2. Термическая обработка конструкционных сталей

В зависимости от условий эксплуатации (ответственности деталей) легированные стали применяются после простейшего вида термической обработки (нормализации) или двойной термической обработки (закалки отпуск). В зависимости от марки стали (содержание углерода, легирующих элементов) и режима термической обработки (условий закалочного охлаждения, температуры отпуска) могут быть получены разные уровни прочности, отличающиеся приблизительно в два раза. Примерные механические свойства в зависимости от полученного уровня прочности приведены в табл. 30.

Разумеется, приведенные в табл. 30 цифры ориентировочные, так как пластичность и в особенности вязкость зависят при равной прочности от многих факторов — марки стали, режима термической обработки, размера зерна, чистоты и т. д., но, главное, она показывает более высокие пластичность и вязкость термоулучшенной стали, вследствие более низкого значения порога хладноломкости.

Режим термической обработки конструкционных сталей определяется главным образом содержанием углерода.

Конструкционные стали подвергают двойной упрочняющей термической обработке — закалке отпуску, причем среднеуглеродистые — обычно высокому отпуску (улучшению), низкоуглеродистые — низкому.

Режим закалки определяется положением критических точек и способностью аустенита к переохлаждению.

Нагрев под закалку проводят, как правило, до температуры, незначительно превышающей (на 30-50 °С) точку . У большинства марок конструкционных низкоуглеродистых сталей эта температура составляет примерно 900 °С и у среднеуглеродистых — 850 °С.

Низколегированные стали, как и углеродистые, следует закаливать в воде (и лишь при малых размерах — в масле), так как малая

устойчивость переохлажденного аустенита в районе перлитного распада (600 °С) быстрое охлаждение при закалке.

Увеличение содержания легирующих элементов приводит, как мы уже знаем, к увеличению устойчивости переохлажденного аустенита. В конструкционных сталях обычного состава содержание легирующих элементов таково, что становится возможной закалка в масле. В некоторых случаях с несколькими легирующими элементами (например, в хромовольфрамовых или хромоникельмолибденовых сталях) перлитное превращение аустенита настолько задерживается, что охлаждением деталей больших размеров на спокойном воздухе достигается переохлаждение аустенита до температур мартенситного превращения.

Рис. 289. Влияние отпуска на механические свойства хромоникелевой стали: а — низкоуглеродистой; б — среднеуглеродистой

Рассматривая условия, которые необходимо создать для охлаждения при закалке легированных конструкционных сталей, мы должны вспомнить еще об одной особенности кинетики распада аустенита сталей, легированных карбидообразующими элементами. В этих сталях (низкоуглеродистых) скорость бейнитного превращения при 300-400 °С оказывается существенно более высокой, чем скорость перлитного распада (500-600 °С) (см. рис. 283).

В виде общего вывода важно заметить, что у легированных сталей мартенситная структура может быть достигнута более медленным охлаждением, чем у углеродистых; более медленное охлаждение создает меньшие внутренние напряжения, что является фактором, повышающим конструктивную прочность.

Закалка стали на мартенсит — это первый этап термической обработки конструкционной стали. Низкая пластичность, значительные внутренние напряжения не допускают применения конструкционной стали только в закаленном состоянии. Необходим

отпуск, повышающий пластичность и вязкость и уменьшающий внутренние напряжения.

Отпуск — завершающая операция термической обработки конструкционной стали, окончательно формирующая ее свойства.

На примере хромоникелевой низко- и среднеуглеродистой стали (наиболее типичной) рассмотрим, как изменяются механические свойства в зависимости от температуры отпуска (рис. 289).

В обоих случаях с повышением температуры отпуска (выше 200 °С) предел прочности падает, а пластичность (в данном случае относительное сужение) возрастает.

В низкоуглеродистой стали после закалки получается достаточно пластичный мартенсит. Отпуск при снимает (конечно, только частично) внутренние напряжения и несколько повышает пластичность. В лучших сортах низкоуглеродистых легированных сталей при такой термической обработке (закалка отпуск при достигается высокий комплекс механических свойств при до Структура после такой обработки состоит из отпущенного малоуглеродистого мартенсита.

