Закалка представляет собой процесс тепловой обработки, который используется для повышения ударной вязкости из железа основанного сплавов . Закалка обычно выполняется после закалки , чтобы уменьшить часть избыточной твердости , и осуществляется путем нагревания металла до некоторой температуры ниже критической точки в течение определенного периода времени, а затем охлаждения на неподвижном воздухе. Точная температура определяет степень удаляемой твердости и зависит как от конкретного состава сплава, так и от желаемых свойств готового продукта. Например, очень твердые инструменты часто подвергаются закалке при низких температурах, а пружины закаляются при гораздо более высоких температурах.
Введение [ править ]
Отпуск - это метод термообработки , применяемый к черным сплавам , таким как сталь или чугун , для достижения большей ударной вязкости за счет снижения твердости сплава. Снижение твердости обычно сопровождается увеличением пластичности , что снижает хрупкость металла. Закалка обычно выполняется после закалки , то есть быстрого охлаждения металла до его наиболее твердого состояния. Отпуск осуществляется путем контролируемого нагрева закаленной заготовки до температуры ниже ее «нижней критической температуры».Это также называется более низкой температурой превращения или более низкой температурой остановки (A 1 ); температура, при которой кристаллические фазы сплава, называемые ферритом и цементитом , начинают объединяться с образованием однофазного твердого раствора, называемого аустенитом . Нагрев выше этой температуры избегают, чтобы не разрушить очень твердую закаленную микроструктуру, называемую мартенситом . [3]
Точный контроль времени и температуры во время отпуска имеет решающее значение для достижения желаемого баланса физических свойств. Низкие температуры отпуска могут только снимать внутренние напряжения, уменьшая хрупкость при сохранении большей части твердости. Более высокие температуры отпуска имеют тенденцию к большему снижению твердости, принося в жертву предел текучести и предел прочности на разрыв в пользу повышения эластичности и пластичности . Однако в некоторых низколегированных сталях , содержащих другие элементы, такие как хром и молибденотпуск при низких температурах может привести к увеличению твердости, тогда как при более высоких температурах твердость снизится. Многие стали с высокими концентрациями этих легирующих элементов ведут себя как дисперсионно-твердеющие сплавы , которые вызывают противоположные эффекты в условиях, обнаруживаемых при закалке и отпуске, и называются мартенситностареющими сталями . [3]
В углеродистых сталях отпуск изменяет размер и распределение карбидов в мартенсите, образуя микроструктуру, называемую «отпущенный мартенсит». Отпуск также проводится для нормализованных сталей и чугунов для повышения пластичности, обрабатываемости и ударной вязкости. [3] Сталь обычно равномерно закаляется, что называется «сквозным отпуском», что дает почти однородную твердость, но иногда ее нагревают неравномерно, так называемый «дифференциальный отпуск», что приводит к изменению твердости. [4]
История [ править ]
Закалка - древний метод термической обработки. Самый старый известный образец закаленного мартенсита - это кирка, которая была найдена в Галилее примерно с 1200 по 1100 год до нашей эры. [5] Этот процесс использовался во всем древнем мире, от Азии до Европы и Африки. В древние времена применялось множество различных методов и охлаждающих ванн для закалки, например закалки в моче, крови или металлах, таких как ртуть или свинец, но процесс закалки с течением времени оставался относительно неизменным. Закалку часто путали с закалкой, и этот термин часто использовался для описания обоих методов. В 1889 году сэр Уильям Чендлер Робертс-Остинписал: «В трудах даже выдающихся авторитетов до сих пор существует так много путаницы между словами« вспыльчивость »,« закаливание »и« закаливание », что хорошо помнить об этих старых определениях. слово темперирование в том же смысле, что и смягчение ». [6]
Терминология [ править ]
В металлургии можно встретить множество терминов, которые имеют очень специфическое значение в данной области, но могут показаться довольно расплывчатыми при взгляде со стороны. Такие термины, как «твердость», «сопротивление удару», «ударная вязкость» и «прочность» могут иметь множество различных коннотаций, из-за чего иногда бывает трудно различить конкретное значение. Некоторые из встречающихся терминов и их конкретные определения:
- Прочность : сопротивление постоянной деформации и разрыву. Прочность в металлургии все еще является довольно расплывчатым термином, поэтому обычно ее делят на предел текучести (прочность, при превышении которой деформация становится постоянной), предел прочности на разрыв ( предел прочности на разрыв), прочность на сдвиг (сопротивление поперечным силам или силам резания) и прочность на сжатие (сопротивление упругому укорачиванию под нагрузкой).
- Прочность : сопротивление разрушению , измеренное с помощью теста Шарпи . Вязкость часто увеличивается по мере уменьшения прочности, потому что материал, который изгибается, с меньшей вероятностью сломается.
- Твердость : устойчивость поверхности к царапинам, истиранию или вдавливанию. В обычных металлических сплавах существует линейная зависимость между твердостью при вдавливании и пределом прочности на разрыв, что упрощает измерение последнего. [7]
- Хрупкость : Хрупкость описывает тенденцию материала ломаться перед изгибом или деформацией упруго или пластично. Хрупкость увеличивается с уменьшением вязкости, но на нее также сильно влияют внутренние напряжения.
- Пластичность : способность формоваться, сгибаться или деформироваться таким образом, чтобы самопроизвольно не возвращаться к своей первоначальной форме. Это пропорционально пластичности или пластичности вещества.
- Эластичность : также называемая гибкостью, это способность деформироваться, сгибаться, сжиматься или растягиваться и возвращаться к исходной форме после снятия внешнего напряжения. Эластичность обратно пропорциональна модулю Юнга материала.
- Ударопрочность : обычно синоним высокой прочности, это способность противостоять ударным нагрузкам с минимальной деформацией.
- Износостойкость : обычно синоним твердости, это сопротивление эрозии , абляции , растрескиванию или истиранию .
- Структурная целостность : способность выдерживать максимальную номинальную нагрузку при одновременном сопротивлении разрушению, сопротивлению усталости и минимальному изгибу или прогибу для обеспечения максимального срока службы .
Углеродистая сталь [ править ]
Очень немногие металлы реагируют на термическую обработку так же или в той же степени, что и углеродистая сталь , а поведение при термообработке углеродистой стали может радикально меняться в зависимости от легирующих элементов. Сталь может быть размягчена до очень пластичного состояния посредством отжига , или она может быть упрочнена до состояния, такого же твердого и хрупкого, как стекло, путем закалки . Однако в закаленном состоянии сталь обычно слишком хрупкая и не обладает вязкостью разрушения.быть полезным для большинства приложений. Отпуск - это метод, используемый для уменьшения твердости, тем самым увеличивая пластичность закаленной стали, чтобы придать металлу некоторую упругость и пластичность. Это позволяет металлу изгибаться перед тем, как сломаться. В зависимости от степени закалки стали она может упруго изгибаться (сталь возвращается к своей исходной форме после снятия нагрузки) или может изгибаться пластически (сталь не возвращается к своей исходной форме, что приводит к необратимой деформации. ), до ГРП . Закалка используется для точного баланса механических свойств металла, таких как прочность на сдвиг , предел текучести , твердость , пластичность.и предел прочности при растяжении для достижения любого количества сочетаний свойств, что делает сталь пригодной для широкого спектра применений. Такие инструменты, как молотки и гаечные ключи, требуют хорошей устойчивости к истиранию, ударопрочности и устойчивости к деформации. Пружины не требуют такой высокой износостойкости, но должны упруго деформироваться, не ломаясь. Автомобильные детали, как правило, немного менее прочны, но перед разрушением должны пластически деформироваться.
За исключением редких случаев, когда требуется максимальная твердость или износостойкость, таких как незакаленная сталь, используемая для напильников , закаленная сталь почти всегда в той или иной степени подвергается отпуску. Однако иногда сталь отжигают с помощью процесса, называемого нормализацией , в результате чего сталь остается лишь частично размягченной. Отпуск иногда используется для нормализованной стали, чтобы еще больше ее смягчить, повысить пластичность и обрабатываемость для облегчения металлообработки . Закалка также может быть использована на сварном стал, чтобы облегчить некоторые из напряжений и избыточной жесткости , созданные в зоне термического влияния вокруг сварного шва. [3]
Закаленная сталь [ править ]
Закалка чаще всего выполняется на стали, которая была нагрета выше своей верхней критической (A 3 ) температуры, а затем быстро остыла, в процессе, называемом закалкой., используя такие методы, как погружение горячей стали в воду, масло или нагнетание воздуха. Закаленная сталь, помещенная в самое твердое возможное состояние или очень близкое к нему, затем подвергается отпуску для постепенного снижения твердости до точки, более подходящей для желаемого применения. Твердость закаленной стали зависит как от скорости охлаждения, так и от состава сплава. Сталь с высоким содержанием углерода достигнет более твердого состояния, чем сталь с низким содержанием углерода. Аналогичным образом, при отпуске высокоуглеродистой стали до определенной температуры получается сталь, которая значительно тверже, чем низкоуглеродистая сталь, отпускаемая при той же температуре. Также имеет значение время выдержки при температуре отпуска.Отпуск при немного повышенной температуре в течение более короткого времени может дать тот же эффект, что и отпуск при более низкой температуре в течение более длительного времени. Время отпуска варьируется в зависимости от содержания углерода, размера и желаемого применения стали, но обычно составляет от нескольких минут до нескольких часов.
