Возврат и рекристаллизация матрицы

При отпуске закаленной стали проходят процессы возврата и рекристаллизации, аналогичные протекающим при нагреве холоднодеформированной стали. Различие обусловлено разницей исходной структуры. Плотность дислокации закаленной стали как и холоднодеформированной, высокая (10⁸-10¹⁰, мм^-2), однако в мартенсите отсутствует ячеистая структура, а дислокации распределены относительно равномерно; для такой структуры характерно множество границ между мартенситными кристаллами. Все это, а также выделение карбидной фазы при отпуске накладывают свои особенности на процессы возврата и рекристаллизации мартенситной матрицы.

По мере повышения температуры отпуска закаленной стали в тонкой структуре происходит перераспределение и аннигиляция дислокаций, выстраивание дислокаций в стабильные стенки, возникновение субзерен, образование полигональной субструктуры и начала рекристаллизации. Температурный интервал каждого из этих процессов и степень его реализации находятся в прямой связи с устойчивостью сегрегаций атомов примесей, типом, количеством и характером выделения карбидных (нитридных) фаз при отпуске и их влиянием на блокирование дефектов кристаллического строения.

Дисперсионное упрочнение

При отпуске закаленной легированной стали протекают два противоположных по влиянию на прочность процесса: раз­упрочнение вследствие распада мартенсита и упрочнение в результате выделения дисперсных частиц специальных кар­бидов. Дисперсные карбидные частицы повышают предел текучести стали (твердость, временное сопротивление), так как являются эффективными препятствиями на пути дви­жения дислокации. Эффективность упрочнения обусловли­вается количественным соотношением процессов разупроч­нения и упрочнения.

На рис. 20 приведена схема, иллюстрирующая соотно­шение процессов разупрочнения и упрочнения при отпуске легированного карбидообразующими элементами мартенси­та. Если повышение прочности |+Ds_д.ч| в результате вы­деления дисперсных частиц карбидов (рис.20, кривая1) превышает разупрочнение |-Ds_т.р| твердого раствора при отпуске (рис. 20, кривая 2) при повышении температуры суммарное изменение прочности стали (рис.20, кривая 3) будет характеризоваться наличием пика по­вышения прочности. Для приведенного случая при темпе­ратуре отпуска t₂ |+Ds_д.ч| > |-Ds_т.р|. Если эффект упрочнения будет меньше, чем эффект разупрочнения, т.е. |+Ds_д.ч| < |-Ds_т.р|, то на суммарной кривой изменения прочности пика не будет, а будет лишь наблюдаться замед­ление процесса разупрочнения (рис.20).

 

 

 

Рис. 20 - Изменение прочности вследствие распада мартенсита (1), из-за выделе­ния дисперсных карбидных частиц (2) и суммарное (3) при отпуске закаленной стали (М. И. Гольдштейн):

а - |+Ds_д.ч| > |-Ds_т.р|; б - |+Ds_д.ч| < |-Ds_т.р|

 

 

Для дисперсных частиц определенного фазового соста­ва соотношение между упрочнением и разупрочнением, т.е. результирующая прочность, будет зависеть от содержания легирующего элемента, образующего дисперсную упрочня­ющую фазу. Чем больше такого элемента выделяется в ви­де дисперсной фазы (при сохранении ее размеров), тем больше упрочнение преобладает над разупрочнением. На рис. 21 показано влияние содержания ванадия на прочность (твердость) стали 40 после закалки и отпуска.

Минимальная концентрация карбидообразующего эле­мента, при которой упрочнение преобладает над разупроч­нением, зависит от содержания углерода и типа образуемо­го карбида. Так, в низкоуглеродистой стали (0,1—0,15 % С) пик вторичной твердости появляется при 0,1—0,2 % V или 0,08—0,12 % Ni, или 2,5—3,0 % Сr.

