Что такое отпуск и старение

ОТПУСК И СТАРЕНИЕ

Для повышения пластичности, вязкости, снижения твердости и уменьшения внутренних напряжений металлические сплавы после закалки подвергаются нагреву. Температура нагрева лежит ниже температуры фазовых превращений и колеблется, как и время выдержки, в довольно широких пределах в зависимости от состава сплава и характера ожидаемой структуры. Такой нагрев для сталей называется отпуском. Отпуск – конечная операция, следующая за закалкой, его используют для уменьшения внутренних напряжений и получения более равновесной структуры. Стальные изделия в закаленном (неотпущенном состоянии) не применяют из-за хрупкости и малой пластичности.

Напряжения в закаленных изделиях снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска и меньше скорость охлаждения. С повышением температуры отпуска твердость и прочность снижаются, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются.

Поэтому в зависимости от условий эксплуатации и требуемых свойств применяют различные виды отпуска: низкий, средний, высокий (улучшенный).

Такому отпуску подвергаются детали машин, испытывающие в работе большие динамические и вибрационные нагрузки, так как сорбит отпуска обладает наиболее благоприятным комплексом механических свойств. Поэтому закалку с последующим высокотемпературным отпуском называют улучшением стали. Для сравнения в табл. 24 приведены значения механических свойств для хромистой стали (0,4 % углерода, 1 % хрома) в отожженном, нормализованном и улучшенном состояниях.

Прочностные и пластические характеристики стали, содержащей 0,4 % углерода и 1 % хрома, после различных видов термической обработки

Старением добиваются повышения прочности и твердости при снижении пластичности и вязкости (станины станков, основания мерительных приборов и т. д.).

Источник

Отпуск и старение

Как отмечалось ранее, неравновесное состояние термодинамической системы, в том числе и состояние сплава после закалки, неустойчиво. В сплаве самопроизвольно происходят процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагревание благодаря усилению теплового движения атомов ускоряет эти процессы.

Отпуск. Термообработка, заключающаяся в нагревании закаленного (с полиморфным превращением) сплава ниже температуры фазовых превращений в твердом состоянии. Сплав при этом переходит в более устойчивое состояние.

Отпуск является вторичной операцией и производится после закалки в отличие от отжига первого рода, выполняемого, как правило, перед другими операциями. Отпуску подвергают сплавы, главным образом стали, закаленные на мартенсит.

Старение. Применимо к сплавам, которые были подвергнуты закалке без полиморфного превращения. Старением принято называть нагрев такого сплава ниже температуры фазовых превращений в твердом состоянии (искусственное старение) или же длительную его выдержку при комнатной температуре (естественное старение).

Образовавшийся в результате закалки пересыщенный твердый раствор в таких сплавах термодинамически неустойчив и склонен к самопроизвольному распаду. В результате старения в сплаве происходит распад пересыщенного твердого раствора и образование вследствие диффузии внутри зерен твердого раствора участков, обогащенных растворенным элементом, 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. В связи с этим данный эффект упрочнения называется дисперсионным твердением, а сами стареющие сплавы — дисперсионно-твердеющими.

Как уже отмечалось, различают естественное старение (длительная выдержка при комнатной температуре) и искусственное, происходящее при повышенных температурах. Обычно применяют искусственное старение сплавов для ускорения процессов распада пересыщенного твердого раствора. Для этого после закалки их подвергают нагреву и выдержке при температуре нагрева. Иногда проводят ступенчатое старение с выдержкой при разных температурах.

Старение используют главным образом для повышения прочности и твердости конструкционных материалов (алюминиевых, магниевых,

Рис. 3.39. Схематическое изображение структуры когерентного (а), частично когерентного (б) и некогерентного (в) выделений в кристаллической решетке матрицы

медных, никелевых сплавов и некоторых легированных сталей), а также для повышения коэрцитивной силы магнитно-твердых материалов. Более подробно процесс старения рассмотрен на примере дуралюмина в гл. 13.

С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы распада пересыщенного твердого раствора, и сплав быстрее упрочняется. Начиная с определенной выдержки, при достаточно высокой температуре происходит перестаривание — снижение прочности сплава. Причиной перестаривания является коагуляция дисперсных выделений из раствора, т. е. растворение более мелких и рост более крупных частиц выделившейся фазы, а также потеря выделениями когерентности. В результате коагуляции расстояние между крупными частицами возрастает и торможение дислокаций в зернах твердого раствора уменьшается — они не перерезают, как прежде, когерентные мелкодисперсные частицы (см. далее рис. 8.32), а огибают их по механизму Орована (см. далее рис. 8.33).

