книги / Термоциклическая обработка сталей и чугунов

Т а б л и ц а 4

Значения температуры А сХ некоторых сталей при малой скорости нагрева (85]

Изменение температуры Аг\ в зависимости от скорости охлаж­ дения имеет противоположную закономерность. Чем больше

скорость охлаждения, тем ниже значения Аг\ [35]. На рис. 22: показано изменение Аг\ в зависимости от скорости охлаждения.

Особенностью термических кривых нагревов и охлаждений легированных сталей перлитного класса в сравнении с обычны­ ми углеродистыми сталями является то, что температурные пло­ щадки, характеризующие энергоемкость и длительность процес­ сов сс^у-превращений больше, чем у соответствующих по угле­ роду нелегированных сталей. Структурные изменения при ТЦО* легированных сталей происходят менее интенсивно. Поэтому максимальную температуру при нагревах следует увеличить с 30—50 до 50—70° С выше Ас\.

Общая закономерность влияния легирующих элементов на.

41

■число термоциклов при ТЦО такова, что -при увеличении про­ центного содержания легирующих элементов в стали увеличива­ ется и необходимое число термоциклов. На -рис. 23 приведена зависимость оптимального числа термоциклов стали с 0,4% угле­ рода от содержания легирующих элементов. Таким образом, -способ термоникличеокой обработки применительно к изделиям из низколегированных сталей должен уточняться с учетом ука­ занного выше влияния легирующих элементов. Так, режим тер­ моциклической обработки стали 40Х состоит из 8—9-кратных на­ гревов до температур на 50—70° С выше Ас\ и охлаждений вна­ чале на воздухе до температур на 30-50° С ниже Лг1, а затем в

а*

масле или воде. Далее на примере ТЦО сталей 40Х и ЗОХГСА (Иопт= 14-т-15) "будет показано влияние термоциклической обра­ ботки легированных сталей на их механические свойства.

§ 2. Влияние ТЦО легированных сталей на характеристики механических свойств при кратковременных испытаниях

Кратковременным испытаниям на разрыв и уда-рную вяз­ кость подвергались стали 40Х и ЗОХГСА в двух состояниях: после нормализации и после ТЦО.

Определение оптимального числа термоциклов для данных -сталей производилось путем построения зависимостей, приве-

.денных на рис. 24, из которых видно, что для стали 40Х Лопт —

-320 Дж/см2, т. е. с 11— 12 до 31—32 кгс-м/ом2. Таких высоких

■42

Структурные изменения, .происходящие при ТЦО легирован­ ных сталей -перлитного класса, аналогичны изменениям при ТЦО углеродистых сталей. На рис. 25 показаны микрострукту­ ры стали 40Х после нормализации и ТЦО. Твердость сталей при ТЦО несколько изменяется. У стали ЗОХГСА в нормализо­

НВ= (1660ч-1790) МПа, т. е. стала НВ= (166ч-179) кгс/мм2.

§ 3. Хладостойкость сталей

Проблема снижения критической температуры перехода в хладноломкое состояние и повышения общего запаса вязкости

и пластичности машиностроительных сталей является актуаль­ ной. В настоящее время при создании материалов для машин» предназначенных для работы на Севере, наметилось два напра­ вления исследований. Первое направление металлургическое: разрабатываются хладостойкие стали путем легирования нике­ лем или при сложном легировании до получения аустенитных сталей. Этот путь не может решить проблемы, так как всю тех­ нику для Севера и Сибири не изготовить из аустенитных сталей и перлитных, но содержащих значительное количество никеля. Необходимо все материалы, идущие на изготовление машин для работы на Севере, сделать более хладостойкими. В этом отношении второй путь более перспективен. Он состоит в про­ ведении термомеханической обработки (ТМО) деталей машин.

44

Но, как уже отмечалось, ТМО технологически сложно осу­ ществить и поэтому названная обработка не нашла должного применения.