Из приведенных примеров видно, что для разных содер­жаний элементов, образующих дисперсную упрочняющую фазу, кривые изменения прочности однотипны. Они разли­чаются только тем, что при большом количестве дисперсных частиц на кривых наблюдается максимум вторичной твердости, а при малом количестве его нет, но при этом происходит замедление падения прочности. В первом слу­чае явление повышения проч­ности обычно характеризуют термином дисперсионное твер­дение, а во втором - термином дисперсионное упрочнение. Термин

 

 

Рис. 21 - Влияние температуры отпуска на твердость стали 40 с разным содержанием ванадия (М. И. Гольдштейн)

 

«дисперсионное упроч­нение» является более общим, так как применим к процессам, при которых выделяется лю­бое количество дисперсных уп­рочняющих частиц, тогда как термин «дисперсионное тверде­ние» - лишь к процессам с та­ким количеством частиц, при котором появляется пик вто­ричной твердости.

Явление дисперсионного уп­рочнения при отпуске протека­ет в сталях, легированных сильными карбидообразующими элементами: Cr, Mo, W, V, Nb, Ti, Zr, а также в сталях, в которых упрочняющими фазами являются также нитриды и интерметаллиды.

Необходимо отметить, что пик вторичной твердости мо­жет быть обусловлен и превращением при отпуске остаточ­ного аустенита в мартенсит (вторичная закалка).

Зачастую пик вторичной твердости может быть обус­ловлен и дисперсионным упрочнением и вторичной закал­кой. Такое явление наблюдается, например, при отпуске быстрорежущих сталей.

Отпускная хрупкость стали

Конструкционные стали, подвергаемые закалке и отпуску, имеют склонность к отпускной хрупкости.

После отпуска при определенных температурах и условиях наблюдается повышение температуры вязко-хрупкого пере­хода (рис. 22). На многих сталях охрупчивание наблюда­ется и по снижению ударной вязкости (рис. 23). Однако изменение температуры перехода является более надеж­ным критерием склонности стали к отпускной хрупкости. Различают два рода отпускной хрупкости (рис. 23).

Отпускная хрупкость I рода, или необратимая, проявляется при отпуске около 300 °С, и отпускная хрупкость II рода, или обратимая, обнаруживается после отпуска выше 500 °С.

Необратимая отпускная хрупкость (I рода) присуща практически всем сталям, углеродистым и легированным, после отпуска в области температур 250—400°С. Повтор­ный отпуск при более высокой температуре (400—500 °С) снимает хрупкость, и сталь становится к ней не склонной даже при отпуске вновь в район опасных температур. В связи с этим эта хрупкость получила название необра­тимой. Этот род хрупкости не зависит от скорости ох­лаждения после отпуска.

Легирующие элементы, за исключением кремния,невлияют существенно на развитие хрупкости I рода. Крем­ний сдвигает интервал развития хрупкости в область более высоких температур отпуска (350—450°С). Высокотемпе­ратурная термомеханическая обработка (ВТМО) уменьша­ет склонность к отпускной хрупкости (см. рис. 23).Напрактике для исключения охрупчивания стали избегают проведения отпуска в области опасных температур.

Рис. 22 - Влияние температуры испытанияна переход стали 37ХНЗА из вязкого состояния в хрупкое: 1 - закалка; сталь склонна к отпускной хрупкости; 2 - ВТМО; сталь не склонна к отпускной хрупкости

Рис. 23 - Влияние температуры отпуска стали 37ХНЗА на ударную вязкость и твердость: 1 - закалка; сталь склонна к отпускной хрупкости; 2 - ВТМО; сталь не склонна к отпускной хрупкости

 

 

Хотя природа необратимой отпускной хрупкости стали окончательно не установлена, считается, что наиболее ве­роятной причиной охрупчивания является выделение кар­бидных фаз по границам зерен на начальных стадиях рас­пада мартенсита. Вследствие этого создается неоднородное состояние твердого раствора, возникают пики напряжений, и сопротивление разрушению по границам заметно меньше, чем по телу зерна, происходит межкристаллитное разру­шение.

Обратимая отпускная хрупкость (II рода) в наиболь­шей степени присуща легированным сталям после высоко­го отпуска при 500—650 °С 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.

Отпускная хрупкость II рода может быть устранена по­вторным высоким отпуском с быстрым охлаждением и вы­звана вновь высоким отпуском с последующим медленным охлаждением. Поэтому такую отпускную хрупкость назы­вают обратимой. 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 аустенистных зерен. По этим границам происходит и межзеренное хрупкое разрушение.

