействию газа при высоких температурах.

С) Металлы, способные сохранять структуру мартенсита при высоких температурах.

D) Металлы, способные длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах.

№ 215. Какие металлы называют жаропрочными?

А) Металлы, способные сохранять структуру мартенсита при высоких тем­пературах.

В) Металлы, способные сопротивляться коррозионному воздействию газа при высоких температурах.

С) Металлы, способные длительное время сопро­тивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах.

D) Металлы, способные сопротивляться часто чередующимся нагреву и охлаждению.

№ 216. Какие стали называют мартенситно-стареющими?

А) Стали, в которых мартенситно-перлитное превращение протекает при ес­тественном старении.

В) Стали, в которых мартенсит образуется как следствие закалки и старения.

С) Безуглеродистые высоколегированные сплавы, упроч­няющиеся после закалки и старения вследствие выделения интерметаллидных фаз.

D) Высоколегированные аустенитные стали, упрочняемые закалкой и после­дующей термомеханической обработкой с большими степенями обжатия.

№ 217. К какой группе материалов относится сплав марки У10А? Каков его химический состав?

А) Высококачественная углеродистая конструкционная сталь. Содержит около 0,1 % С.

В) Высокоуглеродистая сталь. Содержит около 1 % С, легирована N.

С) Титановый сплав. Содержит около 10 % А1.

D)Высококачественная углероди­стая инструментальная сталь. Содержит около 1 % С.

№ 218. Какова форма графита в чугуне марки КЧ 35-10?
А) Пластинчатая. В) Хлопьевидная. С) В этом чугуне графита нет. D) Ша­ровидная.

№ 219. Графит какой формы содержит сплав СЧ 40?

А) Пластинчатой. В) Шаровидной. С) Хлопьевидной. D) В сплаве графита нет.

№ 220. Графит какой формы содержится в сплаве ВЧ 50?

А) Шаровидной. В) Хлопьевидной. С) В сплаве графита нет. D) Пластинчатой.

№ 221. Что означает число 10 в марке сплава КЧ 35-10? А) Относительное удлинение в процентах.

В) Ударную вязкость в кДж/м 2 .

С) Временное сопротивление в кгс/мм 2 .

D) Предел текучести в МПа.

№ 222. Что означает число 40 в марке сплава СЧ 40?

А) Предел текучести в МПа.

В) Предел прочности при изгибе в кгс/мм 2 .

С) Ударную вязкость в кДж/м 2 .

D) Временное сопротивление в кгс/мм 2 .

2.2 Цветные металлы и сплавы

№ 223. Какими из приведенных в ответах свойств характеризуется медь?

А) Низкой t_пл (651 °С), низкой теплопроводностью, низкой плотностью (1740 кг/м 3 ).

В) Низкой t_пл (327 °С), низкой теплопроводностью, высокой плотно­стью (11 600 кг/м 3 ).

С) Высокой t_пл (1083 °С), высокой теплопроводностью, высо­кой плотностью (8940 кг/м 3 ).

D) Высокой t_пл (1665 °С), низкой теплопроводно­стью, низкой плотностью (4500 кг/м 3 ).

№ 224. Каков тип кристаллической решетки меди?

А) В модификации а-ГПУ, в модификации β-ОЦК.

В) Кубическая гране-центрированная.

С) Гексагональная плотноупакованная.

D) Кубическая объемно-центрированная.

№ 225. Что такое латунь?

А) Сплав меди с цинком.

В) Сплав железа с никелем.

С) Сплав меди с оло­вом.

D) Сплав алюминия с кремнием.

№ 226. Каково максимальное содержание цинка в латунях, имеющих прак­тическое значение?

А) 43 %. В) 39 %. С) 52 %. D) 18 %.

№ 227. Как влияет увеличение концентрации цинка на прочность и пла­стичность а-латуней?

А) Обе характеристики снижаются.

В) Обе характеристики возрастают.

C) Прочность увеличивается, пластичность снижается.

D) Прочность снижается, пластичность растет.

№ 228. Как влияет на прочность и пластичность

(а + β)-латуней увеличение концентрации цинка?

А) Прочность и пластичность снижаются.