Отпуск закаленной стали при очень низких температурах, от 66 до 148 ° C (от 151 до 298 ° F), обычно не дает большого эффекта, кроме небольшого снятия некоторых внутренних напряжений и уменьшения хрупкости. Отпуск при более высоких температурах, от 148 до 205 ° C (от 298 до 401 ° F), приведет к небольшому снижению твердости, но в первую очередь снимет большую часть внутренних напряжений. В некоторых сталях с низким содержанием легирования отпуск в диапазоне от 260 до 340 ° C (500 и 644 ° F) вызывает снижение пластичности и повышение хрупкости и называется «мартенситным охрупчиванием при отпуске» (TME). классифицировать. За исключением кузнечного дела, этого диапазона обычно избегают. Сталь, требующая большей прочности, чем вязкость, например инструменты, обычно не отпускается при температуре выше 205 ° C (401 ° F). Вместо,изменение твердости обычно достигается изменением только времени отпуска. Когда требуется повышенная ударная вязкость за счет прочности, используются более высокие температуры отпуска, от 370 до 540 ° C (от 698 до 1004 ° F). Отпуск при еще более высоких температурах, от 540 до 600 ° C (от 1004 до 1112 ° F), даст отличную ударную вязкость, но при серьезном снижении прочности и твердости. При 600 ° C (1112 ° F) сталь может испытывать другую стадию охрупчивания, называемую «охрупчиванием при отпуске» (TE), которое происходит, если сталь слишком долго выдерживается в температурном диапазоне охрупчивания при отпуске. При нагревании выше этой температуры сталь обычно не выдерживают какое-либо время и быстро охлаждают, чтобы избежать охрупчивания при отпуске.Когда требуется повышенная ударная вязкость за счет прочности, используются более высокие температуры отпуска, от 370 до 540 ° C (от 698 до 1004 ° F). Отпуск при еще более высоких температурах, от 540 до 600 ° C (от 1004 до 1112 ° F), даст отличную ударную вязкость, но при серьезном снижении прочности и твердости. При 600 ° C (1112 ° F) сталь может испытывать другую стадию охрупчивания, называемую «охрупчиванием при отпуске» (TE), которое происходит, если сталь слишком долго выдерживается в температурном диапазоне охрупчивания при отпуске. При нагревании выше этой температуры сталь обычно не выдерживают какое-либо время и быстро охлаждают, чтобы избежать охрупчивания при отпуске.Когда требуется повышенная ударная вязкость за счет прочности, используются более высокие температуры отпуска, от 370 до 540 ° C (от 698 до 1004 ° F). Отпуск при еще более высоких температурах, от 540 до 600 ° C (от 1004 до 1112 ° F), даст отличную ударную вязкость, но при серьезном снижении прочности и твердости. При 600 ° C (1112 ° F) сталь может испытывать другую стадию охрупчивания, называемую «охрупчиванием при отпуске» (TE), которое происходит, если сталь слишком долго выдерживается в температурном диапазоне охрупчивания при отпуске. При нагревании выше этой температуры сталь обычно не выдерживают какое-либо время и быстро охлаждают, чтобы избежать охрупчивания при отпуске.112 ° F), даст отличную ударную вязкость, но при серьезном снижении прочности и твердости. При 600 ° C (1112 ° F) сталь может испытывать другую стадию охрупчивания, называемую «охрупчиванием при отпуске» (TE), которое происходит, если сталь слишком долго выдерживается в температурном диапазоне охрупчивания при отпуске. При нагревании выше этой температуры сталь обычно не выдерживают какое-либо время и быстро охлаждают, чтобы избежать охрупчивания при отпуске.112 ° F), даст отличную ударную вязкость, но при серьезном снижении прочности и твердости. При 600 ° C (1112 ° F) сталь может испытывать другую стадию охрупчивания, называемую «охрупчиванием при отпуске» (TE), которое происходит, если сталь слишком долго выдерживается в температурном диапазоне охрупчивания при отпуске. При нагревании выше этой температуры сталь обычно не выдерживают какое-либо время и быстро охлаждают, чтобы избежать охрупчивания при отпуске.сталь обычно не выдерживают какое-либо время и быстро охлаждают, чтобы избежать охрупчивания при отпуске.сталь обычно не выдерживают какое-либо время и быстро охлаждают, чтобы избежать охрупчивания при отпуске.[3]
Нормализованная сталь [ править ]
Сталь, которая была нагрета выше своей верхней критической температуры и затем остыла на воздухе, называется нормализованной сталью. Нормализованная сталь состоит из перлита , мартенсита и иногда бейнита.зерна, смешанные вместе в микроструктуре. В результате получается сталь, которая намного прочнее, чем сталь после полного отжига, и намного более жесткая, чем сталь с закалкой после отпуска. Однако иногда требуется дополнительная ударная вязкость при снижении прочности. Отпуск позволяет осторожно снизить твердость стали, тем самым увеличивая ударную вязкость до более желательного уровня. Литую сталь часто нормализуют, а не отжигают, чтобы уменьшить возможную деформацию. Отпуск может еще больше снизить твердость, увеличивая пластичность до точки, более похожей на отожженную сталь. [8]Закалка часто используется для углеродистых сталей, давая примерно такие же результаты. Процесс, называемый «нормализация и отпуск», часто используется для обработки сталей, таких как углеродистая сталь 1045, или большинства других сталей, содержащих от 0,35 до 0,55% углерода. Эти стали обычно отпускаются после нормализации для повышения ударной вязкости и снятия внутренних напряжений. Это может сделать металл более пригодным для использования по назначению и облегчить обработку . [9]
Сварная сталь [ править ]
