Отпускная хрупкость стали

Отпуск стали. Температура отпуска стали. Режимы отпуска стали. Отпускная хрупкость. Улучшение термическая обработка.

Отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей (см. Закалка стали). С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

Термическая обработка металла. Термическая обработка металлов и сплавов. Виды термической обработки металлов. Виды термообработки.

Различают три вида отпуска:

1. Низкий отпуск с температурой нагрева Т_н = 150…300 o С.

В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру – мартенсит отпуска.
Проводят для инструментальных сталей после закалки токами высокой частоты или после цементации.

2. Средний отпуск с температурой нагрева Т_н = 300…450 o С.

Получают структуру – троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40…45HRC c хорошей упругостью и вязкостью.
Используется для изделий типа пружин, рессор.

3. Высокий отпуск с температурой нагрева Т_н = 450…650 o С..

Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) – сорбит отпуска.
Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.
Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением.

Способы закалки. Способы закалки стали. Виды закалки стали. Технология закалки стали. Режимы закалки сталей.
Закалка стали. Закалка металла. Виды закалки. Температура закалки. Закаливаемость. Прокаливаемость. Критический диаметр.

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.

Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области температур около 300 o С. Она не зависит от скорости охлаждения. Это явление связано с неравномерностьюпревращения отпущенного мартенсита (см. Мартенсит. Мартенситное превращение.). 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.

Нормализация стали. Температура нормализации стали. Процесс нормализации стали.

Отпускная хрупкость II рода наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450…650 o С. 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 деекту способствуют хром, марганец и фосфор. Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам, а также быстрое охлаждение после отпуска.

Отжиг стали. Отжиг второго рода. Полный отжиг. Неполный отжиг. Полный и неполный отжиг. Изотермический отжиг.Отжиг стали. Отжиг первого рода. Диффузионный отжиг. Отжиг рекристаллизационный. Отжиг для снятия напряжений.

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 o С без последующего быстрого охлаждения.

Улучшаемые стали

Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3–05 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Углеродистые улучшаемые стали (стали 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия понижаются. Для мелких деталей после термической обработки получают sв=600¸700 МПа и КСU=0,4–0,5 МДж/м2. Если от деталей требуется более высокая поверхностная твердость (шпиндели, валы, оси и т.д.), то после закалки их подвергают отпуску на твердость НRС 40–50. Для получения высокой поверхностной твердости используют закалку ТВЧ (шестерни, коленчатые валы, поршневые пальцы и т.д.).
Для получения высоких механических свойств в деталях сечением более 25–30 мм применяют легированные стали, которые обладают большей прокаливаемостью, более мелким зерном, их критическая скорость закалки меньше, следовательно, меньше закалочные напряжения, выше устойчивость против отпуска. Отсюда их основное преимущество перед углеродистыми конструкционными сталями–лучший комплекс механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости.
Большинство легированных конструкционных сталей относится к перлитному классу.
При создании легированных сталей всегда учитывают стоимость легирующего элемента и его дефицитность.
Основным легирующим элементом в конструкционных сталях является хром, содержание которого обычно составляет 0,8–1,1 %; марганца в сталях до 1,5 %; кремния 0,9–1,2 %; молибдена 0,15–0,45 %; никеля 1–4,5 %. Общая сумма легирующих элементов не превышает 3–5 %.
Все перечисленные элементы, кроме никеля, увеличивая прочность стали, понижают ее пластичность и вязкость. Никель является исключением–он оказывает особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, никель понижает порог хладноломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особенно ценны как конструкционный материал.
Кроме названных элементов, в конструкционные стали для деталей машин вводят около 0,1 % V, Тi, Nb, Zr для измельчения зерна. Введение 0,002–0,003 % В увеличивает прокаливаемость.
Улучшаемые стали можно условно разделить на несколько групп. Широко применяют стали, легированные хромом, особенно стали марок 40Х, 45Х. Для увеличения прокаливаемости в них иногда добавляют бор (сталь 40ХР). Увеличение прокаливаемости (в сечении до 40 мм) достигается и добавлением в хромистые стали около 1 % Мn: 30ХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости II рода вводят 0,15–0,25 % Мо.
Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль, легированы хромом, кремнием и марганцем, т.е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемостью и прочностью, например, сталь 30ХГС после термической обработки имеет sв=1650 МПа при КСU=0,4 МДж/м2. Недостаток этих сталей склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.
Чем больше размер детали, сложнее ее конфигурация, выше напряжения, возникающие в ней в процессе работы, тем с большим количеством никеля применяют сталь для ее изготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т.д.
Молибден и волъфрам вводят в состав сталей также для уменьшении склонности к отпускной хрупкости. На рис.3 приведена диаграмма, позволяющая выбрать нужную марку стали, в зависимости от заданных прочности и размеров сечения.
Рис. 3.Диаграмма для выбора марок конструкционной стали в зависимости от заданной прочности и размера сечения детали:
1 — 30ХН3М; 2 — 30ХН3; 3 — 34ХМА; 4 — 33ХСА;
5 — 30Н3; 6 — 35ХА; 7 — 35СГ; 8 — сталь 30