Для среднеуглеродистых конструкционных которых после закалки получается мартенсит с большим содержанием углерода, такой отпуск недостаточен, если стремиться получить высокую вязкость.

При низком отпуске прочность будет повышенной а пластичность и вязкость — низкими. Поэтому для этих сталей необходим более высокий отпуск, который обычно проводят при При этой температуре происходит полный распад мартенсита с образованием зернистой высокодисперсной феррито-карбидной смеси — сорбита. Механические свойства при этом будут примерно такими же, как и при низкотемпературном отпуске малоуглеродистых сталей, т. е.

Итак, можно сделать некоторые выводы.

Типичным режимом термической обработки для получения лучшего комплекса механических свойств являются: для малоуглеродистых легированных сталей — закалка с в масле с отпуском при (структура отпущенного мартенсита); для среднеуглеродистых легированных сталей — закалка с в масле с отпуском при 550—650°С (структура сорбита). В обоих случаях механические свойства получаются почти одинаковые

В ряде случаев от этих основных режимов термической обработки отступают и применяют несколько иные.

Так, высоколегированные низкоуглеродистые стали иногда отпускают при высокой температуре. Это делается для получения большей пластичности и вязкости (за счет некоторого снижения прочности).

Среднеуглеродистые стали, если требуется получить особо высокую прочность отпускают при надо, однако, иметь в виду, что ударная вязкость при этом сравнительно низкая

Высокое сочетание прочности и вязкости получается в некоторых сталях в результате изотермической закалки с распадом аустенита в промежуточном интервале температур (300— 400 °С).

Наиболее высокую прочность получают путем Технологическое осуществление ТМО, однако, достаточно сложно.

Рис. 290. Влияние отпуска на ударную вязкость легированной стали: 1 — быстрое охлаждение; 2 — медленное охлаждение

Рассмотрим теперь, как влияют температура отпуска и скорость охлаждения после отпуска на ударную вязкость легированной конструкционной стали (рис. 290). Поскольку влияние этих факторов на эти свойства иное в легированных сталях, чем в углеродистых.

При медленном охлаждении после отпуска кривая ударной вязкости имеет два минимума - для отпуска при 300 °С и при Охрупчивание стали при некоторых условиях отпуска называется отпускной хрупкостью. Понижение вязкости при этом вызвано повышением температуры перехода в хладноломкое состояние. Различаются два рода отпускной хрупкости.

Отпускная хрупкость I рода проявляется при отпуске примерно всех сталей, независимо от их состава и скорости охлаждения после отпуска.

Развитие отпускной хрупкости I рода вызывается неравномерностью распада пересыщенного твердого раствора углерода в о-железе (в отпущенном мартенсите). Распад протекает при этих температурах наиболее полно (почти до конца) по границам зерен, в результате чего появляется резкое различие между прочностью пограничных слоев зерна и телом самого зерна. В этом случае менее прочные приграничные слои начинают играть роль концентратов напряжения, что и приводит к хрупкому разрушению. При увеличении продолжительности отпуска или при повышении температуры степень распада а-раствора должна выравниваться по зерну, а вязкость стали восстанавливается. Впрочем сказанные соображения надо рассматривать как предположительные.

Отпускная хрупкость II рода обнаруживается после отпуска выше Характерная особенность хрупкости этого вида заключается в том, что она проявляется в результате медленного охлаждения после отпуска: при быстром охлаждении вязкость не уменьшается, а монотонно возрастает с повышением температуры отпуска (как показывает верхняя кривая, приведенная на рис. 290). Однако отпускная хрупкость II рода снова может быть вызвана новым

высоким отпуском с последующим замедленным охлаждением.

Следует отметить, что остальные характеристики механических свойств практически не зависят от скорости охлаждения после отпуска.

Не все стали склонны к отпускной хрупкости II рода. Она не появляется у углеродистых сталей. Склонность к отпускной хрупкости возникает при легировании стали карбидообразующими элементами (марганца, хрома) при наличии в ней более 0,01 % Р. Хром делает сталь особо чувствительной к условиям охлаждения при отпуске, особенно если, кроме хрома, сталь содержит еще никель или в повышенном количестве марганец. Если марганец и фосфор усиливают эту чувствительность, то молибден и в меньшей степени вольфрам уменьшают ее.