В) Прочность и пластичность увеличиваются.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим имеет практически нулевой запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной структуры закаленной стали в более стабильную может происходить с течением времени самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних нагрузок. Этот переход сопротивляется изменением объёма и поэтому такая ситуация недопустима для высокоточных деталей или для измерительного инструмента. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной термообработке – отпуску.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки стали, его цель — получение заданного комплекса ее механических свойств, а также полное или частичное устранение закалочных напряжений. В практике термообработки используют три вида отпуска: низкий, средний и высокий, а также операцию искусственного старения. Общая схема всех этих видов включает нагрев изделий, выдержку их при заданной температуре и охлаждение. В результате отпуска в зависимости от температуры нагрева неустойчивая структура мартенсита закалки в результате диффузионного перераспределения углерода превращается в более устойчивые структуры - мартенсит отпуска, троостит, сорбит и перлит. Именно в процессе отпуска стальные изделия приобретают свойства, определяющие их поведение в эксплуатации. Температура отпуска обусловливается требованиями механических свойств детали.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150…200 0 С. При низком отпуске несколько снижаются внутренние напряжения. Твердость остается высокой (58…62 HRC). Структура стали после низкого отпуска состоит из мартенсита отпуска, основу которого составляет пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe. В мартенсите отпуска уменьшается число охрупчивающихся его трехцентровых ковалентных Fe-C-Fe-связей, частично устраняется искажение решетки и остаточные внутренние напряжения. При этом плотность дислокаций снижается незначительно, оставаясь на уровне 10 11 -10 12 см -2 .

Таким образом при низком отпуске отпущенный мартенсит обладает более благоприятным комплексом механических свойств (высоким уровнем твердости и небольшим запасом вязкости и пластичности).

Этот вид отпуска применяется в основном для режущих и измерительных инструментов, для изделий, подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроцементации. Низкий отпуск рекомендуется для деталей из малоуглеродистых легированных сталей, так как малоуглеродистый мартенсит отпуска имеет высокий комплекс механических свойств.

Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре 350 – 470 С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. При таком нагреве завершается распад мартенсита на ферритно-цементитную смесь – троостит отпуска, который вследствие недостаточной интенсивности диффузионных процессов представлен в виде мельчайших зерен, обуславливающий его высокую вязкость в сравнении с пластинчатым трооститом закалки.

В троостите отпуска почти устраняется ковалентные Fe-C-Fe-связи и искажения ОЦК решетки α-Fe, уменьшается плотность дислокаций до 10 9 -10 10 см -2 , и снижается уровень остаточных напряжений. Фазовая и дислокационная решетка троостита отпуска обеспечивает благоприятный комплекс механических свойств для пружин, рессор и им подобных изделий. Структура троостита отпуска обеспечивает высокий предел упругости, твердость 40…50 HRC. Охлаждение после отпуска при 400…450 С рекомендуется проводить в воде, что приводит к образованию в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, которые увеличивают предел выносливости детали.

Сталь с 0,4 %С была с начала подвергнута закалке при 860 С в воде, а затем отпущена при 350 С. в результате отпуска мартенсит, получившийся при полной закалке, превратился в троостит отпуска, структура которого состоит из дисперсных частиц феррита и цементита (рисунок 1), причем эти частицы на столько мелки, что даже при самых больших увеличениях микроскопа почти не различимы. Сохранившиеся в троостите отпуска ориентировка по мартенситу в виде игольчатого строения отличает его от троостита закалки.

Рисунок 1 Сталь с 0,4 % С после закалки с 860 С в воде, и отпуска при 350 С. Троостит отпуска. Травление 4 % раствором HNO₃ в спирте. 450.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500-650 0 С. После отпуска структура состоит из сорбита отпуска (с зернистым строением Fe₃C), имеющего высокий комплекс механических свойств (максимальная вязкость) плотности дислокаций (10 8 -10 9 см -2 ) и удовлетворительные показатели прочности. Такой комплекс свойств является благоприятным для деталей, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам.

Закалка с высоким отпуском называется улучшением. Во избежание возникновения термических напряжений рекомендуется последующее медленное охлаждение, за исключением сталей, подверженных обратимой отпускной хрупкости, которые от температуры высокого отпуска охлаждают в воде или в масле.

Сталь с 0,4 %С была с начала подвергнута закалке при 860 С в воде, а затем отпущена при 550 С. в результате отпуска мартенсит, получившийся при полной закалке, превратился в сорбит отпуска, структура которого показана на рисунке 2. Сорбит отпуска трудно отличить от мартенсита, так как он сохраняет мартенситную ориентировку. Однако у сорбита отпуска при больших увеличениях (500) видны зерна выделившегося цементита, чего нет у мартенсита.

Рисунок 2 Сталь с 0,4 % С после закалки с 860 С в воде, и отпуска при 550 С. Сорбит отпуска. Травление 4 % раствором HNO₃ в спирте. 450.