Термо1ци1кличеокая обработка смещает кривую температурной зависимости ан в область отрицательных температур (см. рис. 17, 18). Следовательно, ТЦО может служить способом повы­ шения хла.достоЙ!кости углеродистых сталей {89]. Из анализа (см. рис. 24) следует, что ТЦО значительно увеличивает запас вязкости легированных сталей. А это, как правило, приводит к снижению температуры порога хладноломкости. Исследования хладноломкости сталей 15Х и 40Х показывают, что ТЦО эф­ фективно повышает их хладостойкость (рис. 26 и 27). На рис. 27 приведены температурные зависимости стали 40Х после

[102],

Можно считать, -что ТЦО в настоящее время является наи­ более эффективным и перспективным способом повышения хладостойкости как обычных углеродистых, так и легированных сталей перлитного класса.

§4. Влияние ТЦО на склонность легированных сталей

котпускной хрупкости

Один из основных недостатков легированных сталей — их склонность к отпускной хрупкости. Понятие об отпускной хруп­ кости возникло при сопоставлении значений ударной вязкости легированных сталей, подвергнутых закалке и высокому отпу­ ску с быстрым и медленным охлаждением с температур от 400 до 600° С. Было установлено, что после отпуска с быстрым охлаждением стали более вязки, чем после медленного охлаж­ дения. Это явление было названо отпускной хрупкостью.

Позднее выяснилось, что эффект снижения ударной вязко­ сти имеет место и при выдержке в интервале температур 400°,С — Лсь Это снижение вязкости называют тепловой хруп­ костью сталей. Однако и отпускная и теплбЪая хрупкости по своей .природе, видимо, одинаковы [50]. И действительно, в яв­ лении снижения ап при нормализации и отжиге проявляется действие как выдержки, так и скорости охлаждений. Очевидно, что малая скорость охлаждения сталей при отжиге продлевает пребывание их в опасном интервале температур и, как следст­ вие этого (временного фактора, а не скорости), наблюдается большее охрупчивание, чем при нормализации. Известно так­ же, что длительная выдержка при температурах отпуска устра­ няет зависимость от скорости охлаждения, т. е. при длитель­ ных выдержках устраняется «отпускная хрупкость». Это объ­ ясняется тем, что при длительной выдержке процесс охрупчи­ вания произошел полностью и увеличение времени действия

45

высокой температуры при медленном охлаждении больше ниче­ го не добавляет. Следовательно, отпускная хрупкость проявля­ ется только в том случае, когда время выдержки при отпускенедостаточно для полного проявления хрупкости.

Различают отпускную хрупкость первого и второго рода [35]. Отпускная х,рупкость первого рода развивается при от­

но, что различие в проявлении хрупкости при отпусках с раз­ ными температурами нагревов обусловлено разными физиче­ скими процессами и, следовательно, имеют разную физиче­ скую природу. Однако есть основания предположить, что отпу­ скная хрупкость как первого, так и второго рода одинаковы по своей физической природе, а их проявление есть результат вы­ явления неодинаковой скорости протекания диффузионных про­ цессов, приводящих к охрупчиванию.

Скорости протекания диффузионных процессов распада мар­ тенсита, диффузии, растворенных в решетке железа элементов, к границам зерен и скорости распада остаточного аустенита в закаленных сталях, по-видимому, обусловлены изменением па­ раметров решетки а-железа. Дилатометрические кривые, запи­ санные при отпуске закаленных сталей показывают, что при температурах, соответствующих интервалам отпускной хрупко­ сти первого и второго родов, наблюдается некоторое увеличение объема [35]. Это увеличивает скорость диффузии растворенных в феррите элементов (углерода, хрома и других) и способству­ ет ускоренной концентрации их вблизи границ зерен, что ох-руп- чивает сталь. Другим косвенным доказательством различной скорости диффузионных процессов в закаленных легированных сталях является анализ диаграмм изотермического распада аусте­ нита. Вследствие различной скорости диффузии углерода про­ исходит раздвоение С-образной кривой. Примем в этом случае наблюдается быстрый распад аустенита при температурах око­ ло 300 и 600° С. При температурах 350—500° С диффузия за­ труднена.