Легирование стали Сr, Ni, Мn усиливает отпускную хрупкость. Особенно сильно охрупчивается сталь при со­вместном легировании Сr+Ni, Сr+Мn, Сr+Мn+Si и др.

Введение до 0,4—0,5 % Мo и до 1,2—1,5 % W уменьшает, а иногда полностью подавляет склонность стали к обрати­мой отпускной хрупкости; при более высоком содержании этих элементов хрупкость вновь усиливается.

В последние годы достоверно установлена связь обра­тимой отпускной хрупкости с обогащением границ зерен примесями, в первую очередь фосфором и его химически­ми аналогами: сурьмой, мышьяком, а также оловом. По степени влияния на охрупчивание элементы располагают­ся в ряд Sb, Р, Sn, Аs, где наиболее сильное влияние ока­зывает сурьма. Так, содержание сурьмы 0,001 % уже вы­зывает значительное развитие хрупкости, повышая порог хладноломкости после окрупчивающего отпуска почти на 100 °С. При таких же содержаниях фосфор смещает порог хладноломкости на 40 °С. С помощью методов электронной микроскопии (ожеспектроскопия, метод обратного рас­стояния быстрых ионов) проведена оценка сегрегации ука­занных примесей на границах зерен. Установлено, что сегрегация примесей в приграничных участках превышает объемную концентрацию этих элементов в 100—1000 раз, а толщина приграничного слоя сегрегации составляет лишь несколько атомных слоев (до 1—2 нм).

Исследованиями этими же методами выявлена значи­тельная сегрегация на границах зерен легирующих эле­ментов (Cr, Ni, Mn и др.), которые значи­тельно увеличивают термодинамическую активность приме­сей и их приток к границам. Мо и W при оптимальных содержаниях не сегрегируют к границам. Вследствие падения поверхностной энергии межзеренного сцепления более чем на порядок происходит разрушение стали по границам аустенитных зерен.

Разработаны и нашли широкое практическое примене­ние методы борьбы с обратимой отпускной хрупкостью:

1. Легирование стали молибденом (0,2—0,4 %) илиегоаналогом вольфрамом в количестве 0,6-1,2%.

2. Ускоренное охлаждение (вода или масло) после вы­сокого отпуска.

3. Снижение содержания вредных примесей, особенно фосфора.

Необходимо также отметить, что применение вместо обычной закалки высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) позволяет подавить склонность, как к необратимой, так и к обратимой отпускной хрупкости (см. рис. 23). Причина такого влияния ВТМО состоит в том, что при такой обработке увеличивается протяженность границ благодаря образованию зубчатых большеугловых границ и развитой структуры, вследствие чего уменьшается сегрега­ция примесей и возрастает прочность межзеренного сцепления.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какое влияние оказывают легирующие элементы на полиморфные превращения в железе, положение характерных точек диаграммы железо-углерод?

2. Какое влияние оказывают легирующие элементы на диффузию углерода и самодиффузию железа, кинетику перлитного и бейнитного превращений, температурный интервал и кинетику мартенситного превращения и морфологию мартенсита?

3. Назовите основные механизмы упрочнения сталей и сплавов.

4. Как классифицируются легированные стали по структуре в отожженном и нормализованном состояниях?

5. Какими свойствами обладает легированный феррит?

6. Какими свойствами обладает легированный аустенит?

7. Как протекает перекристаллизация в углеродистых и легированных сталях с исходной неупорядоченной и упорядоченной структу­рой при нагреве и охлаждении?

8. Какие факторы оказывают влияние на рост зерна аустенита?

9. Как влияют легирующие элементы на устойчивость переохлажденного аустенита?

10. Какие процессы протекают при отпуске? Что называется вторичной твердостью, дисперсионным твердением и дисперсионным упрочнением? Обратимая и необратимая отпускная хрупкость, причины ее обусловливающие, методы предотвращения.

 

 

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Стали, применяемые для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должны обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого-либо одного свойства. Материал идущий на изготовление деталей, подвергающихся большим нагрузкам, должен хорошо сопротивляться таким нагрузкам и наряду с высокой прочностью обладать вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и ударным воздействиям. Другими словами, материал должен обладать прочностью и надежностью.

В деталях, испытывающих знакопеременные нагрузки, металл должен обладать высоким сопротивлением усталости, а трущиеся детали - сопротивлением износу. Во многих случаях требуется хорошее сопротивление коррозии, ползучести и другим постоянным воздействиям. Это значит, что детали должны быть долговечными. Таким образом, детали машин должны быть изготовлены из прочного, надежного и долговечного материала.

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочности, надежности и долговечности имеет сталь, поэтому сталь является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам.

Механические свойства стали зависят от ее структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки и легирования являются эффективным способом повышения механических характеристик стали. На механические характеристики стали влияют изменение содержания углерода, легирование, диспергирование структурных составляющих, измельчение зерна, наклеп. Упрочнение обычно ведет к уменьшению вязкости и пластичности. Износостойкость, коррозионная стойкость, выносливость, жаропрочность и некоторые другие показатели характеризуют долговечность. Сталь превосходит другие сплавы по прочности, уступая по некоторым, обычно менее существенным, свойствам как плотность, коррозионная стойкость, коэффициент линейного расширения, демпфирующая способность; поэтому в подавляющем числе случаев она является основным конструкционным материалом. При разработке составов конструкционных сталей и режимом их термической обработки нужно рассматривать в первую очередь такие способы, при которых пластические и вязкие свойства уменьшаются в минимальной степени. Простое увеличение углерода при феррито-перлитной структуре приводит к повышению прочности и порога хладноломкости. Максимальная прочность при такой структуре соответствует содержанию углерода примерно 1%С и достигает всего лишь 1000 МПа, тогда как порог хладноломкости лежит ниже 0°С лишь при содержании углерода не более 0,4%. Таким образом, предельное содержание углерода в термически не упрочненной стали с феррито-перлитной структурой составляет 0,4%. Влияние легирующих элементов двояко: с одной стороны, они углубляют прокаливаемость и тем самым снижают порог хладноломкости, с другой стороны, они, растворяясь в феррите, повышают порог хладноломкости. Поэтому легировать конструкционные стали надо в меру, когда превалирует первый фактор, но когда достигнута сквозная прокаливаемость, тогда первый фактор перестает действовать и такое избыточное легирование становится вредным. И исключение составляет никель, который понижает порог хладноломкости, хотя при полностью вязком разрушении, т. е. выше порога хладноломкости Ni, как и другие элементы понижает пластичность.

Под конструкционной прочностью понимают интегральную характеристику, которая включает показатели надежности и прочности, а также характеристики долговечности. Это следующие факторы:

· Статическая и динамическая прочность;

· Сопротивление хрупкому разрушению;

· Износостойкость;

· Сопротивление усталостному разрушению;

· Коррозионная стойкость и др.

К конструкционным сталям относятся:

1) строительные и арматурные стали;

2) машиностроительные стали:

- стали для глубокой вытяжки;

- цементуемые и азотируемые стали;

- улучшаемые стали;

- пружинные и рессорные стали;

- шарикоподшипниковые стали.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какие материалы называют конструкционными?

2. Какие требования предъявляются к конструкционным сталям?

3. Что называется конструкционной прочностью сталей? Критерии ее оценки и методы повышения.

4. Классификация конструкционных сплавов.

5. Каково влияние углерода и постоянных примесей на свойства конструкционных сталей?

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

Строительные стали – это углеродистые (низкоуглеродистые) или низколегированные стали, применяющиеся для изготовления металлоконструкций массового назначения: ферм мостов, телебашен, кожухов цистерн и др. Главные требования, предъявляемые к данным сталям:

- сочетание требуемых прочностных и пластических свойств, ударной вязкости, сопротивления разрушению с очень важными технологическими свойствами: свариваемостью, хорошей обрабатываемостью резанием, хорошей деформируемостью в холодном и горячем состоянии;

- экономичность.