После отпуска у деталей может быть повышенная или пониженная твердость. Повышенная твердость результат постоянной температуры отпуска и недостаточной выдержки. Этот дефект устраняется вторичным отпуском. Пониженная твердость результат отпуска при высокой температуре устраняется отжигом повторной закалкой и отпуском.

Продолжительность отпуска зависит от конкретных изделий. Обычно в течение 1,5 часов напряжения снижаются до минимальной величины, соответствующей данной температуре отпуска. Некоторым изделиям (измерительный инструмент) делают более продолжительный отпуск.

Отпускная хрупкость. Отпускной хрупкостью называют уменьшение вязкости стали после отпуска в определенном интервале температур. Отпускная хрупкость разделяется на 2 вида:

1. Наблюдается после отпуска в температурном интервале 250-350º С – это отпускная хрупкость I рода или необратимая хрупкость.

2. Наблюдается в интервале температур 500-600º С. Это отпускная хрупкость II рода или обратимая.

Хрупкость I рода характерна для простых углеродистых сталей, содержащих от 0,3-0,6 %С. Она проявляется при отпуске в температурном диапазоне 250-350 ºС. Причина её появления – выделение карбидов по границам зёрен. Это вызывает хрупкость границ и соответственно хрупкость всей детали. Увеличение температуры отпуска вызывает распад мартенсита по всему объему детали и соответственно выравнивание структуры, что вызывает повышение вязкости. Таким образом, если сталь, находящуюся в состоянии отпускной хрупкости I рода, нагреть до более высокой температуры, то её вязкость восстановится и повторный нагрев после охлаждения в температурном интервале 250-350 ºС отпускной хрупкости больше не вызовет. Поэтому такая отпускная хрупкость называется необратимой.

Хрупкость II рода характерна для среднеуглеродистой стали, содержащей легирующие элементы: Si; Мn; Сr. Причем проявляется эта отпускная хрупкость только при медленном охлаждении с температурой высокого отпуска. Если детали охлаждать быстро на воздухе или в воде, то хрупкость II рода не проявляется. Если сталь имеет уже отпускную хрупкость II рода, то для её устранения необходимо снова нагреть деталь до температуры отпуска и быстро охладить. Вязкость восстанавливается, но если снова нагреть и медленно охлаждать хрупкость снова появится. Поэтому такая хрупкость называется обратимой.

Повышает склонность сталей к отпускной хрупкости II рода наличие примесей, особенно фосфора. Поэтому чтобы сделать сталь нечувствительной к отпускной хрупкости II рода необходимо, во-первых, снижать количество вредных примесей, особенно фосфора, а во-вторых, добавлять в сталь молибден или вольфрам.

Отпускная хрупкость I рода часто совпадает по температуре со средним отпуском, поэтому пружины и рессоры характеризуются минимальным запасом вязкости.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА С НАГРЕВОМ ТОКАМИ

Все детали, подвергаемые упрочняющей обработке, можно разделить на две группы. К первой группе относятся детали, работающие главным образом на износ. В этом случае упрочняющая обработка должна обеспечить лишь необходимые свойства поверхностного слоя (твердость, износостойкость и т.п.). Ко второй группе относятся детали, испытывающие при работе значительные нагрузки: растягивающие (сжимающие), изгибающие, крутящие, контактные.

Такие детали в свою очередь можно разделить на два класса. К первому классу относятся детали, в процессе эксплуатации нагружаемые на растяжение и сжатие. В них напряжения от рабочих нагрузок распределяются по сечению более, или менее равномерно. Поэтому для таких деталей применяют сквозное упрочнение.

Ко второму классу относятся детали, работающие на изгиб или кручение, либо при высоких контактных нагрузках. В них напряжения от прилагаемых рабочих нагрузок максимальны на поверхности и близки к нулю в центре поперечного сечения. Следовательно, для таких деталей сквозное упрочнение на высокую прочность не является обязательным. Для них, обычно, применяют поверхностное упрочнение (цементацию, азотирование, поверхностную закалку, пластическую деформацию и др.).

