Хрупкость при отпуске легированных сталей

     Содержание 

    Введение……………………………………………………………………..3

1.Превращение мартенсита и остаточного аустенита при нагреве (отпуск стали)…………………………………………………………………………... 5

2. Хрупкость  при отпуске легированных сталей…………………………….7

    Заключение………………………………………………………………….10

    Список  литературы…………………………………………………………11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Повышение качества металла и его механические свойства – основной путь увеличения долговечности деталей и один главных источников экономии сталей и сплавов. Металловедение в связи  с непрерывным ростом уровня современной  техники, усложнением и расширением  требований, предъявляемых к свойствам  и качеству металлических сплавов, продолжает успешно развиваться  и в настоящее время. В машиностроении и строительстве наибольшее применение получили черные металлы, сталь и  чугун, представляющие собой сплавы железа с углеродом и другими  элементами.

     В России выпускается стали около 160 млн. тонн в год, почти столько  же, сколько в США и Японии вместе взятых. Однако, несмотря на это, металла не хватает, это объясняется в основном нерациональным его использованием. Дальнейшее увеличение выплавки стали не предполагается, несмотря на развитие машиностроения, жилищного и промышленного строительства.

     Развитие  народного хозяйства, наращивание  экономического потенциала страны будет  осуществляться без прироста потребления  металлопродукции. Сокращение расхода  металла в машиностроении и строительстве  может быть достигнуто за счет:

     - повышения коэффициента использования  металла для деталей, подвергаемых  обработке резанием;

     - увеличения прочности, надежности  и долговечности металла повышением  его чистоты, микролегирования  и широкого применения упрочняющей  термической, химико-термической  и других видов обработки на  металлургических и машиностроительных  заводах;

     -  повышения коррозийной стойкости  различными методами;

     - уменьшения металлоемкости существующих  машин и новой техники;

     - снижение металлоемкости в строительстве  путем улучшения строительного  проектирования и совершенствования качества материалов;

     - широкого применения неметаллических  конструкционных материалов и  конструкционных материалов новых  поколений. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Превращение мартенсита и остаточного  аустенита при  нагреве (отпуск стали)

     Термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температуры ниже точки А₁, называют отпуском. Типичная структура –твердых раствора (закаленной стали – мартенсит и остаточный аустенит, которые являются неравновесными фазами. Переход стали в более устойчивое состояние должен сопровождаться распадом мартенсита и остаточного аустенита с образованием структуры, состоящей из феррит-карбида. Характер и скорость распада мартенсита и остаточного аустенита обусловлено температурой нагрева при отпуске.

     Распад  мартенсита (первое превращение при  отпуске). На первой стадии превращения (при температуре порядка 100-150 ⁰С) в кристаллах мартенсита образуется ɛ-карбид. Концентрация углерода в этих участках мартенсита, непосредственно окружающих кристаллы выделившихся карбидов, резко уменьшается, тогда как более удаленные участки сохраняют исходную концентрацию углерода, полученную после закалки. Таким образом, после нагрева до низких температур в стали наряду с частицами выделившихся карбидов одновременно присутствуют два α-твердых раствора (мартенсита) с более высокой (исходной) и низкой концентрацией углерода. Данный тип распада мартенсита называется двухфазным.

       На второй стадии превращения (при 150-350⁰ С) из мартенсита продолжают выделяться карбиды и, следовательно, он обедняется углеродом.

     При этих температурах диффузия углерода возрастает и кристаллы карбидов укрупняются в результате притока  атомов углерода из областей твердого раствора (мартенсита) с повышенной концентрацией углерода; поэтому  в итоге концентрация углерода в  кристаллах α-фазы приближается к равновесной.

     При низкотемпературном отпуске легированных сталей диффузионного перераспределения  легирующих элементов не происходит. Выделяющиеся частицы карбидов имеют такое же среднее содержание легирующих элементов, как и в мартенсите.

     Превращение остаточного аустенита (второе превращение при  отпуске). При отпуске высокоуглеродистых и многих легированных среднеуглеродистых сталей, содержащих повышенное количество остаточного аустенита, при 200-3 ⁰ С происходит превращение остаточного аустенита с образованием обеденного по углероду мартенсита и частиц карбидов, т.е. тех же фаз, что при отпуске закаленного мартенсита при той же температуре. Однако структурное состояние продуктов распада остаточного аустенита отличается от тех же, но получаемых при превращении мартенсита. Распад остаточного аустенита протекает по кинетике, аналогичной бейнитному распаду переохлажденного аустенита.

     Большинство легирующих элементов не только увеличивает  количество остаточного аустенита  в закаленной стали из-за снижения температуры М_н и М_к, но и повышает температурный интервал его распада при отпуске.

     Снятие  внутренних напряжений и карбидное превращение (третье превращение при  отпуске). При 350-400 ⁰ С полностью завершается процесс выделения углерода из α-раствора (мартенсита), происходит нарушение когерентности и обособление решеток феррита и карбида, связанное с одновременным протеканием карбидного превращения, в результате которого образуется цементит (Fe₂C→Fe₃C). Превращение ɛ-карбида в Fe₃C происходит при перестройке решетки в пределах карбидной частицы, или при растворении частиц ɛ-карбидав матрице и выделении кристаллов цементита.