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Особенности и виды отпуска стали как способа термообработки металла

Отпуском металла называется технологический процесс термообработки закалённого стального сплава. Он даёт возможность завершить фазовые превращения в микроструктуре (мартенсите), которая приобретает наиболее устойчивое состояние. Дело в том, что в процессе закалки в металле возникают внутренние напряжения — осевые, радиальные, тангенциальные. Чтобы устранить их негативные последствия такие как хрупкость и низкая пластичность, изделия нагревают в печах при различных температурах (от 250 °C до 650 °C), выдерживают заданное время (от 15 минут до 1,5 часа), а потом медленно охлаждают.

Комплекс этих мероприятий приводит к выделению лишнего углерода, перестройке и упорядочиванию структуры металла, устранению дефектов его кристаллического строения. Обработанные материалы приобретают заданный комплекс механических свойств, среди которых основные — увеличение пластичности и снижение хрупкости при сохранении достаточного уровня прочности.

Виды отпуска стали

1. Низкий.
2. Средний.
3. Высокий.

Понятие низкого отпуска.

Для снижения внутренних напряжений низкий отпуск стали обычно проводят нагреванием до 250 °C в течение от 1 до 2,5 часа. Из металла в процессе диффузии выделяется часть излишков углерода, из них образуются карбидные частицы в виде пластин и стержней. Неравновесная структура мартенсита закалки превращается в равновесный отпущенный мартенсит. Этим достигается стабилизация размеров изделий, повышаются вязкость и прочность, а показатели твёрдости практически не изменяются.

Низкотемпературному отпуску подвергают железоуглеродистые и низколегированные стали для производства режущего и измерительного инструмента, который не испытывает динамических нагрузок. В основном его выполняют для сталей, закалённых токами высокой частоты, а также для сплавов, поверхность которых ранее насыщалась углеродом и азотом.

Особенности среднего отпуска.

Он проводится при температурах от 350 °C до 500 °C и обеспечивает высокую упругость и релаксационную стойкость. Из стали выделяется весь избыточный углерод, а карбид переходит в цементит. Мартенсит уже полностью разложился, а перестройка структуры металла (полигонизация) и её совершенствование (рекристаллизация) ещё не начались. Новая комбинация называется троостомартенсит и характеризуется ускорением процессов диффузии. Кристаллическая решётка сплава при этом превращается в кубическую, а внутренние напряжения ещё больше уменьшаются.

Охлаждение металла осуществляют в воде, что тоже увеличивает предел выносливости. Среднетемпературный отпуск необходим при производстве упругих деталей: рессор, ударного инструмента и пружин.

Технология высокого отпуска.

При температурах свыше 500 °C в углеродистых сплавах происходят структурные преобразования, которые уже не относятся к фазовым превращениям. Претерпевают изменения конфигурация и габариты частиц кристаллов, их зёрна укрупняются, а форма стремится к равноосной. Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск стали, в материаловедении называется улучшением, а кристаллическая структура металла после этого — сорбитом отпуска. Она считается наиболее эффективной, так как достигается идеальное сочетание вязкости, пластичности и прочности сплава. Однако несколько снижается твёрдость, поэтому не приходится надеяться на улучшение износостойкости.

Продолжительность высокого отпуска варьируется в пределах от 1 до 6 часов и зависит от размеров зубчатых передач, опор, коленчатых валов, втулок, болтов и винтов, изготовленных из конструкционных и среднеуглеродистых сталей. Эти изделия в процессе эксплуатации воспринимают ударные нагрузки и работают на сжатие, растяжение и изгиб, а к их прочности, выносливости, текучести и ударной вязкости предъявляются особые требования.