Одним из наиболее распространенных методов поверхностного упрочнения является поверхностная закалка. Существует большое разнообразие методов поверхностной закалки. При этом методы нагрева поверхностного слоя могут быть различными:

1) погружением в расплавленные металлы или соли – разогрев поверхности ведется за счет кратковременного погружения детали в горячую среду. После нагрева детали охлаждают в воде или масле. Толщина закаленного слоя определяются временем выдержки в горячей среде. Недостаток – невозможность получения тонкого закаленного слоя;

2) пламенем ацетелено-кислородной или газовой горелки;

3) с нагревом поверхности лазером. При этом способе закалки разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на неё высокоэнергетического пучка излучения. Интенсивность энергии настолько велика, что поверхность в течение нескольких долей секунд может быть нагрета до расплавления. Охлаждение поверхности после нагрева происходит за счет теплоотвода в глубь детали. Дополнительное охлаждение водой не требуется. Перемещая луч лазера по поверхности можно закаливать как отдельные участки детали, так и всю её поверхность. Этим способом можно закаливать внутренние поверхности детали, не закаливая её наружную поверхность. Глубина закаленного слоя регулируется временем, освещая её лазером. При таком способе закалки она может меняться от нескольких микрон до десятков и сотен микрон;

4) электротоком, индуктируемым в поверхностных слоях детали (так называемая закалка с нагревом токами высокой частоты - ТВЧ).

Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200 o С.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или – наоборот.

сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

В настоящее время применяется преимущественно закалка с нагревом токами высокой частоты – ТВЧ. Преимущества высокочастотного нагрева:

а) высокая производительность;

б) более высокие механические свойства, чем после обычной закалки;

в) отсутствие выгорания углерода и других элементов;

г) отсутствие заметного окисления и образования окалины;

д) минимальное коробление;

е) глубина закаленного слоя может довольно точно регулироваться.

Физические основы и особенности индукционного нагрева.

П

Рисунок 1. Схема индукционного нагрева

ри индукционном нагреве металлическое тело помещается в зону концентрированного магнитного поля проводника или катушки с переменным электрическим током (рисунок 1). При прохождении переменного тока по виткам катушки (индуктора) внутри нее создается магнитное поле, изменяющееся по величине и направлению аналогично току. Переменное магнитное поле, пересекая при своих изменениях объемы металла, находящиеся в зоне действия поля индуктора, в соответствие с законом электромагнитной индукции возбуждает в их поверхностных слоях электродвижущую силу. Объект нагрева является электропроводником, поэтому индуктированная ЭДС, вызывает в нем переменный ток той же частоты, что и ток индуктора.

Тепловое действие индуктированного электрического тока вызывает нагрев части детали, находящейся в зоне действия переменного магнитного поля индуктора. Количество тепла можно подсчитать по формуле

Q = 0,24I 2 Rτ,

где I - сила тока, А;

R - сопротивление проводника металла, Ом;

τ - время прохождения тока, с.

Таким образом, основным отличием индукционного нагрева от нагрева в печах является выделение теплоты непосредственно в зонах детали, подвергаемых воздействию переменного магнитного поля и электрического тока.

Это обусловливает высокую скорость нагрева и возможность осуществлять местный зональный нагрев. В теории индукционного нагрева доказывается, что ток индуктора I_u и мощность, выделяемая в нагреваемой детали Р_д связаны соотношением

,

где К - коэффициент, зависящий от размеров индуктора и нагреваемой детали;

 - удельное сопротивление, Омсм;

μ - магнитная проницаемость, Гс/э;

f -частота тока, Гц.

Повышение частоты тока позволяет концентрировать в небольшом объеме нагреваемой детали значительную мощность (до 3. 5 кВт/см 3 ) и тем самым выполнять индукционный нагрев с большой скоростью – до 300. 500 °С/с.

Рисунок 2 Схема технологического

процесса закалки ТВЧ

После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость (рисунок 2).

Поверхностный эффект. При переменном токе плотность тока в сечении проводника не одинакова. Ток протекает преимущественно по поверхностным слоям проводника, и при достаточно высоких частотах плотность тока в сердцевине ничтожно мала. Для упрощения количественного учета поверхностного эффекта вводят понятие об эквивалентной глубине проникновения тока. Считают, что ток протекает по поверхности проводника только в слое, равном глубине проникновения, и имеет на этой глубине равномерную плотность, а в более глубоких слоях изделия ток отсутствует.

Глубину проникновения тока (в см) подсчитывают по формуле

Нагрев током и нагрев теплопроводностью. В слое нагреваемого металла, равном глубине проникновения тока выделяется примерно 87% всей тепловой энергии, возбуждаемой в объекте нагрева, а остальные 13% возбуждаются в более глубоких слоях. В связи с этим без большой погрешности можно считать, что слой стали, равный по величине горячей глубине проникновения, нагревается непосредственно током, циркулирующим в нём, а более глубокие слои нагреваются в результате передачи теплоты от наружного активного токонесущего слоя.