Свариваемость во многих случаях определяет возможность использования термически упрочненной стали в качестве конструкционного материала. Свариваемость характеризуется двумя основными особенностями: склонностью данной стали к закалке и чувствительностью ее к разупрочнению в околошовной зоне. Склонность к закалке обусловливает появление закалочных трещин; это свойство появляется тем более резко, чем ниже температура g®a превращения, т.е. чем более высоко содержание углерода и легирующих элементов, повышающих устойчивость аустенита. Поэтому для свариваемых сталей установлено определенное соотношение между содержанием углерода и легирующих элементов, определяемое так называемым углеродным эквивалентом:

 

= С …£ 0,46-0,48

Хорошая свариваемость определяется тем, что может быть получено равнопрочное соединение при современных механизированных способах сварки (автоматическая и полуавтоматическая сварка).

Горячекатаные стали

Углеродистые горячекатаные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) в зависимости от назначения и гарантируемых при поставке свойств подразделяют на три группы: А, Б и В. В зависимости от нормируемых показателей (механических свойств, химического состава) сталь каждой группы подразделяется на категории. Категории определяют те характеристики, которые испытываются в данной стали. Категории в группах следующие: группа А - 1, 2, 3; группа Б – 1, 2; группа В - 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Сталь всех групп с номерами марок 1, 2, 3, 4 по степени раскисленности изготовляют кипящей, полуспокойной и спокойной; сталь с номерами 5 и 6 — полуспокойной и спокойной.

Стали группы А (Ст2кп, Ст5сп, Ст3 и др.) поставляют с регламентированными механическими свойствами. Химический состав их не нормируется. Поэтому стали этой группы наиболее часто применяют в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке – ковке, штамповке, термообработке, следовательно, механические свойства горячекатаной стали сохраняются.

Стали группы Б (БСт3кп, БСт5пс, БСт6 и др.) поставляют с регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Поэтому их применяют для изделий, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от состава стали, а конечные механические свойства определяются самой обработкой.

Стали группы В (ВСт2пс, ВСт3сп и др.) поставляют с регламентированными механическими свойствами и химическим составом. Как правило, такие стали применяют для изготовления сварных металлоконструкций, так как свариваемость стали определяется составом стали, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных изделий.

Строительные стали различаются по прочностным характеристикам:

1) Нормальной прочности, например, С 380¤260 (s_В=380 МПа, s_Т=260 МПа).

2) Стали повышенной прочности, например, С 460¤330, С 520¤400.

3) Высокопрочные стали, например, С 600¤450, С 700¤600, С 850¤750.

Низколегированные стали

Стали повышенной прочности

Как правило, строительные стали повышенной прочности (s_Т£400 МПа) поставляют в горячекатаном состоянии с феррито-перлитной структурой. Основными легирующими элементами в этих сталях являются марганец, кремний, хром, ванадий, ниобий, титан, медь, фосфор, иногда азот (в сочетании с ванадием и алюминием).

Упрочнение рассматриваемых сталей при легировании достигается вследствие повышения устойчивости аустенита и получения более дисперсных продуктов распада аустенита на ферритокарбидную смесь. Упрочнение за счет количества перлита в стали, содержащих 0,18-0,20% С, составляет заметно большую долю, чем в сталях с низким содержанием углерода, однако это приводит к тому, что для низколегированных сталей гарантируется ударная вязкость при температуре -40 и -70°С, тогда как для сталей с более высоким содержанием углерода ударная вязкость нормируется лишь при -40°С. В сталях с ванадием и ниобием наблюдается дисперсионное упрочнение и упрочнение вследствие измельчения зерна в результате образования дисперсных карбидов и (или) карбонитридов ниобия и ванадия.

Иногда стали повышенной прочности применяют в нормализованном состоянии. Нормализация приводит к большей стабильности механических свойств, улучшению характеристик пластичности, ударной вязкости и хладостойкости по сравнению с горячекатаным состоянием. После закалки обязательно проводят высокий отпуск. В результате такой обработки сталь имеет дисперсную сорбитную структуру.

Широкое использование термически упрочненных сталей в ряде случаев ограничено в связи с тем, что термическое упрочнение приводит к повышенной склонности к коррозионному разрушению, тогда как те же стали в горячекатаном состоянии такой склонности не обнаруживали.

Анализ сортамента строительных сталей повышенной и высокой прочности, выпускаемых за рубежом, показывает, что основное число марок соответствует нижнему пределу диапазона прочности. Все более широкое применение находят мелкозернистые феррито-перлитные стали, упрочненные методом контролируемой прокатки.