Явление отпускной хрупкости

Изучая сущность процесса, можно было бы сделать вывод, что при любом увеличении температуры отпуска станет повышаться и ударная вязкость. Но при обработке стальных сплавов в определённых температурных интервалах возникает внезапное падение ударной вязкости без изменения прочих механических характеристик. Это явление обозначается термином «отпускная хрупкость» и объясняется следующим образом:

1. Отпускная хрупкость Ι рода — необратимый процесс. При температурах от 250 °C до 300 °C карбиды из мартенсита начинают выделяться неравномерно, что приводит к резкому различию прочности на поверхности зёрен кристаллов и внутри их. Этому подвержены все виды стальных сплавов вне зависимости от состава и скорости охлаждения по окончании отпуска. Это явление невозможно устранить и для его предотвращения стараются просто не выполнять обработку при данных температурах.
2. Отпускная хрупкость ΙΙ рода — обратимый процесс. Возникает при замедлении охлаждения некоторых легированных хромом, марганцем и никелем сталей, которые отпускались при температурах выше 500 °C. Причиной опять является выделение и диффузное перераспределение карбидов, а также фосфидов и нитридов. Чтобы подавить развитие обратимой хрупкости, применяют повторный отпуск с масляным охлаждением, при этом скорость последнего должна быть как можно более высокой. Добавки в легированную сталь до 1% вольфрама или до 0,3% молибдена тоже помогают решить эту проблему. Интересно, что если во время эксплуатации детали будут снова подвергаться нагреву до температуры выше 500 °C, отпускная хрупкость возникнет повторно, почему она и получила название обратимой.

Термообработка инструментальных сплавов

Практически для всех металлов справедливо утверждение: с повышением температуры отпуска снижается прочность и увеличивается пластичность. Исключение составляют только быстрорежущие стали, применяющиеся в производстве инструментов. Для обеспечения лучших характеристик теплостойкости и износостойкости их легируют карбидообразующими элементами: молибденом, кобальтом, вольфрамом и ванадием. А для закалки используют нагрев до температур свыше 1200 °C, что позволяет наиболее полно растворить образовавшиеся карбиды.

Теплопроводности самого железа и легирующих его элементов значительно различаются, поэтому для предотвращения деформации и растрескивания при нагреве следует выполнять температурные паузы. Это происходит при достижении 800 °C и 1050 °C, а для больших предметов первый интервал назначают при температуре 600 °C. Длительность остановки лежит в пределах от 5 до 20 минут, что позволяет обеспечить наилучшие условия для растворения карбидов. Охлаждение чаще всего проводят в масле.

Существенно уменьшить деформацию позволяет ступенчатая термообработка стали в расплавах солей, где закалка выполняется при температуре около 500 °C. Для увеличения твёрдости изделий далее следует двукратный отпуск при 570 °C. Длительность процесса составляет 1 час, а на его режим влияют химические свойства легирующих элементов и температура, определяющая скорость выделения карбидов.

Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа

Глава I. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАТИМОЙ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ

1. ПРОЯВЛЕНИЯ И КАЧЕСТВЕННЫЕ ПРИЗНАКИ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ

Отпускной хрупкостью стали и сплавов железа называют происходя­щее в результате пребывания стали (закаленной, или высокоотпущенной, или даже отожженной) в температурном интервале 600—400°С снижение прочности межзеренной связи, которое обнаруживается обычно по повышению температуры хрупковязкого перехода, сопровождае­мому увеличением доли межзеренного разрушения в хрупкой состав­ляющей излома. Хрупкость этого вида называют обратимой, посколь­ку при нагреве стали в состоянии отпускной хрупкости до температур выше интервала охрупчивания хрупкость может многократно устра­няться и возникать вновь при последующей выдержке или медленном охлаждении в опасном интервале температур.

Первоначально отпускная хрупкость была обнаружена при отпуске сталей. Но, как ясно сейчас, термин «отпускная» не соответствует фи­зической сущности явления, поскольку развитие отпускной хрупкости вовсе не обусловлено процессом отпуска продуктов закалки: отпуск­ная хрупкость вполне отчетливо развивается в сталях, предварительно стабилизированных после закалки длительным высоким отпуском или отожженных, не сопровождаясь какими либо изменениями суб- и мик­роструктуры [1—3].

Термические условия развития отпускной хрупкости обусловливают большое практическое значение этого явления. Многие крупногабарит­ные массивные детали из легированных сталей во избежание возникно­вения неблагоприятных внутренних термических напряжений охлажда­ют после высокого отпуска с очень низкой скоростью, и поэтому они длительное время (десятки или даже сотни часов) находятся в опасном диапазоне температур 600-400°С. Кроме того, температуры, при кото­рых эти изделия эксплуатируют, также могут попадать в опасный ин­тервал, что с течением времени будет приводить к охрупчиванию стали и снижению сопротивления детали и конструкции в целом. Наблюдае­мое в результате охрупчивания при замедленном охлаждении и при длительных изотермических выдержках повышение температуры хруп­ко-вязкого перехода стали может достигать сотен градусов [1,4, 5]. Так, при снижении скорости охлаждения после выского отпуска до 2,5—5°С/ч (рис. 1) температура хрупко-вязкого перехода промышлен­ной плавки роторной стали типа 25ХНЗМФА повышается на 80—90°С [2], а для промышленной плавки дисковой стали типа 35ХН4МА значе­ние ΔΓ_κ при таких скоростях охлаждения составило 200—230°С [4]. В процессе длительной (3—5 тысяч ч) изотермической выдержки при 450—480°С (рис. 2) критическая температура хрупкости сталей типа

15ХНЗМФА [2], 35ХНЗМФ [5], 20Х2М [6] повышается на 120-200°С. С увеличением длительности изотермического охрупчивания при 450°С до 35000 ч повышение критической температуры хрупкости достигает для стали типа 35ХНЗМФА, предварительно закаленной и отпущенной на предел текучести около 10 3 МПа, 530°С [5].

Иногда разделяют понятия отпускной и тепловой хрупкости, пони­мая под тепловой, в отличие от отпускной, хрупкость, возникающую в условиях эксплуатации стали под влиянием длительных выдержек при температурах, лежащих ниже температур появления отпускной хрупко­сти.

Однако многие внешние проявления обоих видов хрупкости и фак­торы, их вызывающие, практически идентичны, особенно если прочно­стные свойства и структура стали предварительно стабилизированы вы­соким отпуском достаточной продолжительности, и не изменяютcя в процессе пребывания стали при более низких температурах. Поэтому часто оба вида охрупчивания рассматривают как одно явление, имею­щее общие основные признаки, качественно характеризующее охрупченное состояние стали и процесс охрупчивания и отличающие его от других видов хрупкости. Известны следующие общие признаки, харак­терные как для отпускном, так и для тепловой хрупкости:

1) температурные условия развития хрупкости (кажущиеся отличия в критических температурных интервалах обусловлены длительностью охрупчивающего воздействия) ;

2) обратимость — возможность устранения хрупкости и повторного охрупчивания без изменения других свойств;

3) отсутствие изменений почти всех физических и механических свойств, кроме склонности стали к хрупкому разрушению;

4) увеличение доли межзеренного разрушения в хрупкой составляю­щей излома;

5) усиление травимости границ зерен специальными травителями при неизменной микроструктуре.

К общим признакам можно отнести также обнаруженную и иссле­дованную в последние годы, благодаря в основном развитию Оже-электронной спектроскопии, зернограничную сегрегацию ряда примес­ных и легирующих элементов [5, 7, 8], развивающуюся как при от­пускной, так и при тепловой хрупкости.

В связи с этим в большинстве опубликованных в последние годы работ, посвященных изучению хрупкости (возникающей как при за­медленном охлаждении после высокого отпуска, так и при длительных выдержках в этом же интервале температур) оба вида охрупчивания определяют одним термином — обратимая отпускная хрупкость.

Рассмотрим основные внешние проявления обратимой отпускной хрупкости.

Температурные условия развития хрупкости

Обратимая отпускная хрупкость развивается в определенных тем­пературных условиях, причем кинетика охрупчивания зависит от тем­пературы. Температурный интервал, в котором развивается обрати­мая отпускная хрупкость, в свою очередь, зависит от длительности процесса охрупчивания, снижаясь с увеличением продолжительности термического воздействия [9, 10]. Как правило, нижняя граница тем­пературного интервала развития обратимой отпускной хрупкости низ­колегированных сталей лежит около 400—500°С, причем при достаточ­но длительных выдержках охрупчивание вблизи нижней границы мо­жет быть значительным. Так, выдержка закаленной и высокоотпущенной стали типа 35ХНЗМФ в течение 3500 ч при 400°С приводит к по­вышению температуры хрупко-вязкого перехода на 110°С [5] при на­личии основных признаков обратимой отпускной хрупкости: полно­стью межзеренного излома в условиях хрупкого разрушения, обога­щения границ зерен примесями и т.д.

Температурный интервал возникновения обратимой отпускной хруп­кости со стороны своей нижней границы может несколько перекры­ваться с интервалом развития необратимой отпускной хрупкости, или (как ее часто называют в зарубежной литературе) хрупкости отпущен­ного мартенсита (250-400°С). Однако, если сталь стабилизирована до­статочно длительным высоким отпуском, то необратимая отпускная хрупкость, связанная с распадом мартенсита [273], не возникает, и нижняя граница температур, при которых развивается охрупчивание, действительно, характеризует температурный интервал обратимой от­пускной хрупкости.

Сталь и всё о стали

Ещё один сайт на WordPress

Рубрики

Свежие записи

Архивы

Хрупкость при отпуске конструкционной стали

Особенностью легированной конструкционной стали, в отличие от простой, является поведение ее при отпуске, выражающееся в появлении двух видов хрупкости.

Первый вид хрупкости при отпуске. Начиная от температур порядка 200°, отвечающих энергичному распаду мартенсита при отпуске, у данной стали наблюдается постепенное понижение с„ и os при одновременном повышении 8 и ф, причем при температурах отпуска порядка 550—600° сталь сохраняет еще значительную прочность.

Иной характер имеет изменение ударной вязкости. В отличие от углеродистой стали, ударная вязкость которой по мере повышения температуры отпуска обычно непрерывно возрастает,, у легированной стали (фиг. 194) наблюдается «провал» ударной вязкости, т. е. резкое снижение ак, после отпуска в определенном интервале температур (в данном случае между 250—400°), что и представляет собой возникновение хрупкости в стали.

Такая хрупкость,, зависящая исключительно от температуры произведенного отпуска стали, неизменно сохраняется в ней, если температура соответствовала области «провала» на кривой а к, и ее поэтому называют неустранимой хрупкостью при отпуске.

Хрупкость, развивающаяся в интервале температур 250—400°, свойственна в той или иной мере всем маркам конструкционной стали и возникает только при отпуске закаленной стали, причем скорость охлаждения после отпуска не влияет на развитие этого вида хрупкости. Характерно, что процессы, обусловливающие развитие хрупкости в районе температур 250—400°, необратимы.

Другими словами, если хрупкость была устранена путем нагрева стали выше 400°, то она не возникает вновь при повторных нагревах стали в зоне температур 250—400°. Поэтому хрупкость развивающуюся, при отпуске закаленной стали в районе температур 250—400°, называют также необратимой. Несмотря на многочисленные исследования, природа необратимой хрупкости приотпускедо настоящего времени не выяснена.

Существование в стали интервала температур, обусловливающего неустранимую хрупкость, приводиткто-му, что конструкционную легированную сталь не отпускают в интервале температур .250—400° после закалки.

Второй вид хрупкости при отпуске. Кроме указанного вида неустранимой хрупкости при отпуске, у ’Многих марок конструкционной легированной стали существует еще другой вид хрупкости, наблюдаемый тоже при отпуске, но обязательно высоком (выше 450°), и связанный со скоростью последующего охлаждения после произведенного нагрева для отпуска, а именно: если охлаждение проводится медленно, ударная вязкость оказывается сниженной — проявляется хрупкость.

В случае быстрого охлаждения ударная вязкость сохраняется на высоком уровне. Существенными признаками этого вида хрупкости являются ее обратимость и устранимость. Развивающаяся хрупкость в процессе медленного охлаждения может быть устранена быстрым охлаждением при повторном отпуске и снова получена новым нагревом с медленным охлаждением.

Этот вид хрупкости ноблюдается иногда при медленном охлаждении после нагрева до 500—700° нормализованной и даже отожженной стали. Но обычно он проявляется именно при отпуске закаленной стали, почему его и называют отпускной хрупкостью1 или обратимой хрупкостью при отпуске.

Хрупкость может развиваться также в результате длительного нагрева стали при 400—550°, причем высокая скорость охлаждения после нагрева в этом случае •не устраняет хрупкости.

Полагают, что причиной возникновения отпускной хрупкости служат выделяющиеся в стали при ее медленном охлаждении какие-то дисперсные составляющие. Быстрое охлаждение предотвращает выделение этих составляющих. Считают, что возможность выделения указанных составляющих возникает в результате изменения предельной растворимости их в феррите в зависимости от температуры.

В области температур высокого отпуска предельная растворимость этих составляющих больше, чем при атмосферной температуре. При медленном охлаждении стали после ее нагрева для отпуска, в связи с уменьшением предельной растворимости, эти составляющие выделяются из феррита в виде дисперсных трудноразличимых под микроскопом частиц, располагающихся между зернами, что и приводит к образованию хрупкости. При быстром же охлаждении после такого нагрева составляющие не успевают выделиться из феррита и, следовательно, сохраняются в твердом растворе, почему и отсутствует отпускная хрупкость.