Опыты показали, что если легированную сталь, быстро охлажденную после отпуска при 650 °С, вновь подвергнуть продолжительному нагреву при 500-520 °С, то независимо от скорости последующего охлаждения в стали развивается хрупкость. Следовательно, в стали при температурах ниже 600 °С совершаются какие-то диффузионные процессы, приводящие к охрупчиванию.

Какова природа отпускной хрупкости II рода?

Металлографически показано, что развитие отпускной хрупкости сопровождается выделением избыточных фаз по границам зерна.

Рис. 291. Микроструктура хромоникелевой стали после отпуска при 550 °С, X 500: а - медленное охлаждение — хрупкое состояние; б — быстрое охлаждение — вязкое состояние

Оказывается также, что наряду с этим происходит обогащение границ зерна фосфором, выявляемое травлением пикриновой кислотой (рис. 291, а).

Такое же травление стали, находящейся в вязком состоянии, не выявляет границ зерен (рис. 291, б).

Выдвинуто объяснение явления отпускной хрупкости II рода (Л. М. Утевским), которое вкратце сводится к следующему.

При высоком отпуске по границам зерна происходит более ускоренное (в сравнении с объемом зерна) карбидообразование и насыщение карбидной фазы марганцем, хромом, а также образование специальных карбидов (при соответствующей легированности). Этот процесс приводит к обеднению карбидообразующими элементами приграничных слоев зерна. При последующем медленном охлаждении (или во время выдержки при 500-520 °С) происходит обогащение этих приграничных слоев фосфором, так как при температурах ниже 600 °С фосфор приобретает стремление к диффузионному перераспределению в направлении участков, обедненных карбидообразующими элементами (явление восходящей диффузии), а диффузионная подвижность атомов фосфора при этих температурах достаточно велика. В итоге сталь охрупчивается из-за ослабления прочности межзеренных сцеплений.

При новом отпуске с последующим быстрым охлаждением хрупкость будет снята. Произойдет это потому, что выше неравномерность распределения фосфора по зерну уже не может сохраниться, его концентрация выравнивается, а при быстром охлаждении в районе температур ниже фосфор уже не успевает перераспределяться и вновь обогатить границы зерен.

Благоприятное влияние небольших добавок молибдена тормозящих и даже иногда устраняющих отпускную хрупкость II рода, объясняется тем, что молибден слабо участвует в образовании легированного цементита и при таких содержаниях не образует специальных карбидов. Поэтому обеднения приграничных участков зерен молибденом не происходит. Присутствие же молибдена в растворе уменьшает разницу в диффузионной подвижности атомов по границам и в объеме зерна и тем самым ослабляет возникновение неоднородности по другим карбидообразующим элементам. Вместе с тем молибден устраняет вредное влияние фосфора по границам зерен.

При более высоком содержании молибдена в стали уже может возникать специальный карбид. Это будет приводить к обеднению границ зерна молибденом при отпуске и к обогащению их фосфором при замедленном последующем охлаждении. Следовательно, при более высоких содержаниях молибден будет уже способствовать развитию отпускной хрупкости. Примерно также действует и вольфрам.

Из сказанного следует, что во избежание охрупчивания нужно избегать интервала температур отпускной хрупкости первого рода (300-400 °С). Для сталей, склонных к отпускной хрупкости II рода, следует предусматривать быстрое охлаждение после отпуска. Эти стали не должны в работе нагреваться до высоких температур (500— 600 °С), так как это может также повести к охрупчиванию. В тех случаях, когда после отпуска нельзя создать быстрое охлаждение (например, для очень крупных деталей), следует применять стали, легированные молибденом, замедляющим развитие отпускной хрупкости II рода.

Применение чистых сталей по фосфору в первую очередь, а также по примесям внедрения (кислорода, азота, водорода) и цветным металлам (олова, сурьмы и др.) более эффективное средство, чем дополнительное легирование молибденом или вольфрамом для устранения склонности к отпускной хрупкости II рода.