Сталь, которая была сварена дуговой сваркой , газовой сваркой или сваркой любым другим способом, кроме кузнечной сварки , в определенной области подвергается воздействию тепла от процесса сварки. Эта локализованная область, называемая зоной термического влияния (ЗТВ), состоит из стали, твердость которой значительно различается, от нормализованной стали до стали, почти такой же твердой, как закаленная сталь, вблизи края этой зоны термического влияния. Термическое сжатие из-за неравномерного нагрева, затвердевания и охлаждения создает внутренние напряжения в металле как внутри сварного шва, так и вокруг него. Иногда вместо снятия напряжения используется закалка (даже нагрев и охлаждение всего объекта до уровня чуть ниже A 1температура) как для уменьшения внутренних напряжений, так и для уменьшения хрупкости вокруг сварного шва. Локальный отпуск часто используется для сварных швов, когда конструкция слишком велика, сложна или слишком неудобна для равномерного нагрева всего объекта. Температура отпуска для этой цели обычно составляет около 205 ° C (401 ° F) и 343 ° C (649 ° F). [10]
Успокоение и сдержанность [ править ]
Современный арматурный стержень прочностью 500 МПа может быть изготовлен из дорогостоящей микролегированной стали или методом закалки и самоотпуска (QST). После того, как пруток выходит из последнего прохода прокатки, на котором придана окончательная форма прутка, пруток затем обрызгивают водой, которая охлаждает внешнюю поверхность прутка. Скорость вращения штанги и количество воды тщательно контролируются, чтобы сердцевина штанги оставалась незаглушенной. Горячий сердечник затем закаляет уже закаленную внешнюю часть, оставляя стержень с высокой прочностью, но с определенной степенью пластичности.
Кузнечное дело [ править ]
Изначально закалка была процессом, который применяли и разрабатывали кузнецы (кузнецы железа). Процесс, скорее всего , разработанный хеттов в Анатолии (современная Турция), в двенадцатом или одиннадцатом веке до нашей эры. Изначально отпуск без знания металлургии был разработан методом проб и ошибок.
Поскольку до наших дней существовало несколько методов точного измерения температуры, температуру обычно оценивали, наблюдая за цветом закалки металла. Закалка часто заключалась в нагревании над углем или угольной кузницей., или от огня, поэтому удерживать работу при правильной температуре в течение правильного времени обычно было невозможно. Закалка обычно осуществлялась путем медленного, равномерного перегрева металла, судя по цвету, с последующим немедленным охлаждением либо на открытом воздухе, либо путем погружения в воду. Это давало почти такой же эффект, что и нагревание при надлежащей температуре в течение нужного периода времени, и позволяло избежать охрупчивания за счет отпуска в течение короткого периода времени. Однако, хотя существуют руководства по цвету отпуска, этот метод отпуска обычно требует хорошей практики, потому что конечный результат зависит от многих факторов, включая состав стали, скорость, с которой она нагревается, тип источник тепла ( окисляющий или науглероживающий)), скорость охлаждения, масляные пленки или загрязнения на поверхности, а также многие другие обстоятельства, которые варьируются от кузнеца к кузнецу или даже от работы к работе. Толщина стали также играет роль. С более толстыми предметами становится легче нагреть только поверхность до нужной температуры, прежде чем тепло сможет проникнуть сквозь них. Однако очень толстые предметы могут не полностью затвердеть во время закалки. [11]
Цвета закалки [ править ]
Если сталь была недавно отшлифована, отшлифована или отполирована, при нагревании на ее поверхности образуется оксидный слой. При повышении температуры стали толщина оксида железа также будет увеличиваться. Хотя оксид железа обычно не является прозрачным, такие тонкие слои пропускают свет, отражаясь как от верхней, так и от нижней поверхности слоя. Это вызывает явление, называемое интерференцией тонких пленок., который производит цвета на поверхности. Поскольку толщина этого слоя увеличивается с температурой, цвета меняются с очень светло-желтого на коричневый, затем фиолетовый, а затем синий. Эти цвета появляются при очень точных температурах и дают кузнецу очень точный датчик для измерения температуры. Различные цвета, соответствующие им температуры и некоторые варианты их использования:
- Бледно-желтый - 176 ° C (349 ° F) - граверы, бритвы, скребки
- Легкая солома - 205 ° C (401 ° F) - перфораторы, развертки, пилы по металлу
- Темно-соломенный - 226 ° C (439 ° F) - скрайберы, строгальные лезвия
- Коричневый - 260 ° C (500 ° F) - метчики, штампы, сверла, молотки, холодные долота
- Фиолетовый - 282 ° C (540 ° F) - хирургические инструменты, пробойники, инструменты для резьбы по камню
- Темно-синий - 310 ° C (590 ° F) - отвертки, гаечные ключи
- Голубой - 337 ° C (639 ° F) - пружины, пилы по дереву
- Серо-синий - 371 ° C (700 ° F) и выше - конструкционная сталь
За пределами серо-голубого цвета оксид железа теряет прозрачность, и таким образом нельзя больше оценивать температуру. Толщина слоя со временем также будет увеличиваться, что является еще одной причиной использования перегрева и немедленного охлаждения. Сталь в закалочной печи, выдерживаемой в течение длительного времени при температуре 205 ° C (401 ° F), станет коричневой, пурпурной или синей, даже если температура не превысила температуру, необходимую для получения светло-соломенного цвета. Источники тепла окисления или науглероживания также могут повлиять на конечный результат. Слой оксида железа, в отличие от ржавчины , также защищает сталь от коррозии путем пассивации . [12]
Дифференциальная закалка [ править ]
Дифференциальный отпуск - это метод обеспечения разной степени закалки разным частям стали. Этот метод часто используется в кузнечном деле , для изготовления ножей и мечей , чтобы обеспечить очень твердую кромку при смягчении позвоночника или центра лезвия. Это повысило ударную вязкость, сохранив при этом очень твердую, острую, ударопрочную кромку, помогающую предотвратить поломку. Этот метод чаще применялся в Европе, в отличие от техник дифференциальной закалки , более распространенных в Азии, например, в японском оружейном деле .