Если учесть, что диффузионные процессы при различных температурах отпуска идут с различной скоростью и при тем­

температуре 300° С и только частичное при 500° С. Дальнейше­ му повышению температуры отпуска соответствует ускорение диффузионных процессов, но сюда «включается» и увеличение растворимости примесей в а-решетке железа. Следовательно, общий диффузионный процесс выделения примесей несколько

46

замедляется и за 1 ч выдержки «полного охрупчивания не на­ ступает, поэтому сталь будет чувствительной к скорости охлаж­ дения (фактически— к увеличению длительности пребывания в нагретом до больших температур состоянии). И не случайно: большая продолжительность выдержек при температурах дей­ ствия отпускной хрупкости второго рода устраняет чувстви­ тельность стали к скорости охлаждения и по существу сводит названную хрупкость к необратимой отпускной хрупкости пер­ вого рода. Это свидетельствует о том, что принципиальногоразлнчия в природе отпуской хрупкости второго и первого рода нет. Здесь -проявляется разная скорость диффузионного охрупчивания при различных температурах, но при постоянной иепродолжительной выдержже.

Физическая природа возникающей хрупкости легированных сталей при высоких температурах состоит в сосредоточении легирующих элементов в приграничных зонах, т. е. вблизи гра­ ниц зерен. Повышенное содержание большинства легирующих элементов снижает ударную вязкость феррита [35], поэтому сосредоточение их вблизи границ зерен делает эти участки хрупкими, а ударную вязкость низкой. Выделение мелких зе­ рен карбидов у границ зерен из приграничного пресыщенного феррита повышает вязкость сталей за счет снижения процент­ ного содержания растворенных в феррите элементов и увеличе­ ния сопротивления пластическими деформациями от «трения», вызванного карбидными включениями.

Для уменьшения действия отпускной хрупкости в легиро­ ванных сталях перлитного класса необходимо снизить насы­ щенность феррита вблизи границ зерен различными примеся­ ми.! Это может быть достигнуто увеличением общей протяжен­ ности границ зерен, т. е. вследствие резкого измельчения зе­ рен. При ТЦО происходит сильное измельчение зерен, и это, очевидно, при резком снижении степени насыщения примеся­ ми феррита, расположенного около границ зерен, должно, если не устранить явление отпускной хрупкости в сталях, то хотя бы сильно ослабить его. Исследования показали, что выска­ занное предположение полностью подтверждается. Результаты приведенных испытаний на стали ЗОХГСА приведены ниже:

Эксперименты проводились с выдержками при отжиге, нор­ мализации, закалке и отпуске по одному часу. Из приведенных

47

= 19 кгс/мм2, т. е. на 12% больше. Обнаруженное изменение усталостной прочности невелико. Но в данном случае важен сам факт увеличения предела выносливости. Можно предполо­ жить, что имеется возможность получить у той же стали 40Х ггри ее ТЦО и более высокую усталостную прочность. Для это­ го необходимо оптимизировать режим ТЦО специально для получения наибольшего значения предела выносливости.

Таким образом, исследования показали, что среднетемпера­ турная ТЦО увеличивает конструктивную прочность низколегн-

0,

МПа

Рис. 28. Кривые усталости стали 40X после улучшения (I) и пос; ТЦО (2)

рованных сталей, повышая тем самым надежность и долговеч­ ность изделий, выполненных из этих сталей.

§ 6. Влияние ТЦО на механические свойства стали, выплавленной с бескремнистым раскислением

Известно, что раскисление стали производится с целью устранения (снижения) кислорода в расплаве. Обычно раскис­ ление производят введением в расплав элементов, имеющих большее сродство с кислородом. Элементы-раскислнтели легко вступают в химическое соединение с кислородом. Вместо окис­

ферросилиция, а ташке аллюминий и титан. При этом в метал­ ле сохраняется некоторая часть продуктов раскисления таких, как 5Ю2, 5Ю, А120 3, ТЮ. Присутствие в сплаве поверхност-

49

по-актнвнон смеси способствует формированию пластинчатого перлита в стали и крупнозернистой структуры [4, 6].

Новым и перспективным способом раскисления сталей явля­ ется бескремиистый или марганцево-алюминиевый. Этот способ разработан в Ленинградском механическом институте С. М. Барановым и сотрудниками [7, 8]. Наш предложено раскисление вести углеродом, марганцем и алюминием. Кремний вводится в раскисленную сталь. Такое раскисление стали при последую­ щей кристаллизации ее и охлаждении до умеренных темпера­ тур приводит к мелкозернистой структуре с округлой формой цементитных включений в ней. Стали, прошедшие беокремни-

50