Изменение свойств углеродистых сталей
Закаленная углеродистая сталь характеризуется не только высокой твердостью, но и очень большой склонностью к хрупкому разрушению. Кроме того, при закалке возникают значительные остаточные напряжения. Поэтому закалку углеродистых сталей обычно не применяют как окончательную операцию, хотя она и может сообщить стали высокую прочность (σв = 130 / 200 кгс/мм2). Для увеличения вязкости и уменьшения закалочных напряжений после закалки применяют отпуск.
Распад мартенсита, казалось бы, должен приводить к дисперсионному твердению, и в общем случае зависимость прочностных свойств стали от температуры отпуска должна быть качественно такая же, как и при старении цветных сплавов. Однако на рисунке видно, что до температуры отпуска около 100 °С твердость закаленной стали или практически не меняется или слабо (на 1 — 2 единицы HRC) возрастает. С дальнейшим повышением температуры отпуска твердость плавно снижается.
Зависимость твердости углеродистых сталей
Зависимость твердости углеродистых сталей разного состава
от температуры отпуска (Г. В. Курдюмов).
Почему же распад мартенсита с выделением мелких частиц карбидов при низкотемпературном отпуске закаленной стали не вызывает сильного дисперсионного твердения аналогично дисперсионному твердению алюминиевых и других стареющих сплавов?
Объясняется это тем, что из-за высокой подвижности атомов углерода они успевают образовывать сегрегаты на дислокациях уже в период закалочного охлаждения. Таким образом, в период закалочного охлаждения происходит самоотпуск, причем дисперсионное твердение может дойти до стадии максимального упрочнения.
Поскольку углерод, растворенный в α-железе, вносит большой вклад в упрочнение мартенсита (смотрите Изменение свойств сплавов при закалке на мартенсит), то обеднение раствора углеродом при выделении промежуточных карбидов (например, ε-карбида) уже при низких температурах отпуска вызывает разупрочнение.
С ростом температуры отпуска разупрочнение усиливается из-за следующих причин:
- уменьшения концентрации углерода в α-растворе;
- нарушения когерентности на границе карбид — матрица и снятия упругих микронапряжений;
- коагуляции карбидов и увеличения межчастичного расстояния;
- развития возврата и рекристаллизации.
В разных температурных интервалах преобладает действие разных факторов разупрочнения в соответствии с интенсивностью развития тех или иных структурных изменений (смотрите Структурные изменения при отпуске сталей). В высокоуглеродистых сталях, содержащих значительное количество остаточного аустенита, распад его с выделением карбида задерживает падение твердости, а в интервале температур 200 — 250 °С даже несколько увеличивает ее.
Влияние температуры отпуска на механические свойства стали 45
Так как упрочняющий отпуск закаленной углеродистой стали не имеет практического значения, то часто с отпуском любых сталей связывают представление об обязательном смягчении, хотя, как будет показано ниже, это представление ошибочно.
Прочностные характеристики углеродистой стали (предел прочности, предел текучести и твердость) непрерывно уменьшаются с ростом температуры отпуска выше 300 °С, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) непрерывно повышаются. Ударная вязкость, очень важная характеристика конструкционной стали, начинает интенсивно возрастать при отпуске выше 300 °С.
Максимальной ударной вязкостью обладает сталь с сорбитной структурой, отпущенная при 600 °С. Некоторое снижение ударной вязкости при температурах отпуска выше 600 °С можно объяснить тем, что частицы цементита по границам ферритных зерен, растущие за счет растворения частиц внутри α-фазы, становятся слишком грубыми.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков