В результате этого сплав имеет структурно неустойчивое состояние. Этот вид закалки характерен для сплавов алюминия с медью — дуралюминов.
Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температур фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением для получения структурно неравновесного состояния, называется закалкой с полиморфным превращением. Этот вид закалки характерен для сплавов железа с углеродом (стали). После закалки в стали образуется структура пересыщенного твердого раствора углерода в a -железе, которая называется мартенситом. Состояние закаленного сплава характеризуется особой неустойчивостью. Процессы, приближающие его к равновесному состоянию, могут идти даже при комнатной температуре и резко ускоряются при нагрева.
Термическая обработка, представляющая собой нагрев закаленного сплава ниже температур фазовых превращений (ниже АС1) для приближения его структуры к более устойчивому состоянию, называется отпуском. Отпуск является операцией, проводимой после закалки стали (закалки с полиморфным превращением). Между отпуском и отжигом 1-го рода много общего. Разница в том, что отпуск — всегда вторичная операция после закалки.
Самопроизвольный отпуск, происходящий после закалки без полиморфного превращения, в результате длительной выдержки при комнатной температуре, или отпуск при сравнительно небольшом подогреве, называется старением.
9 Объясните суть старения и его отличие от отпуска
Старение применимо к сплавам, которые были подвергнуты закалке без полиморфного превращения. Пересыщенный твёрдый раствор в таких сплавах термодинамически неустойчив и склонен к самопроизвольному распаду. Старение заключается в образовании путём диффузии внутри зерен твердого раствора участков, обогащенных растворённым элементом (зон Гинье — Престона) и (или) дисперсных частиц избыточных фаз, чаще всего химических соединений. Эти зоны и дисперсные частицы выделившихся фаз тормозят скольжение дислокаций, чем и обусловлено упрочнение при старении. Стареющие сплавы называют поэтому дисперсионно-твердеющими.
Основные параметры старения — температура и время выдержки. С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы распада пересыщенного твёрдого раствора, и сплав быстрее упрочняется. Начиная с определённой выдержки, при достаточно высокой температуре происходит перестаривание — снижение прочности сплава. Причиной перестаривания является коагуляция дисперсных выделений из раствора, которая заключается в растворении более мелких и росте более крупных частиц выделившейся фазы. В результате коагуляции расстояние между этими частицами возрастает и торможение дислокаций в зёрнах твёрдого раствора уменьшается. Одни сплавы, например дуралюмины, после закалки сильно упрочняются уже во время выдержки при комнатной температуре (естественное старение).
Большинство сплавов после закалки нагревают, чтобы ускорить процессы распада пересыщенного твёрдого раствора (искусственное старение). Иногда проводят ступенчатое старение с выдержкой вначале при одной, а затем при другой температуре. Старение применяют главным образом для повышения прочности и твёрдости конструкционных материалов (алюминиевых, магниевых, медных, никелевых сплавов и некоторых легированных сталей), а также для повышения коэрцитивной силы магнитно-твёрдых материалов. Время выдержки для достижения заданных свойств в зависимости от состава сплава и температуры старения колеблется от десятков мин до нескольких сут.
Отпуску подвергают сплавы, главным образом стали, закалённые на мартенсит. Основные параметры процесса — температура нагрева и время выдержки, а в некоторых случаях и скорость охлаждения (для предотвращения отпускной хрупкости). В сталях мартенсит является пересыщенным раствором, и сущность структурных изменений при отпуске та же, что и при старении, — распад термодинамически неустойчивого пересыщенного раствора.
Отличие отпуска от старения связано прежде всего с особенностями субструктуры мартенсита, а также с поведением углерода в мартенсите закалённой стали.