Легирующие элементы оказывают различное влияние на склонность стали к отпускной хрупкости: Мп, Сг, а также элементы-примеси Р и N резко повышают чувствительность стали к этому виду хрупкости. Другие элементы действуют в том же направлении, но слабее указанных. Только Мои W значительно ослабляют восприимчивость стали к отпускной хрупкости и иногда даже ликвидируют ее совершенно.

Идентичные по химическому составу стали обладают различной склонностью к отпускной хрупкости в зависимости от способа выплавки и индивидуальных особенностей плавки.

Обычно основная мартеновская сталь обладает несколько большей отпускной хрупкостью, чем кислая мартеновская и основная электросталь.

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.

Обратимая отпускная хрупкость

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 29 Апреля 2013 в 19:58, курсовая работа

Краткое описание

Отпускная хрупкость присуща многим сталям и сплавам на основе железа. Проблема отпускной хрупкости стала острой в период первой мировой войны, когда расширилось производство из легированных сталей изделий большого сечения (брони и орудий). В результате медленного охлаждения с температуры высокого отпуска ударная вязкость легированной стали может оказаться в несколько раз (и даже на порядок) меньше, чем после охлаждения в воде с той же температуры. На других свойствах при комнатной температуре состояние отпускной хрупкости практически не сказывается.

Содержание

Введение
Отпускная хрупкость
Температурные условия развития обратимой отпускной хрупкости
Обратимость отпускной хрупкости
Увеличение доли межзёренного хрупкого разрушения
Способы борьбы с обратимой отпускной хрупкостью
Выводы
Список литературы

Вложенные файлы: 1 файл

ккр по тто.docx

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра «Физика металлов и материаловедения»

“ Теория термической обработки металлов”

“ Обратимая отпускная хрупкость”

студент гр.420691 Евтушенко И. А.

проф. Архангельский С. И.

Температурные условия развития обратимой отпускной хрупкости

Обратимость отпускной хрупкости

Увеличение доли межзёренного хрупкого разрушения

Способы борьбы с обратимой отпускной хрупкостью

Отпускная хрупкость присуща многим сталям и сплавам на основе железа. Проблема отпускной хрупкости стала острой в период первой мировой войны, когда расширилось производство из легированных сталей изделий большого сечения (брони и орудий). В результате медленного охлаждения с температуры высокого отпуска ударная вязкость легированной стали может оказаться в несколько раз (и даже на порядок) меньше, чем после охлаждения в воде с той же температуры. На других свойствах при комнатной температуре состояние отпускной хрупкости практически не сказывается.

Отпускной хрупкостью стали и сплавов железа называют происходящее в результате пребывания стали (закаленной, или высокоотпущенной, или даже отожженной) в определенном температурном интервале снижение прочности межзёренной связи, которое обнаруживается обычно по повышению температуры вязко-хрупкого перехода, сопровождаемому увеличением доли межзёренного разрушения в хрупкой составляющей излома. На многих сталях охрупчивание наблюдается так же и по снижению ударной вязкости.

Различают отпускная хрупкость I рода (необратимая) и отпускную хрупкость II рода (обратимая).

На графиках ударная вязкость при 20° С – температура отпуска можно встретить два провала, соответствующих развитию отпускной хрупкости двух типов (рисунок 1).

Рисунок 1. Зависимость ударной вязкости при 20° С от температуры отпуска стали 37ХН3А.

Необратимая отпускная хрупкость стали проявляется в падении вязкости при отпуске в интервале 250 — 400° С. В иностранной литературе её часто называют «500° F-хрупкостью» и «300° С-хрупкостью» или хрупкость отпущенного мартенсита. Обратимая отпускная хрупкость (II рода) в наибольшей степени присуща легированным сталям после высокого отпуска и медленного охлаждения от температур отпуска. При быстром охлаждении после отпуска (в воде) вязкость не уменьшается, а монотонно возрастает с повышением температуры отпуска. Отпускная хрупкость усиливается, если сталь длительное время (8-10 ч) выдерживается в опасном интервале температур. Обратимая отпускная хрупкость стали проявляется в падении ударной вязкости легированной стали при медленном охлаждении в интервале 450-650° С, а также при более или менее длительных, выдержках при отпуске в этом интервале температур. Хрупкость этого вида называют обратимой, поскольку при нагреве стали в состоянии отпускной хрупкости до температур выше интервала охрупчивания хрупкость может многократно устраняться и возникать вновь при последующей выдержке или медленном охлаждении в опасном интервале температур. Обратимая отпускная хрупкость проявляется в резком смещении порога хладноломкости в сторону более высокой температуры. Отпускная хрупкость большинства легированных сталей вызывает снижение ударной вязкости и сопротивление хрупкому разрушению. Развитие обратимой отпускной хрупкости не сопровождается какими-либо изменениями других механических свойств, а также видимыми при световой и электронной микроскопии структурными изменениями. Лишь при травлении шлифов поверхностно-активными реактивами наблюдается повышенная травимость по границам аустенитных зерен. По этим границам происходит и межзеренное хрупкое разрушение.