Дифференциальная закалка заключается в нагреве только части лезвия, обычно позвоночника или центра обоюдоострого лезвия. Для однолезвийных лезвий тепло, часто в виде пламени или раскаленной пластины, применяется только к острию лезвия. Затем за лезвием внимательно наблюдают, как цвета закалки формируются и медленно продвигаются к краю. Затем тепло снимается до того, как светло-соломенный цвет достигнет края. Цвета будут продолжать двигаться к краю в течение короткого времени после того, как тепло будет снято, поэтому кузнец обычно снимает тепло немного раньше, так что бледно-желтый только достигает края и не распространяется дальше. Аналогичный метод используется для обоюдоострых лезвий, но источник тепла прикладывается к центру лезвия, позволяя краскам расползаться по направлению к каждому краю. [13]
Прерванное тушение [ править ]
Методы прерывистой закалки часто называют отпуском, хотя эти процессы сильно отличаются от традиционного отпуска. Эти методы включают закалку до определенной температуры, которая выше температуры начала мартенсита (M s ), а затем выдержку при этой температуре в течение продолжительного времени. В зависимости от температуры и количества времени это позволяет либо формировать чистый бейнит , либо задерживать образование мартенсита до тех пор, пока большая часть внутренних напряжений не ослабнет. Эти методы известны как темперирование и темперирование. [14]
Аустемперирование [ править ]
Аустемперинг - это метод, используемый для образования чистого бейнита, переходной микроструктуры, обнаруживаемой между перлитом и мартенситом. При нормализации и верхний, и нижний бейниты обычно встречаются в смеси с перлитом. Чтобы избежать образования перлита или мартенсита, сталь закаливают в ванне с расплавом металлов или солей. Это быстро охлаждает сталь, преодолевая точку, в которой может образовываться перлит, и переходит в область образования бейнита. Затем сталь выдерживают при температуре образования бейнита, превышающей точку, в которой температура достигает равновесия, до тех пор, пока бейнит полностью не образуется. Затем сталь вынимают из ванны и оставляют охлаждаться на воздухе без образования перлита или мартенсита.
В зависимости от температуры выдержки при аустемперировании может образовываться либо верхний, либо нижний бейнит. Верхний бейнит представляет собой слоистую структуру, образующуюся обычно при температурах выше 350 ° C (662 ° F), и представляет собой гораздо более жесткую микроструктуру. Нижний бейнит представляет собой игольчатую структуру, образующуюся при температурах ниже 350 ° C, он более прочный, но гораздо более хрупкий. [15] В любом случае закалка обеспечивает большую прочность и ударную вязкость для данной твердости, которая определяется в основном составом, а не скоростью охлаждения, а также снижает внутренние напряжения, которые могут привести к поломке. Таким образом получается сталь с превосходной ударопрочностью. Современные пуансоны и долота часто подвергаются остаточной закалке. Поскольку при аустеперировании не образуется мартенсит, дальнейший отпуск стали не требуется. [14]
Martempering [ править ]
Мартемперинг похож на аустемперинг в том смысле, что сталь закаливают в ванне с расплавленным металлом или солями, чтобы быстро охладить ее за пределы диапазона образования перлита. Однако цель закалки - создать мартенсит, а не бейнит. Сталь закаливается до гораздо более низкой температуры, чем при закалке; чуть выше начальной температуры мартенсита. Затем металл выдерживают при этой температуре до тех пор, пока температура стали не достигнет равновесия. Затем сталь удаляют из ванны до образования бейнита, а затем дают возможность остыть на воздухе, превращая ее в мартенсит. Прерывание охлаждения позволяет ослабить большую часть внутренних напряжений до образования мартенсита, что снижает хрупкость стали. Тем не менее, закаленная сталь обычно требует дальнейшего отпуска, чтобы отрегулировать твердость и ударную вязкость.за исключением редких случаев, когда требуется максимальная твердость, а не сопутствующая хрупкость. Современноефайлы часто закалены. [14]
Физические процессы [ править ]
Отпуск включает трехступенчатый процесс, в котором нестабильный мартенсит разлагается на феррит и нестабильные карбиды и, наконец, на стабильный цементит, образуя различные стадии микроструктуры, называемой отпущенным мартенситом. Мартенсит обычно состоит из реек (полос) или пластинок, иногда игольчатых (игольчатых) или линзовидных (линзовидных). В зависимости от содержания углерода он также содержит определенное количество «остаточного аустенита». Остаточный аустенит - это кристаллы, которые не могут превратиться в мартенсит даже после закалки при температуре ниже конечной температуры мартенсита (M f ). Увеличение содержания легирующих добавок или углерода вызывает увеличение остаточного аустенита. Аустенит имеет гораздо более высокую энергию дефекта упаковки.чем мартенсит или перлит, что снижает износостойкость и увеличивает вероятность истирания , хотя некоторая или большая часть остаточного аустенита может быть преобразована в мартенсит путем холодной и криогенной обработки перед отпуском.
Мартенсит образуется во время бездиффузионного превращения , при котором превращение происходит из-за сдвиговых напряжений, создаваемых в кристаллических решетках, а не из-за химических изменений, которые происходят во время осаждения. Напряжения сдвига создают множество дефектов или « дислокаций » между кристаллами, обеспечивая менее напряженные области для перемещения атомов углерода. При нагревании атомы углерода сначала мигрируют к этим дефектам, а затем начинают образовывать нестабильные карбиды. Это уменьшает количество общего мартенсита, заменяя его часть на феррит. Дальнейшее нагревание еще больше снижает мартенсит, превращая нестабильные карбиды в стабильный цементит.
Первая стадия отпуска происходит при температуре от комнатной до 200 ° C (392 ° F). На первом этапе углерод преобразуется в ε-углерод (Fe 2,4 C). На второй стадии, происходящей между 150 ° C (302 ° F) и 300 ° C (572 ° F), остаточный аустенит превращается в форму нижнего бейнита, содержащего ε-углерод, а не цементит (архаично называемый «трооститом»). "). [16] [17]Третья стадия происходит при 200 ° C (392 ° F) и выше. На третьей стадии ε-углерод выделяется в цементит, и содержание углерода в мартенсите уменьшается. При отпуске при более высоких температурах, от 650 ° C (1202 ° F) до 700 ° C (1292 ° F), или в течение более длительного периода времени, мартенсит может стать полностью ферритным, а цементит может стать более грубым или сфероидизироваться. В сфероидизированной стали сетка цементита распадается и превращается в стержни или шарики сферической формы, и сталь становится мягче, чем отожженная сталь; почти такой же мягкий, как чистое железо, поэтому его очень легко формовать или обрабатывать . [18]
Хрупкость [ править ]
Охрупчивание происходит во время отпуска, когда в определенном температурном диапазоне сталь испытывает увеличение твердости и снижение пластичности, в отличие от обычного уменьшения твердости, которое происходит по обе стороны от этого диапазона. Первый тип называется мартенситным охрупчиванием при отпуске (TME) или одноступенчатым охрупчиванием. Второе называется термическим охрупчиванием (ТЕ) или двухступенчатым охрупчиванием.
Одноступенчатое охрупчивание обычно происходит в углеродистой стали при температурах от 230 ° C (446 ° F) до 290 ° C (554 ° F) и исторически упоминалось как «охрупчивание при 500 градусах [Фаренгейта]». Это охрупчивание происходит из-за осаждения игл или пластин Видманштеттена , изготовленных из цементита, на межпластинчатых границах мартенсита. Примеси, такие как фосфор , или легирующие агенты, такие как марганец , могут усилить охрупчивание или изменить температуру, при которой оно возникает. Этот тип охрупчивания является постоянным и может быть устранен только путем нагревания выше верхней критической температуры и последующего закалки. Однако для образования этих микроструктур обычно требуется час или более, поэтому обычно это не проблема при кузнечном методе закалки.