На рисунке 3.39 схематично показаны структуры когерентного, частично когерентного и некогерентного выделений в кристаллической решетке матрицы. Для когерентного выделения характерно такое сопряжение с матрицей, при котором все ее кристаллографические плоскости, не прерываясь, простираются в кристаллографические плоскости выделения (рис. 3.39, а). Другими словами, два кристалла считаются когерентными, если они соприкасаются по такой поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток. Взаимная аккомодация решеток выделения и матрицы осуществляется в данном случае за счет упругих смещений атомов из своих положений равновесия. При этом несовпадение параметров решеток матрицы и выделения в плоскостях, по которым происходит сопряжение фаз, полностью компенсируется упругими смещениями. Эти упругие смещения атомов являются источником внутренних напряжений.

Когерентное сопряжение фаз приводит к максимальным упругим смещениям и, следовательно, к максимальным внутренним напряжениям. Такое сопряжение имеет место при малых размерах выделения на ранних стадиях фазового превращения, т. е. когерентными являются мелкодисперсные выделения. Увеличение размеров выделения создает условия для частично когерентного сопряжения.

В случае наличия в матрице частично когерентного выделения (рис. 3.39, б) взаимная аккомодация фаз с различными кристаллическими решетками происходит за счет неупругих смещений, связанных с разрывами сплошности материала, обусловленными дислокациями несоответствия. В промежутках же между дислокациями сохраняется когерентность решеток двух фаз.

Как видно из рис. 3.39, б, большинство кристаллографических плоскостей проходят как через матрицу, так и через выделение, не обрываясь, но некоторые плоскости обрываются, и на границе раздела фаз возникают краевые дислокации. Введение экстраплоскостей, приводящее к появлению дислокаций несоответствия, частично компенсирует несовпадение кристаллических сеток двух сопрягающихся плоскостей, принадлежащих разным фазам, при этом уровень внутренних напряжений понижается.

Если кристаллические структуры матрицы и выделения различны, то фазы разделяются некогерентной поверхностью (рис. 3.39, в). При этом некогерентное выделение (в отличие отчастично когерентного) не имеет ни одной когерентной границы с матрицей (сравните рис. 3.39, б и рис. 3.39, в).

В главе 13 рассмотрены процессы образования когерентных (зоны Гинье—Престона и 0-фаза), частично когерентных (0-фаза) и некогерентных (0-фаза СиАЬ) выделений в стареющих сплавах А1—Си и влияние выделений на прочностные свойства сплавов.

Источник

Старение и отпуск

Закаленный сплав находится в метастабильном состоянии и обладает повышенной свободной энергией.

При закалке без полиморфного превращения и в подавляющем большинстве случаев при закалке с полиморфным превращением образуется пересыщенный твердый раствор и закаленный сплав стремится понизить свою свободную энергию, в результате чего твердый раствор распадается.

Уже при комнатной температуре могут образовываться выделения из пересыщенного раствора, однако в большинстве сплавов диффузионная подвижность атомов при комнатной температуре недостаточна, чтобы распад раствора прошел в необходимой степени за приемлемое время.

Поэтому для изменения структуры и свойств закаленного сплава его назревают — подвергают старению или отпуску.

Исторически так сложилось, что для одних сплавов, например алюминиевых, использовали преимущественно термин «старение», для других, например углеродистых сталей, — «отпуск», а для третьих, например бронз и титановых сплавов, оба эти термина использовали на равных правах. Сравнительно недавно было предложено термин «отпуск» применять только к тем сплавам, которые были подвергнуты закалке с полиморфным превращением, а термин «старение» — в случае закалки без полиморфного превращения. Такое классификационное деление использовано в книге.

Главным процессом при старении и отпуске закаленного сплава является распад метастабильного твердого раствора. При этом сплав переходит в более стабильное состояние, хотя обычно и далекое от истинного равновесия, для которого характерен абсолютный минимум свободной анергии. Процессы распада пересыщенного раствора в закаленном сплаве, так же как возврат и рекристаллизация, протекают самопроизвольно, с выделением тепла.

Факт нагревания сплава не противоречит представлению о самопроизвольности процессов, происходящих в сплаве при старении и отпуске, так как нагревание необходимо лишь для ускорения диффузии, лежащей в основе всех структурных изменений при распаде пересыщенных растворов.

Основные параметры старения и отпуска — температура и время выдержки. Скорости нагревания и охлаждения обычно играют подчиненную роль. Исключение составляет специфическое явление отпускной хрупкости легированных сталей при замедленном охлаждении с температуры отпуска (смотрите Изменение механических свойств при отпуске сталей и выбор режима отпуска).