Термические условия развития отпускной хрупкости обусловливают большое практическое значение этого явления. Многие крупногабаритные массивные детали из легированных сталей во избежание возникновения неблагопритяных внутренних термических напряжений охлаждают после высокого отпуска с очень низкой скоростью, и поэтому они длительное время (десятки или даже сотни часов) находятся в опасном диапазоне температур 600-400° С. Кроме того, температуры, при которых эти изделия эксплуатируют, также могут попадать в опасный интервал, что с течение времени будет приводить к охрупчиванию стали и снижению трещиностойкости детали и конструкции в целом.

Влияние скорости охлаждения V_0XJI после отпуска при 650° С на охрупчивание Cr-Ni-Mo сталей (Рисунок 2):

Рисунок 2. Влияние скорости охлаждения на охрупчивание Сr-Ni-Mo сталей.

При снижении скорости охлаждения после высокого отпуска до 2,5-2° С/ч температура хрупко-вязкого перехода промышленной плавки роторной стали типа 25ХН3МФА повышается на 80-90° С, а для промышленной плавки промышленной плавки дисковой стали типа 35ХН4МА значение ∆Т_К при таких скоростях охлаждения составило 200-300° С.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ ОБРАТИМОЙ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ

Обратимая отпускная хрупкость развивается в определенных температурных условиях, причем кинетика охрупчивания зависит от температуры. Температурный интервал, в котором развивается обратимая отпускная хрупкость, в свою очередь, зависит от длительности процесса охрупчивания, снижаясь с увеличением продолжительности термического воздействия.

Как правило, нижняя граница температурного интервала развития обратимой отпускной хрупкости низколегированных сталей лежит около 400-500°С, причем при достаточно длительных выдержках охрупчивание вблизи нижней границы может быть значительным. Так, выдержка закаленной и высокоотпущенной стали типа 35ХНЭМФ в течение 3500 ч при 400° С приводит к повышению температуры хрупко-вязкого перехода на 110° С при наличии основных признаков обратимой отпускной хрупкости: полностью межзеренного излома в условиях хрупкого разрушения, обогащения границ зерен примесями и т.д.

Температурный интервал возникновения обратимой отпускной хрупкости со стороны своей нижней границы может несколько перекрываться с интервалом развития необратимой отпускной хрупкости. Однако, если сталь стабилизирована достаточно длительным высоким отпуском, то необратимая отпускная хрупкость, связанная с распадом мартенсита, не возникает, и нижняя граница температур, при которых развивается охрупчивание, действительно, характеризует температурный интервал обратимой отпускной хрупкости.

Верхняя граница температурного интервала обратимой отпускной хрупкости лежит для большинства низколегированных конструкционных сталей в области 550-600° С. Однако известно, что она в значительной степени определяется химическим составом сплава и для ряда сплавов железа может быть более высокой. Так, для сплавов железа с очень низкой концетрацией углерода (0,001-0,003 %), легированных марганцем (1,45 %) или хромом (1,9 %) и содержащих 0,02-0,03 % Р, максимальное развитие обратимой отпускной хрупкости происходит в области температур 600- 700° С.

Данные о зависимости развития обратимой отпускной хрупкости от температуры и длительности охрупчивающей обработки имеются во многих работах, причем для ряда сплавов и сталей построены температурно-временные диаграммы охрупчивания при изотермических выдержках. Такие диаграммы, построенные разными способами для сплавов Fe-C-P, Cr-Mn-Ni, Cr-Ni-Mo сталей,- приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Температурно-временные диаграммы изотермического охрупчивания для сплавов Fe-C-P, Cr-Mn-Ni, Cr-Ni-Mo сталей.