Двухступенчатое охрупчивание обычно происходит в результате старения металла в пределах критического диапазона температур или его медленного охлаждения в этом диапазоне. Для углеродистой стали это обычно составляет от 370 ° C (698 ° F) до 560 ° C (1040 ° F). , хотя примеси, такие как фосфор и сера, резко усиливают эффект. Обычно это происходит из-за того, что примеси могут перемещаться к границам зерен, создавая слабые места в структуре. Охрупчивания часто можно избежать, быстро охладив металл после отпуска. Однако двухступенчатое охрупчивание обратимо. Охрупчивание можно устранить, нагревая сталь до температуры выше 600 ° C (1112 ° F), а затем быстро охлаждая. [19]
Легированные стали [ править ]
Многие элементы часто легированы сталью. Основная цель легирования стали большинством элементов - повысить ее прокаливаемость и уменьшить разупрочнение при температуре. Например, в инструментальную сталь могут быть добавлены такие элементы, как хром или ванадий, для увеличения прочности и прочности, что необходимо для таких вещей, как гаечные ключи и отвертки . С другой стороны, сверла и ротационные файлы должны сохранять свою твердость при высоких температурах. Добавление кобальта или молибденаможет привести к сохранению твердости стали даже при высоких температурах, образуя быстрорежущие стали. Часто в сталь добавляют небольшие количества множества различных элементов для придания желаемых свойств, а не просто добавляют один или два.
Преимущество большинства легирующих элементов (растворенных веществ) заключается не только в повышении твердости, но и в снижении как начальной температуры мартенсита, так и температуры, при которой аустенит превращается в феррит и цементит. Во время закалки это позволяет снизить скорость охлаждения, что позволяет изделиям с более толстым поперечным сечением закаляться на большую глубину, чем это возможно для простой углеродистой стали, обеспечивая большую однородность прочности.
Способы отпуска для легированных сталей могут значительно различаться в зависимости от типа и количества добавленных элементов. Как правило, такие элементы, как марганец , никель , кремний и алюминий , остаются растворенными в феррите во время отпуска, в то время как углерод осаждается. При закалке эти растворенные вещества обычно повышают твердость по сравнению с простой углеродистой сталью с таким же содержанием углерода. Когда закаленные легированные стали, содержащие умеренное количество этих элементов, подвергаются отпуску, сплав, как правило, размягчается в некоторой степени пропорционально углеродистой стали.
Однако во время отпуска такие элементы, как хром, ванадий и молибден, осаждаются вместе с углеродом. Если сталь содержит довольно низкие концентрации этих элементов, размягчение стали можно замедлить до тех пор, пока не будут достигнуты гораздо более высокие температуры по сравнению с температурами, необходимыми для отпуска углеродистой стали. Это позволяет стали сохранять твердость при высоких температурах и трении. Однако для этого также требуются очень высокие температуры во время отпуска, чтобы добиться снижения твердости. Если сталь содержит большое количество этих элементов, отпуск может привести к увеличению твердости до достижения определенной температуры, после чего твердость начнет снижаться. [20] [21]Например, молибденовые стали обычно достигают своей максимальной твердости при температуре около 315 ° C (599 ° F), тогда как ванадиевые стали полностью затвердевают при отпуске до температуры около 371 ° C (700 ° F). Когда добавляются очень большие количества растворенных веществ, легированные стали могут вести себя как дисперсионно-твердеющие сплавы, которые вообще не размягчаются во время отпуска. [22]
Чугун [ править ]
Чугун бывает разных типов в зависимости от содержания углерода. Однако их обычно делят на серый и белый чугун, в зависимости от формы, которую принимают карбиды. В сером чугуне углерод в основном находится в форме графита , но в белом чугуне углерод обычно находится в форме цементита . Серый чугун состоит в основном из микроструктуры перлита , смешанной с графитом, а иногда и ферритом. Серый чугун обычно используется в литом виде, свойства которого определяются его составом.
Белый чугун состоит в основном из микроструктуры ледебурита, смешанной с перлитом. Ледебурит очень твердый, что делает чугун очень хрупким. Если белый чугун имеет доэвтектический состав , его обычно отпускают для получения ковкого или ковкого чугуна. Используются два метода закалки, называемые «белая закалка» и «черная закалка». Цели обоих методов отпуска - вызвать разложение цементита в ледебурите, увеличивая пластичность. [23]
Белая закалка [ править ]
Ковкий (пористый) чугун получают методом белого отпуска. Белый отпуск используется для сжигания излишков углерода путем нагревания его в течение длительного времени в окислительной среде. Чугун обычно выдерживают при температуре до 1000 ° C (1830 ° F) в течение 60 часов. За нагреванием следует медленное охлаждение со скоростью около 10 ° C (18 ° F) в час. Весь процесс может длиться 160 часов и более. Это вызывает разложение цементита от ледебурита, а затем углерод выгорает через поверхность металла, увеличивая ковкость чугуна. [23]
Черная закалка [ править ]
Ковкий (непористый) чугун (часто называемый «черным чугуном») получают путем закалки в черный цвет. В отличие от белого отпуска, черный отпуск проводится в среде инертного газа , так что разлагающийся углерод не сгорает. Вместо этого разлагающийся углерод превращается в тип графита, называемый «темперированный графит» или «чешуйчатый графит», повышая пластичность металла. Закалка обычно выполняется при температуре до 950 ° C (1740 ° F) в течение до 20 часов. За отпуском следует медленное охлаждение до более низкой критической температуры в течение периода, который может длиться от 50 до более 100 часов. [23]
Сплавы с дисперсионным твердением [ править ]
Сплавы с дисперсионным твердением впервые начали использовать в начале 1900-х годов. Большинство термически обрабатываемых сплавов относятся к категории сплавов с дисперсионным твердением, включая сплавы алюминия , магния , титана и никеля . Некоторые высоколегированные стали также являются сплавами с дисперсионным твердением. Эти сплавы при закалке становятся мягче обычных, а затем со временем затвердевают. По этой причине дисперсионное твердение часто называют «старением».