Для мартенсита характерно большое число дефектов кристаллического строения (дислокаций и др.). Атомы углерода быстро диффундируют в решётке мартенсита и образуют на дислокациях сегрегации, а возможно и дисперсные частицы карбида сразу после закалки или даже в период закалочного охлаждения. В результате закалённая сталь оказывается в состоянии максимального дисперсного твердения или в близком к нему состоянии. Поэтому при выделении из мартенсита дисперсных частиц карбида во время отпуска прочность и твёрдость стали или вообще не повышаются, или достигается лишь незначительное упрочнение. Уменьшение же концентрации углерода в мартенсите при выделении из него карбида является причиной разупрочнения мартенсита. В итоге отпуск сталей, как правило, приводит к снижению твёрдости и прочности с одновременным ростом пластичности и ударной вязкости. Отпуск безуглеродистых железных сплавов, закалённых на мартенсит, может приводить к сильному дисперсионному твердению из-за выделения из пересыщенного раствора дисперсных частиц интерметаллических соединений. Причина упрочнения при этом та же, что и при старении. Термины «отпуск» и «старение» часто используют как синонимы.
10 Как влияют примеси в сталях на их свойства?
Полезные примеси - кремний и марганец. Кремний, если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает. При повышении содержания кремния значительно улучшаются упругие свойства, магнитопроницаемость, сопротивление коррозии и стойкость против окисления при высоких температурах.
Марганец, как и кремний, содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства также не оказывает. Однако марганец образует с железом твердый раствор и несколько повышает твердость и прочность стали, незначительно уменьшая ее пластичность. При высоком содержании марганца сталь приобретает исключительно большую твердость и сопротивление износу.
Постоянные примеси, от которых зависит качество стали, - сера и фосфор. Сера является вредной примесью. Она находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение сообщает стали хрупкость при высоких температурах, например при ковке, - свойство, которое называется красноломкостью. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость. В углеродистой стали допускается серы не более 0,06-0,07%. Увеличение хрупкости стали при повышенном содержании серы используется иногда для улучшения обрабатываемости на станках, благодаря чему повышается производительность при обработке.
Фосфор также является вредной примесью. Он образует с железом соединение Fe3P, которое растворяется в железе. Кристаллы этого химического соединения очень хрупки. Обычно они располагаются по границам зерен стали, резко ослабляя связь между ними, вследствие чего сталь приобретает очень высокую хрупкость в холодном состоянии (хладноломкость). Особенно сказывается отрицательное влияние фосфора при высоком содержании углерода. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.
Газы, присутствующие в стали, образуют химические соединения, в свободном состоянии находятся в порах или в виде твердых растворов — в феррите.
Кислород и азот дают хрупкие неметаллические включения, снижают вязкость и пластичность стали.
Водород находится в твердом растворе и значительно увеличивает хрупкость стали, способствует образованию внутренних трещин в хромистых и хромоникелевых сталях (флокены).
11 Какие легирующие элементы способствуют повышению прокаливаемости сталей?
Ведущая роль легирующих элементов в сталях заключается и в существенном повышении их прокаливаемости. Основными легирующими элементами этой группы сталей являются хром (Cr), марганец (Mn), никель (Ni), молибден (Mo), ванадий (V) и бор (В). Содержание углерода (С) в легированных конструкционных сталях — в пределах 0.25-0.50 %.
Бор увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь чувствительной к перегреву.
Хром повышает твердость, прочность и износоустойчивость. При содержании более 14% повышаются жаропрочность, жаростойкость и антикоррозионность. Вольфрам, ванадий и молибден измельчают зерно, резко повышают красностойкость быстрорежущей легированной стали.
Никель повышает прочность, вязкость, упругость и электросопротивление продукции и понижает коэффициент ее линейного расширения. В сочетании с хромом он является наиболее распространенным легирующим элементом.
Кремний способствует получению более однородной и плотной структуры. При высоком содержании (15-20%) металл становится кислотоупорным, а при 2-4% - склонным к магнитным превращениям.Все названные выше элементы увеличивают прокаливаемость легированных сталей.
Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом (0.9-1.2%) и марганцем (0.9-1.2%) позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью.
Хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при динамических и вибрационных нагрузках.
12 Сопоставьте свойства углеродистых и легированных инструментальных сталей
К инструментальным сталям относятся стали, используемые для обработки материалов резанием и давлением. По химическому составу различают инструментальные углеродистые стали и инструментальные легированные стали.