Влияние температуры отпуска на структуру стали

Температура нагрева при отпуске зависит от назначения стали. При нагреве до различных температур могут быть получены различные сочетания твёрдости и вязкости. Выполнение одного из видов отпуска закалённой на мартенсит стали является обязательной операцией.

Низкий отпуск (150–200 °С) назначается для инструментальных сталей (0,7–1,3 % углерода) для повышения вязкости (КСU ≈ 0,2 МДж/м²) при сохранении твёрдости (НRС 60). Такому виду отпуска подвергают режущий, мерительный, слесарный и штамповый инструмент.

При нагреве до 200 °С частично снимаются внутренние напряжения, так как внутри твёрдого раствора незначительное количество углерода, взаимодействуя с железом, образует ε-карбид (Fе_XС, где X = 2,0–2,4), а содержание углерода в основном объёме мартенсита снижается. Это приводит к повышению вязкости стали практически без разупрочнения, т. е. без снижения прочности и твёрдости. Полученную структуру называют мартенситом отпуска.

При повышении температуры до 300–400 °С (средний отпуск) мартенсит за­калки распадается на феррит и цементит. Наличие феррита – фазы с весьма низкой твёрдостью разупрочняет сталь, но повышает её вязкость (рис. 4.5.4). Структура, полученная средним отпуском, называется трооститом отпуска – весьма дисперсная феррито-цементитная смесь зернистой формы. В этой смеси цементит имеет форму, близкую к округлой (зернистой).

Среднему отпуску подвергаются изделия типа рессоры и пружины из конструкционных сталей с содержанием углерода 0,5–0,7 % для получения твёрдости НRС 40, повышенных значений предела упругости и ударной вязкости (КСU ≈ 0,4 МДж/м²).

Дальнейшее повышение температуры до 500–600 °С (высокий отпуск) приводит к коагуляции (укрупнению) цементитных частиц за счёт растворения более мелких, что обусловливает дальнейшее разупрочнение стали и повышение вязкости. Структура, полученная при высоком отпуске, называется сорбитом отпуска – дисперсная феррито-цементитная смесь зернистой формы.

Рис. 4.5.4 Зависимость твердости закаленной стали от температуры отпуска

Высокий отпуск выполняется для конструкционных сталей с содержанием углерода 0,3–0,5 % для получения твердости НRС 25 и наивысшей ударной вязкости (КСU ≈ 1,2 МДж/м²), исключающей хрупкое разрушение изделий типа валов, шатунов.

Время выдержки при отпуске назначается примерно в 2 раза больше, чем время выдержки при закалке. Это обусловлено, во-первых, тем, что прогрев изделий при температурах отпуска происходит медленнее, чем при температурах нагрева при закалке, и, во-вторых, значительной длительностью диффузионного процесса распада мартенсита на феррито-цементитную смесь при пониженных температурах отпуска.

Скорость охлаждения существенного влияния на структуру и свойства сталей не оказывает, поскольку все превращения должны завершиться в процессе выдержки при температуре отпуска. Обычно охлаждение выполняется на спокойном воздухе.

Порядок выполнения работы

1. Получить образцы конструкционной стали 40Х.

2. Назначить режим термической обработки, указанный в табл. 4.5.1.

3. Под руководством лаборанта выполнить термическую обработку; зачистить торцы образцов на абразивном камне; замерить твёрдость на приборе ТК–2 по шкале «С» и их значения вписать в таблицу отчета.

4. Установить закономерности изменения твёрдости стали от температуры нагрева при закалке, скорости охлаждения, температуры отпуска.

5. Объяснить полученные закономерности фазовыми превращениями и свойствами фаз.

3. Контрольные вопросы

1. Определение отжига, нормализации, закалки, отпуска стали.

2. Цели выполнения этих видов термообработки.

3. Основные принципы выбора температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения для указанных видов термообработки сталей.

4. Физический смысл критической скорости закалки.

5. Основные превращения при выполнении указанных видов термообработки.

6. Как влияет температура отпуска на механические свойства сталей?

7. Объяснить зависимость твёрдости стали от температуры нагрева при закалке; от скорости охлаждения (вода, масло, воздух, охлаждение с печью); от температуры отпуска.

8. Назначить режимы закалки и отпуска для изделий из указанной стали (30, 50, 60, У7, У8, У10, У12).