Как видно, температурная зависимость развития обратимой отпускной хрупкости имеет экстремальный характер: охрупчивание становится заметным при температурах 400-500° С, при повышении температуры до некоторой Т* (так называемой температуры «носа» С-образной кривой охрупчивания) оно усиливается, достигая максимума, а затем дальнейшее повышение температуры охрупчивающей обработки приводит к снижению степени развития отпускной хрупкости. Экстремальный характер температурной зависимости охрупчивания является одним из наиболее общих проявлений обратимой отпускной хрупкости.

При этом характерно также то, что хотя для различных сталей и сплавов степень развития хрупкости может значительно различаться, наиболее сильное развитие хрупкости для большинства из них происходит, как видно на приведенных диаграммах охрупчивания, в довольно узком интервале температур.

Кинетика процесса развития обратимой отпускной хрупкости, как видно на приведенных на диаграммах охрупчивания, монотонна (по крайней мере, для предварительно стабилизированных высоким отпуском сталей): при увеличении длительности выдержки степень развития хрупкости возрастает и при некоторых значениях τ* зависящих от температуры, достигает насыщения. С повышением температуры Т (в пределах интервала развития отпускной хрупкости) скорость охрупчивания возрастает, причем она продолжает возрастать и при Т > Т*, однако максимально достигаемая степень развития хрупкости при этом снижается. Эти закономерности легко проследить, например, по кинетическим зависимостям изотермического охрупчивания Cr-Ni-Mo-V сталей.

ОБРАТИМОСТЬ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ

Если высокоотпущенную сталь, приведенную медленным охлаждением или изотермической выдержкой в состояние отпускной хрупкости, подвергнуть новому высокому отпуску и затем быстро охладить, то хрупкость устраняется и температура хрупковязкого перехода снижается до уровня, характерного для высокоотпущенной и быстро охлажденной, т.е. вообще не подвергавшейся охрупчивающей обработки, стали. Повторная выдержка в интервале развития обратимой отпускной хрупкости вновь приводит к охрупчиванию. Этим обратимая отпускная хрупкость качественно отличается от необратимой.

Если сталь многократно подвергать высокому отпуску, чередуя медленное и быстрое охлаждение, или многократно чередовать высокий отпуск с выдержкой при температуре развития хрупкости, то состояние отпускной хрупкости каждый раз соответственно возникает и устраняется, хотя степень развития хрупкости в стали, недостаточно стабилизированной первоначальным высоким отпуском, может постепенно уменьшаться до тех пор, пока повторные отпуски будут приводить к снижению прочности.

Снижение степени охрупчивания («возврат вязкости») при повторном высоком отпуске происходит весьма быстро. Так, уже за несколько минут выдержки при 650° С Сг-Ni сталь типа 20Х2Н2 почти полностью восстанавливает свои свойства, приобретенные при первом высоком отпуске (650°С) до охрупчивающей выдержки при 530°С; при этом критическая температура хрупкости снижается почти на 130°С и практически достигает исходных для «вязкого», т.е. неохрупченного состояния значений. Аналогичные данные получены для Сг-Ni-Mo-V сталей 15Х2НМФА и 15Х2НЗМФА, подвергнутых после высокого отпуска изотермическим выдержкам при 480 и 510° С продолжительностью 3000 ч, в результате чего повышение критической температуры хрупкости составило соответственно 80 и 120°С.

Повторный нагрев на 650° С длительностью 15-30 минут с последующим быстрым охлаждением (в воде) привел к снижению температуры хрупко-вязкого перехода практически до уровня «вязкого» состояния. При этом многочисленные исследования показали, что наряду с восстановлением вязкости стали практически полностью исчезают признаки интеркристаллитного разрушения в хрупком изломе и ослабляется до исходного уровня травимость границ зерен насыщенным водным раствором пикриновой кислоты. Охрупчивание этих сталей полностью обратимо: еще одна изотермическая выдержка предварительно охрупченных образцов после восстанавливающего нагрева (650° С) вновь приводит к охрупчиванию в такой же степени, как и при первой выдержке.

УВЕЛИЧЕНИЕ ДОЛИ МЕЖЗЕРЕННОГО ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

Как правило, по мере развития обратимой отпускной хрупкости хрупкое разрушение стали становится все в большей мере межзеренным при снижении доли транскристаллишого скола. В случаях особо яркого проявления отпускной хрупкости излом получается полностью межзеренным.

Нужно отметить, что отличить невооруженным глазом обнаруженную поверхность зерен на изломе от сколов по зерну можно лишь при достаточно крупном зерне. Поэтому обычно фиксируют наличие межзеренного разрушения, изучают его особенности и определяют количественную долю с помощью методов оптической и электронной микрофрактографии, а также сканирующей электронной микроскопии.