Основные теоретические представления

Для закаленной на мартенсит стали, при высокой твердости, характерны низкие ударная вязкость, пластичность и предел упругости, высокие внутренние напряжения. Поэтому такая сталь малопригодна для использования.

При отпуске изменяются структура закаленной стали (как результат диффузионных процессов) и ее свойства: повышаются ударная вязкость, предел упругости, пластичность, снижаются внутренние напряжения и твердость. Отпущенная сталь по сравнению с неотпущенной менее напряженна и хрупка. В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды от­пуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск — закаленные изделия на­гревают и выдерживают в течение заданного времени в интервале температур 150...200"С. Структура закаленной стали до отпуска состоит из тетрагонального мартенсита или тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита, причем остаточный аустенит характерен для высокоуглеродистых сталей. В процессе низкого отпус­ка атомы углерода диффундируют из решетки тетрагонального мартенсита и образуют высокодисперсный кар­бид железа. Концентрация углерода в решетке мартен­сита постепенно снижается, что приводит к снижению тетрагональности мартенсита. При этом образуется от­пущенный мартенсит, представляющий собой совокуп­ность перенасыщенного твердого раствора углерода в α-железе и высокодисперсного не отделившегося от него карбида железа. Такая структура обеспечивает почти ту же твердость и износостойкость, как и после закалки, но при этом снижаются остаточные напряжения, повы­шаются ударная вязкость и пластичность. Низкотемпера­турному отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент, а также детали машин, поверхностно закаленные и закаленные после цементации и цианирования.

Средний отпуск — закаленные изделия нагревают и выдерживают в течение определенного времени при температурах 350...500°С. В указанном интервале Температур завершается диффузионное превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит, карби­ды полностью обособляются от решетки мартенсита, укрупняется карбидно-ферритная смесь и наблюдается Дальнейшее снижение твердости. Завершается диффузия углерода из мартенсита, и уменьшаются остаточные на­пряжения. Структура среднеотпущенной стали состоит на троостита отпуска, представляющего собой очень Мелкодисперсную смесь феррита с цементитом. В результате среднего отпуска сталь приобретает повышенную Прочность и упругость при твердости НВ 450...500. Среднему отпуску подвергают закаленные изделия, которые должны иметь максимальные упругие свойства при относительно высокой твердости: пружины, рессоры, ударный инструмент - зубила, штампы и др.

Высокий отпуск — закаленные изделия на­гревают в течение заданного времени в интервале темпе­ратур 500...650°С. Процесс сопровождается укрупнени­ем и округлением цементитных частиц в ферритной осно­ве. С укрупнением цементита понижаются твердость до НВ 250...300, внутренние напряжения, а пластичность и ударная вязкость значительно возрастают. В результа­те высокого отпуска получается структура, называемая сорбитом отпуска. Высокому отпуску подвергают дета­ли, испытывающие ударные и знакопеременные нагрузки:

Шатуны двигателей, полуоси, оси автомобилей и тракто­ров, болты, пальцы, валы и многие другие детали. Закалку с последующим высоким отпуском часто называют улучшением стали.

Время выдержки при отпуске зависит от температуры отпуска и размера деталей. Оно должно быть достаточ­ным для завершения процессов диффузии в закаленной стали. В противном случае эффективность отпуска пони­жается. Время выдержки при отпуске, особенно легиро­ванных сталей, несколько больше времени выдержки при нагреве под закалку. При низких температурах вы­держка больше, чем при высоких. Охлаждение углеро­дистых сталей после отпуска можно проводить с любой скоростью, поскольку оно не вызывает в стали каких-либо дополнительных структурных превращений (тем­пература нагрева АС1- ниже фазовых превращений). Однако чрезмерно быстрое охлаждение может вызвать образование термических напряжений (особенно в дета­лях сложной формы). Поэтому обычно стали охлаждают на воздухе.

На рисунке 1 показан график изменения механи­ческих свойств стали 40 (твердости НB, прочности σ_в, пластичности δ и ударной вязкости а_н) в зависимости от температуры отпуска. Нагрев при отпуске особенно влияет на изменение ударной вязкости стали.

Под ударной вязкостью понимается работа, затраченная при динамическом разрушении образца с нагревом и отнесенная к площади поперечного сечения в месте над­реза. Значение ударной вязкости а_н определяют по фор­муле:

а_н=А/F,

где А - работа, затраченная на разрушение образца; F – площадь поперечного сечения oбразца.

Так как многие детали машин, изготовленные из ста­ли, работают в условиях значительных динамических и ударных нагрузок, то ударная вязкость является важ­нейшей характеристикой стали. Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре. Схема его действия и стандартный образец для испытания показа­ны на рисунке 2. а, б.

Маятник поднимают на некоторую высоту h₁ и зак­репляют в этом положении защелкой. Затем ставят образец надрезом в сторону, противоположную удару бойка. При освобождении защелки маятник падает, разрушает образец и поднимается на высоту h₂. Работа, затраченная на разрушение образца, равна A=(h₁-h₂)G, где G - масса маятника, кг.

На приборе значение работы определяют по шкале. Ударная вязкость стали зависит от конструкции детали, качества поверхности, химического состава стали и ее макро- и микроструктуры. Наличие в деталях резких переходов в сечении, надрезов, выточек, вырезов и т.д. вызывает концентрацию в них напряжений, что значительно снижает ударную вязкость стали. Ударная вязкость уменьшается также при наличии на поверхности деталей рисок, царапин, следов механической обработки и других дефектов. У металлов и сплавов, имеющих волокнистое строение, получившееся в результате обработки металлов (давлением), ударная вязкость образцов с поперечным волокном образцов составляет 50...60 процентов ударной вязкости образцов с продольным волокном

Различный химический состав стали и разные виды примененной термической или химико-термической обработки также значительно изменяют значение ударной вязкости.

Рис. 1. Mеханические свойства стали марки 40 в зависимости от температуры отпуска

Рис. 2. Испытания образцов на ударную вязкость: а – схема маятникового копра; б – схема установки образца