Механические свойства в зависимости от режима обработки

В зависимости от режима обработки стали, будут приобретены различные механические свойства, которые требуется получить для производства той или иной стали. Ниже приведена таблица механических свойств в зависимости от температуры отпуска полученных при закалке с 880 ^оС в масле и после отпуска с охлаждением в масле.

Таблица 6. Механические свойства в зависимости от температуры отпуска для стали 20ХГР [5].

tотп, оС	Ϭ0,2, МПа	Ϭв,МПа .	δ5, %	ψ, %	KCU, МДж/м2	Твердость, HRC,
					0,79 0,56 0,75 0,146 0,173

Отпускная хрупкость

Обычно с повышением температуры отпуска ударная вязкость увеличивается, а скорость охлаждения не влияет на свойства. Но для некоторых сталей наблюдается снижение ударной вязкости. Этот дефект называется отпускной хрупкостью.

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области температур около 300 ^oС. Она не зависит от скорости охлаждения.

Это явление связано с неравномерностьюпревращения оппущенного мартенсита. Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. У границ наблюдается концентрация напряжений, поэтому границы хрупкие.

Отпускная хрупкость I рода “необратима“, то есть при повторных нагревах тех же деталей не наблюдается.

Отпускная хрупкость II рода наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450…650 ^oС.

При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит диффузия фосфора к границам зерна. Приграничные зоны обогащаются фосфором, снижаются прочность и ударная вязкость. Этому дефекту способствуют хром, марганец и фосфор. Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам, а также быстрое охлаждение после отпуска.

Отпускная хрупкость II рода “обратима“, то есть при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур дефект может повториться.

Стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650 ^oС без последующего быстрого охлаждения.

Хромистые стали без других добавок маловосприимчивы к отпускной хрупкости. Введение в хромистую сталь добавок марганца, кремния и никеля резко повышает ее восприимчивость к отпускной хрупкости. Один никель не вызывает отпускной хрупкости, но при совместном присутствии в стали никеля и хрома или никеля и марганца отпускная хрупкость выражена особенно сильно, что и наблюдается в стали 20ХГР. Высокое содержание Cr, Ni и Mn, резко повышает склонность к отпускной хрупкости.

В качестве средств борьбы с возникновением отпускной хрупкости в производственной практике обычно используются два метода:

1). введение в сталь добавок молибдена (0,25...0,45 %) или вольфрама (0,6...1,2 %);

2) применение быстрого охлаждения стали после высокого отпуска путем ее замочки в воде или масле, когда остаточные напряжения не являются лимитирующим фактором.

Одновременное применение этих методов обычно позволяет достигнуть желательных результатов в отношении полного устранения отпускной хрупкости в правильно легированных марках стали.

Хладостойкость

Хладостойкость- это способность материалов, элементов, конструкций и их соединений сопротивляться хрупким разрушениям при низких температурах окружающей среды.

Механические свойства и хладостойкость стали определяются прежде всего тремя механизмами упрочнения:

1) измельчением зерна;

2) упрочнением феррита атомами легирующих элементов и примесей, образующими твердые растворы внедрения и замещения;

3) упрочнением выделениями частиц второй фазы различной степени дисперсности.

Углерод, хотя и способствует эффективному упрочнению, резко снижает вязкость и пластичность стали, способствуя повышению хладностойкости. Принято считать, что увеличение содержания углерода в стали на каждые 0,1 % повышает порог хладностойкости на 20 ^оС.

Снижение содержания углерода предотвращает образование при сварке в зоне термического влияния хрупких закалочных мартенситных структур. В свариваемых хладостойких сталях содержание углерода должно быть ниже 0,2 %, и в структуре должно быть мало перлита (малоперлитные стали).

Из всех легирующих элементов никель в наибольшей степени понижает хладноломкость стали. Никель и железо полностью растворимы друг в друге, имеют близкое строение кристаллических решеток. Никель не является карбидообразующим элементом, он находится в твердом растворе в феррите или аустените. Никель упрочняет феррит и одновременно увеличивает его вязкость. Никель увеличивает прокаливаемость стали, измельчает зерно, а также снижает концентрацию примесей на дислокациях и уменьшает блокирование дислокаций примесными атомами внедрения. Введение 1 % Ni снижает порог хладноломкости примерно на 20 ^оС, а увеличение содержания серы от 0,02 до 0,05 % более чем в два раза снижает ударную вязкость при –40 °С.

Увеличение содержания кремния более 0,8 % приводит к резкому снижению ударной вязкости. Кремний и марганец во всем исследованном диапазоне концентраций значительно повышают твердость феррита.

Резко отрицательное действие на хладостойкость оказывают вредные примеси: фосфор и сера. Растворяясь в феррите, фосфор заметно искажает кристаллическую решетку твердого раствора и повышает температуру перехода в твердое состояние. Охрупчивающее влияние фосфора усиливается при обогащении им межзеренных границ благодаря развитию ликвационных процессов.

Для повышения хладостойкости и свариваемости строительных сталей применяют малоперлитные стали с низким содержанием углерода, микролегированные сильными карбидообразующими элементами. Кроме того, используют стали, легированные азотом в сочетании с различными сильными нитридообразующими элементами, в качестве которых чаще всего применяют ванадий, алюминий, ниобий и титан. Выделение азота из твердого раствора в виде нитридов уменьшает его охрупчивающее действие. Это увеличивает прочность стали и, способствуя измельчению зерна, не ухудшает ее хладостойкости.

Из вышесказанного, обращая внимание на химический состав стали 20ХГР, можно сказать, что сталь 20ХГР склонна к отпускной хрупкости.

Рисунок 3. Ударная вязкость стали 20ХГР от температуры при закалке с 860 °С в масле, отпуск при 200 °С, охлаждение в масле; HRC = 45.

Рисунок 4. Ударная вязкость стали 20ХГР от температуры при закалке с 860 °С в масле, отпуск при 500 °С,охлаждение в масле; HRC = 31.

Прокаливаемость

Прокаливаемость стали - это способность стали приобретать при закалке мартенситную структуру в слое той или иной глубины. Прокаливаемость зависит от состава стали, условий нагрева и охлаждения и других факторов, но в первую очередь определяется кинетикой превращений аустенита; чем больше устойчивость аустенита при температурах перлитного и бейнитного превращений, тем выше прокаливаемость. Прокаливаемость определяется экспериментально (например, методом торцовой закалки), а также расчётным путём (на основе диаграмм превращений аустенита). В большинстве случаев для получения однородных механических свойств по сечению изделия требуется сквозная прокаливаемость, т.к. наличие в структуре немартенситных продуктов превращений аустенита (феррита, перлита, бейнита) ведёт к понижению пластичности и ударной вязкости после закалки и отпуска.

Линии прокаливаемости были получены путем расчетов по журналу «Материаловедение и термическая обработка металлов» [4].

Рисунок 5. Кривые прокаливаемости по верхнему и нижнему пределу

Рисунок 6. Полоса прокаливаемости стали 20ХГР после нормализации при 900 ^оС и закалки 900 ^оС [1].