Хотя большинство дисперсионно-твердеющих сплавов затвердевают при комнатной температуре, некоторые из них затвердевают только при повышенных температурах, а в других процесс можно ускорить путем старения при повышенных температурах. Старение при температурах выше комнатной называется «искусственным старением». Хотя этот метод аналогичен отпуску, термин «отпуск» обычно не используется для описания искусственного старения, поскольку физические процессы (например, выделение интерметаллических фаз из перенасыщенного сплава) приводят к желаемым результатам (например, упрочнение, а не разупрочнение). ), и время выдержки при определенной температуре сильно отличается от отпуска, который используется в углеродистой стали.
См. Также [ править ]
- Отжиг (металлургия)
- Аустемперирование
- Усиление осадков
- Закаленное стекло
Ссылки [ править ]
- ↑ Свет, его взаимодействие с искусством и древностями Томас Б. Брилл - Plenum Publishing 1980, стр. 55
- ^ Эндрюс, Джек (1994). New Edge of the Anvil: справочник для кузнеца. стр. 98–99
- ^ a b c d e Металлургия стали для неметаллургов Джон Д. Верховен - ASM International 2007 Стр. 99-105
- ↑ Средневековый меч в современном мире Майкл «Тинкер» Пирс - 2007, стр. 39
- ^ Инструментальная сталь Джордж Адам Робертс, Джордж Краусс, Ричард Кеннеди, Ричард Л. Кеннеди - ASM International 1998 Стр. 2
- ↑ Робертс-Остин Сэр Уильям Чендлер Робертс-Остин, Сидней В. Смит - Чарльз Гриффин и Ко. 1914, стр. 155-156.
- ^ Павлина, EJ; Тайн, Си Джей Ван (1 декабря 2008 г.). «Корреляция предела текучести и прочности на разрыв с твердостью для сталей». Журнал материаловедения и производительности . 17 (6): 888–893. DOI : 10.1007 / s11665-008-9225-5 .
- ^ Стальные отливки Handbook Малкольм Блэр, Томас Л. Стивенса - Общество сталеваров Америки и ASM International Page 24-9
- ^ Практическая термообработка Джон Л. Доссетт, Ховард Э. Бойер - ASM International 2006 Страница 112
- ^ How To Weld Тодд Бридигам - Motorbook 2008, стр. 37
- ^ Практическое кузнечное дело и металлообработка Перси В. Блэндфорд - TAB Books 1988, стр. 3, 74–75
- ^ Практическое кузнечное дело и металлообработка Перси В. Блэндфорд - TAB Books 1988, стр. 74-75
- ↑ Knife Talk II: High Performance Blade Эд Фаулер - Krause Publications 2003, стр.114
- ^ a b c Элементы металлургии и инженерные сплавы Флейк К. Кэмпбелл - ASM International 2008 Страница 195-196
- ^ Справочник по термообработке стали Джорджа Э. Тоттена - Марсель Деккер, 1997 г., стр. 659
- ^ Фазовые превращения в сталях, Том 1: Основы и преобразования, контролируемые диффузией, Елена Перелома, Дэвид В. Эдмондс - Woodhead Publishing 2012, стр. 20-39
- ^ Световая микроскопия углеродистой стали Леонарда Эрнеста Сэмюэлса ASM International 1999 Страница 20-25
- ^ Принципы термической обработки стали Ромеша К. Шарма - New Age International (P) Limited 2003, стр. 101-110
- ^ Элементы металлургии и инженерные сплавы Флэйк К. Кэмпбелл - ASM International 2008 Страница 197
- ^ "Закаливаемые легированные стали :: Статья Total Materia" . www.keytometals.com .
- ^ Термическая обработка стали: металлургия и технологии Джордж Э. Тоттен - CRC Press 2007 Страница 6, 200-203
- ^ Стали: микроструктура и свойства: микроструктура и свойства Гарри Бхадешиа, Роберт Ханикомб - Elsevier 2006, стр. 191-207
- ^ a b c Металлургия для инженеров Миклош Тиса - ASM International 2002 Стр. 348-350
Дальнейшее чтение [ править ]
- Справочное руководство по производственным процессам Роберта Х. Тодда, Делла К. Аллена и Лео Алтинга стр. 410
Внешние ссылки [ править ]
- Подробное обсуждение процессов темперирования
- Веб-страница, показывающая цвета нагревающего свечения и закалки