     Кроме того, изменяются размеры и форма  карбидных частиц: она приближается к сфероидальной. Наряду с карбидным  превращением при этих температурах отпуска происходит изменение субструктуры – полигонизация α-фазы и релаксация макро- и микронапряжений, возникающих  при закалке в процессе мартенситного  превращения. Образующуюся после отпуска при 350-400 ⁰ С структуру обычно называют трооститом отпуска.

     Коагуляция  карбидов (четвертое  превращение при  отпуске 500-680 ⁰С). Повышение температуры отпуска сверх 400-500 ⁰ С в углеродистых и многих низко- и среднелегированных сталях не вызывает изменения фазового состава. Однако, с повышением температуры изменяется микроструктура; происходят коагуляция и сфероидизация карбидов и изменяется субструктура α-фазы.

     Коагуляция  карбидов при отпуске происходит в результате растворения более  мелких и роста более крупных  частиц цементита при одновременном  обеднении углеродом α-твердого раствора. Структуру стали после  высокого отпуска называют сорбитом отпуска.

2. Хрупкость при отпуске легированных сталей.

     При отпуске некоторых легированных сталей (250-400 и 500-550 ⁰ С) снижается ударная вязкость – это получило название отпускной хрупкости. В легированной стали могут возникнуть два вида отпускной хрупкости. Рис.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Первый  вид отпускной хрупкости, называемый необратимой отпускной хрупкостью первого рода, наблюдается в результате отпуска при 250-400 ⁰ С. Отличительной особенностью хрупкости первого рода является ее необратимый характер: хрупкость этого рода устраняется нагревом до температуры больше 400 ⁰ С, а последующий нагрев при 250-400 ⁰ С уже не снижает ударной вязкости. Сталь в состоянии необратимой отпускной хрупкости имеет блестящий межкристаллитный излом. Наиболее вероятной причиной охрупчивания является выделение по границам зерен карбидов на начальных стадиях распада мартенсита. Вследствие этого возникает объемно-напряженное состояние и сопротивление разрушению по границам зерна оказывается меньшим, чем в объеме зерна, что влечет за собой интеркристаллитное хрупкое разрушение. В связи с этим отпуск в области температур наиболее интенсивного развития необратимой хрупкости не проводят.

     Второй  вид отпускной хрупкости, называемый обратимой отпускной хрупкостью или хрупкостью второго рода, наблюдается  в некоторых сталях определенной легированности, если они медленно охлаждаются (в печи или даже на воздухе) после отпуска при 500-550 ⁰С, или если их слишком долго выдерживают при 500-550 ⁰С. При развитии отпускной хрупкости происходит сильное уменьшение ударной вязкости и, что самое главное, повышение порога хладноломкости. В стали в состоянии отпускной хрупкости уменьшается работа зарождения трещины и особенно ее распространения. Этот вид хрупкости несколько подавляется, если охлаждение с температуры отпуска проводят быстро, например в воде. При быстром охлаждении с температур отпуска 500-650 ⁰С можно получить волокнистый, характерный для вязкого состояния излом. После медленного охлаждения получается хрупкий кристаллический излом.

     Существенным  признаком хрупкости второго  рода является ее обратимость. Хрупкость, возникшая в результате медленного охлаждения с 500-550 ⁰С и которая может быть устранена повторным отпуском при 600-650 ⁰С с последующим быстрым охлаждением, будет вызвана вновь дополнительным отпуском определенной длительности при 500-550 ⁰С.

     Восприимчивыми  к хрупкости второго рода оказываются  стали, содержащие Сr, Mn, Ni, Si (по одиночке или совместно) и один или несколько  элементов примесей Р, Sb, Sn.  Введение в сталь молибдена или вольфрама в небольших количествах (0,2-0,3% Мо или 0,5-0,7% W) значительно уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости.

     Появление хрупкости второго рода наиболее вероятно связано с сегрегацией  атомов некоторых элементов Р, Sb, Sn (главным образом, фосфора) на границах зерен и обогащением поверхностных слоев зерна этими элементами без выделения, избыточных мелкодисперсных фаз (карбидов, фосфидов и т.д.). Обогащение пограничных зон фосфором, снижающим работу образования межзеренных трещин, приводит к развитию отпускной хрупкости: чем чище сталь от примесей, тем меньше ее склонность к отпускной хрупкости. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Заключение 

     Легирующие  элементы Сr, Mn, Ni, Si повышают содержание фосфора у границ зерен Мо (W), снижая диффузионную подвижность фосфора, уменьшают его содержание в приграничных зонах, уменьшают склонность стали к обратимой отпускной хрупкости. Обратимый характер отпускной хрупкости связывают с десегрегацией фосфора, протекающем при повторном нагреве. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Список  литературы 

     Ю.М. Лахтин «Металловедение и термическая  обработка металлов»