Отпуск сталей

Методы получения аустенита

Стали аустенитного класса образуются в процессе появления и роста зерен исходной микроструктуры металлического изделия. Формирование аустенита осуществляется на поверхности раздела фаз феррита и карбида. Карбидные частицы постепенно растворяются в твердом растворе аустенита.

Получить аустенит также можно из эвтектоидной модификации железа, состоящей из феррита и цементита. Для этого исходную металлическую заготовку необходимо нагреть до температуры 900 °C

Важно, чтобы в сплаве присутствовала минимальная концентрация углерода, равняющаяся 0,66%. Во время этого процесса феррит превращается в аустенит, а цементит полностью растворяется

В итоге сформируется нержавеющая аустенитная сталь.

При производстве металлических заготовок из аустенитных сталей, стабилизированных титаном, необходимо в вакуумно-индукционной печи переплавить металл. Полученный расплав выдерживают в течение длительного периода для его деазотирования. Количество времени, требуемого для этого процесса, зависит от массы исходного изделия. После выдержки в расплавленный аустенит вводится смесь из титана и нитридообразующих химических элементов.

При добавлении хрома и никеля в состав железной модификации нужно выдерживать материал в течение более длительного времени. Очень часто в полученный раствор добавляется смесь из молибдена или фосфора. Эти химические вещества увеличивает вязкость и усталостную прочность железного сплава. Для снижения износа полученного аустенита используют дополнительные легирующие материалы и энергоемкие карбиды.

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. Продуктом низкого отпуска является мартенсит отпуска, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией углерода и наличием в нем карбидов (ε-карбидов), которые когерентно связаны с решеткой мартенсита.

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.

Структура — троостит

Структура троостита образуется при более медленном охлаждении и представляет собой смесь феррита и цементита с высокой дисперсностью. Троостит имеет меньшие твердость и прочность, чем мартенсит.
 

Структура троостита образуется в результате превращения аустенита и представляет собой смесь феррита и цементита с высокой дисперсностью. Игольчатый троостит называется бейнитом. Троостит получается при более медленном охлаждении и имеет меньшую твердость и прочность, чем мартенсит.
 

Структура троостита образуется при более медленном охлаждении и представляет собой смесь феррита и цементита с высокой дисперсностью. Троостит имеет меньшие твердость и прочность, чем мартенсит.
 

Структура троостита образуется в результате превращения аустеиита и представляет собой смесь феррита и цементита с высокой дисперсностью. Игольчатый троостнт называется бейнитом. Троостит получается при более медленном охлаждении и имеет i-леньшую твердость и прочность, чем мартенсит.
 

Сталь со структурой троостита обладает повышенной твердостью 40 — 45 HRC, прочностью и умеренной вязкостью и пластичностью.
 

Частицы карбидов в структуре троостита или сорбита отпуска в отличие от троостита и сорбита, полученных в результате распада переохлажденного аустенита, имеют зернистое, а не пластинчатое строение. Образование зернистых структур улучшает многие свойства стали, особенно пластичность и вязкость, а главное — сопротивление разрушению. При одинаковой твердости и временном сопротивлении сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения предела текучести, относительного сужения и ударной вязкости, а также параметров вязкости разрушения.
 

Частицы карбидов в структуре троостита или сорбита отпуска в отличие от троостита и сорбита, полученных в результате распада переохлажденного аустенита, имеют зернистое, а не пластинчатое строение. Образование зернистых структур улучшает многие свойства стали. При одина-ковой твердости, пределе прочности и пластичности сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения предела текучести, относительного сужения и ударной вязкости.
 

Частицы карбидов в структуре троостита или сорбита отпуска в отличие от троостита и сорбита, полученных в результате распада переохлажденного аустенита, имеют зернистое, а не пластинчатое строение. Образование зернистых структур улучшает многие свойства стали, особенно пластичность и вязкость, а главное — сопротивление разрушению. При одинаковой твердости и временном сопротивлении сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения предела текучести, относительного сужения и ударной вязкости, а также параметров вязкости разрушения.
 

При распаде мартенсита получаются структуры троостита, сорбита и перлита. Они отличаются от тех же структур, получающихся в процессе распада аустенита, размером частиц и механическими свойствами. Форма цементитных включений, образующихся при распаде мартенсита, округлая, тогда как при распаде аустенита получаются пластинки цементита. Различная форма включений цементита обусловливает разные свойства. При одной и той же прочности сталь после отпуска получается более пластичной.
 

Выше 350 С образуются структуры троостита отпуска, а при дальнейшем повышении температур нагрева — сорбита отпуска.
 

Троостит и сорбит отпуска отличаются от структуры троостита и сорбита закалки. В то время как последние имеют пластинчатое строение, троостит и сорбит отпуска имеют зернистое строение.
 

С и получившей в результате термической обработки структуры троостита или сорбита, не наблюдается участков с отдельными зернами структурно изолированного феррита.
 

Большой интерес представляет легированный серый чугун , имеющий структуру троостита и обладающий высокими мехническими свойствами вследствие коренного изменения структуры металлической основы.
 

Нижний предел температуры закалки хромистой стали обеспечивает отсутствие в структуре троостита и грубых карбидных скоплений, а верхний предел ограничивает начало появления игольчатого мартенсита.
 