Выбор частоты тока при индукционном нагреве. Ток высокой частоты для индукционного нагрева металла получают от специального машинного генератора (частота от 500 до 5000 и даже 15000Гц) или от лампового генератора (частота до I0000000 Гц). При выборе частоты тока необходимо обеспечить соблюдение, условий:

а) выбранная частота тока должна быть не меньше некоторого её значения f₁, ниже которого при данных размерах детали и индуктора возможен нагрев лишь до температуры, соответствующей потере сталью магнитных свойств (740. 770°С). (Рис. 3).

б) желательно, чтобы выбранная частота тока была не меньше некоторого её значения f₂. При таких частотах КПД индуктора имеет достаточно высокое значение (0,7. 0,8).

Высокая скорость высокочастотного нагрева (сотни градусов в секунду) обусловливает смещение фазовых превращений в область более высоких температур. Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве и тем выше, чем выше скорость нагрева, грубее выделения избыточного феррита в доэвтектоидных сталях. Например, сталь 40 при печном нагреве закаливается с температур 840–860 °С, при индукционном нагреве со скоростью 250 °С/с — с температур 880–920 °С, а при скорости нагрева 400 °С/с — с температур 930–980 °C.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200 o С (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

• вторичная кристаллизация сплава;
• переход гамма железа в состояние альфа железа;
• переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

• В готовых изделиях:
  1. прочности;
  2. износостойкости;
  3. коррозионностойкость;
  4. термостойкости.

• В заготовках:
  1. снятие внутренних напряжений после
     • литья;
     • штамповки (горячей, холодной);
     • глубокой вытяжки;

     Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

     1. Углеродистым и легированным.
     2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
     3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
     4. Любого качества.

     Классификация и виды термообработки

     Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

     • время нагревания (скорость);
     • температура нагревания;
     • длительность выдерживания при заданной температуре;
     • время охлаждения (интенсивность).

     Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

     Виды термической обработки стали:

     • Отжиг
       1. I – рода:
          • гомогенизация;
          • рекристаллизация;
          • изотермический;
          • снятие внутренних и остаточных напряжений;
          • полный;
          • неполный;
          • Закалка;
          • Отпуск:
            1. низкий;
            2. средний;
            3. высокий.
          • Нормализация.

          
          

          Температура нагрева стали при термообработке

          Отпуск

          Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

          1. Отпуск низкий

          Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

          • Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
          • выдерживание — полтора часа;
          • остывание – воздух, масло.

          2. Средний отпуск

          Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

          • нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
          • охлаждение – воздух.

          3. Высокий отпуск

          При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

          
          

          Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

          Отжиг

          Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

          • нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
          • выдержка с постоянным поддержанием температуры;
          • медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).

          1. Гомогенизация

          Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

          2. Рекристаллизация

          Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

          • нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
          • выдерживание — ½ — 2 часа;
          • остывание – медленное.

          3. Изотермический отжиг

          Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

          • нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки ;
          • выдерживание;
          • остывание:
            • быстрое – не ниже 630°С;
            • медленное – при положительных температурах.

            4. Отжиг для устранения напряжений

            Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

            • нагревание до температуры – 727°С;
            • выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
            • остывание — медленное.

            5. Отжиг полный

            Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

            
            

            Полный отжиг стали

            • температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки ;
            • выдержка;
            • охлаждение до 500°С:
              • сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
              • сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.

              6. Неполный отжиг

              При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

              • нагревание до температуры – выше точки или , выше 700°С на 40°С — 50°С;
              • выдерживание – порядка 20 часов;
              • охлаждение — медленное.

              Закалка

              Закалку сталей применяют для:

              • Повышения:
                1. твердости;
                2. прочности;
                3. износоустойчивости;
                4. предела упругости;
              • Снижения:
                1. пластичности;
                2. модуля сдвига;
                3. предела на сжатие.

              Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

              
              

              Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

              Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).

              Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

              • вода;
              • соляные растворы на основе воды;
              • техническое масло;
              • инертные газы.

              Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

              Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.

              Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

              Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

              Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

              Нормализация

              Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

              • сопротивление излому;
              • производительность обработки;
              • прочность;
              • вязкость.

              
              

              Процесс нормализации стали

              • происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки ;
              • выдерживание в данном температурном коридоре;
              • охлаждение – на открытом воздухе.

              Преимущества термообработки

              Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

              Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

              В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

              Читайте также:

                
              • Приказ об отстранении от работы в связи с окончанием срока действия патента образец
                
              • Где живет айрис и какова ее профессия
                
              • Как устроиться на работу в сизо какие документы нужны для оформления
                
              • Драфт трудового договора что это
                
              • Можно ли без инн встать на биржу труда