Перлит вспученный

Перлитом также называется кислое вулканическое стекло с мелкой структурой, по которой оно раскалывается на мелкие шарики,
имеющие иногда жемчужный блеск. Состав такого вспученного перлита, %: SiO₂ 65-75; Al₂O₃ 10-15;
Fe₂O₃ 1,5-2,5; CaO 1,5-2,5; MgO 1,5-2,0. Перлит вспученный содержит до 3-6% конституционной (связанной)
воды. При быстром нагревании содержащаяся в этом перлите вода испаряется, вспучивая породу с увеличением объёма до
10-20 раз. Температура вспучивания 850-1200°C. Вспученный перлит имеет объёмную массу 70-600 кг/м3,
что позволяет использовать его в качестве лёгкого заполнителя в теплоизоляционных изделиях.

Перлит вспученный находит применение прежде всего в строительстве: при изготовлении эффективной штукатурки, кирпича и блоков из
искусственного перлитового камня (преимуществами которого являются малый вес и лёгкость обработки), в качестве звукоизоляционного наполнителя,
утеплителя и т.д. Кроме того вспученный перлит применяют в сельском хозяйстве и не только.

Лит.:

Гуляев А.П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1977. — УДК669.0(075.8)

См. также Железоуглеродистые сплавы и Изотермическое превращение аустенита.

Критические точки превращения

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются А_rпри охлаждении и А_с при нагревании. В точках А_r2и А_с2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А _с3и А_r3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеродистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

Рис.3. Диаграмма состояния углеродистых сталей.

Прокаливаемость

Механические свойства элементов конструкции зависят от однородности структуры металла, которая напрямую зависит от сквозной прокаливаемости, минимального диаметра. Данный параметр характеризует образование более половины мартенсита. Так в таблице приведены некоторые показатели, при которых выдерживается критический диаметр.

Как показывает практика, на прокаливаемость большое влияние оказывают легирующие элементы. Особенно это заметно при наличии никеля. Его присутствие позволяет закаливать детали большого диаметра. Так из стали 40ХН2МА можно выточить и подвергнуть термообработке ответственную деталь диаметром свыше 100 мм с сохранением приданных свойств по всему объему.

Феррито-цементитная смесь

Рассмотрим превращения феррито-цементитной смеси ( перлита) в аустенит на примере эвтектоидной ( 0 8 % С) стали. Такие участки феррита неустойчивы и претерпевают превращение в аустенит, стабильный при данной температуре. Как видно из рис. 92 а, аустенит при температурах несколько выше Ас ( 727 С) содержит — 0 8 % С. Образование зародышей аустенита с таким содержанием углерода возможно благодаря флуктуа-циям концентрации углерода в феррите.
 

Сорбит представляет собой феррито-цементитную смесь, в которой пластинки цементита и феррита более тонки, чем в перлите.
 

Троостит представляет собой феррито-цементитную смесь с еще более высокой степенью измельчения ( дисперсности), чем в сорбите.
 

Различие между феррито-цементитными смесями, образующимися при различных температурах переохлаждения, состоит прежде всего в степени дисперсности ( размельченности) обеих составляющих эту смесь фаз — феррита и цементита: чем ниже температура превращения, тем более дисперсны обе фазы. При высоких температурах превращения ( около 700) феррито-цементитная смесь получается вполне дифференцированной ( фиг. Такая дифференцированная феррито-цементитная смесь называется перлитом. При несколько более низких температурах превращения ( около 650) феррито-цементитная смесь получается более дисперсной. Ее в этом случае называют сорбитом. При еще более низких температурах превращения ( 600 и ниже вплоть до температуры М) феррито-цементитная смесь получается настолько дисперсной, что ее строение почти не различимо ни при каких увеличениях оптического микрсскспа.
 

Превращение начнется образованием феррито-цементитной смеси — троостита, однако оно не закончится в области перлитного превращения, так как прямая 5 не пересекает линию ЬЬ.
 

Процесс образования зерен феррито-цементитной смеси начинается обычно одновременно в нескольких местах аустенитного зерна.
 

Распад аустенита с образованием феррито-цементитной смеси складывается из двух элементарных процессов: 1) образования зародышей перлита и 2) роста перлитных образований.
 

Распад аустенита с образованием феррито-цементитной смеси, как мы уже отмечали ранее, есть процесс диффузионный. А, как известно, все диффузионные процессы с понижением температуры замедляются. Поэтому при больших степенях переохлаждения, когда температура превращения сильно понижается, скорость распада аустенита уменьшается. При понижении температуры до температуры, отвечающей точке А / н ( 150 — 400 в зависимости от состава стали), диффузия углерода в аусте-ните идет столь медленно, что его распад на феррито-цементит-ную смесь становится невозможным.
 

Критические точки распада аустенита в феррито-цементитные смеси ( перлит, сорбит, троостит), смещенные переохлаждением до уровня линии АВ ( верхний район превращений — 700 — 500), обозначаются Аг ( в отличие от равновесной точки Аг), а точка, соответствующая началу образования мартенсита ( линияСО) — Мн. Как показывает рис. 81, положение мартенситной точки не зависит от скорости охлаждения.
 

Продуктами распада здесь также является феррито-цементитная смесь, при этом феррит имеет игольчатую форму, а цементит — зернистую.
 

Это объясняется разным характером строения феррито-цементитной смеси. В закаленном слое в результате отпуска мартенсита образуется феррито-цементитная смесь зернистого строения, а в сердцевине она имеет пластинчатое строение.