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Легирующие элементы, затрудняющие распад мартенсита и коагуляцию карбидов (смотрите Структурные изменения при отпуске сталей), смещают температурную границу начала интенсивного разупрочнения при отпуске с 200 — 300 до 450 — 550…

Отпускная хрупкость присуща многим сталям. Сталь в состоянии отпускной хрупкости характеризуется низкой ударной вязкостью. На других механических свойствах при комнатной температуре состояние отпускной хрупкости практически не сказывается. На рисунке схематично…

Характер зависимости механических свойств мартенситно-стареющих сталей от температуры отпуска такой же, как у всех дисперсионно-твердеющих сплавов: рост прочностных свойств, достижение максимума упрочнения и затем разупрочнение. По аналогии со старением можно…

Мартенситностареющие стали — это безуглеродистые сплавы на базе системы Fe — Ni, легированные дополнительно кобальтом, молибденом, титаном и другими элементами. Типичный пример — сплав железа с 17 — 19% Ni,…

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…

По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (120 — 250 °С) широко применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий и после поверхностной…

Диффузионная подвижность атомов легирующих элементов, растворенных в α-железе по способу замещения, на много порядков ниже, чем диффузионная подвижность атомов углерода, который растворен в железе по способу внедрения. При температурах отпуска…

Явление возврата после старения было открыто на дуралюмине. Если естественно состаренный дуралюмин нагреть до температуры примерно 250 °С, выдержать 20 — 60 с и быстро охладить, то его свойства возвращаются…

Структура закаленной стали метастабильна. При нагревании после закалки вследствие увеличивающейся подвижности атомов создаются условия для процессов, изменяющих структуру стали в направлении к более равновесному состоянию. Характер этих процессов определяется тремя…

Характер структурных изменений при отпуске углеродистых сталей зависит от температуры и продолжительности отпуска и содержания углерода в стали. С повышением содержания углерода в аустените возрастает пересыщенность α-раствора, снижается температура Мн,…

Образование цементита Fe3C со структурой, одинаковой или близкой к структуре цементита отожженной стали, происходит при температурах выше 250 °С, причем наиболее активно в интервале 300 — 400 °С. Цементит Fe3C…

Распад остаточного аустенита играет существенную роль в процессах отпуска высокоуглеродистых сталей, где он находится в значительном количестве (смотрите рисунок Влияние содержания углерода). Распад аустенита активно протекает в интервале температур примерно…

Источник

Термообработка: закалка,
отпуск, нормализация, отжиг

Металлоизделия, используемые в любых отраслях хозяйства должны отвечать требованиям устойчивости к износу. Для этого используется воздействие высокими температурами, в результате чего усиливаются нужные эксплуатационные свойства. Этот процесс называется термической обработкой.

Термообработка представляет собой комплекс операций нагрева, охлаждения и выдержки металлических твердых сплавов для получения необходимых свойств благодаря изменению структуры и внутреннего строения. Термическая обработка применяется в качестве промежуточной операции для того, чтобы улучшить обрабатываемость резанием, давлением, либо в качестве окончательной операции технологического процесса, которая обеспечивает требуемый уровень свойств детали.

Различные методы закаливания применялись с давних пор: мастера погружали нагретую металлическую полоску в вино, в масло, в воду. Для охлаждения кузнецы порой применяли и достаточно интересные способы, например садились на коня и мчались, охлаждая изделие в воздухе.

По способу совершения термическая обработка бывает следующих видов:

-Термическая (нормализация, закалка, отпуск, отжиг, старение, криогенная обработка).

-Термо-механическая. Включает обработку высокими температурами в сочетании с механическим воздействием на сплав.

-Химико-термическая. Подразумевает термическую обработку металла с последующим обогащением поверхности изделия химическими элементами (углеродом, азотом, хромом и др.).

Основные вид ы термической обработки:

1. Закалка. Представляет собой вид термической обработки разных материалов (металлы, стекло), состоящий в нагреве их выше критической температуры с быстрым последующим охлаждением. Выполняется для получения неравновесных структур с повышенной скоростью охлаждения. Закалка может быть как с полиморфным превращением, так и без полиморфного превращения.

2. Отпуск – это технологический процесс, суть которого заключается в термической обработке закалённого на мартенсит металла либо сплава, основными процессами при котором являются распад мартенсита, рекристаллизация и полигонизация. Проводится с целью снятия внутренних напряжений, для придания материалу необходимых эксплуатационных и механических свойств.

4. Отжиг. Представляет собой операцию термической обработки, заключающуюся в нагреве стали, выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью. В результате отжига образуется устойчивая структура, свободная от остаточных напряжений. Отжиг является одной из важнейших массовых операций термической обработки стали.

1) Снижение твердости и повышение пластичности для облегчения обработки металлов резанием;

2) Уменьшение внутреннего напряжения, возникающего после обработки давлением (ковка, штамповка), механической обработки и т. д.;

3) Снятие хрупкости и повышение сопротивляемости ударной вязкости;

4) Устранение структурной неоднородности состава материала, возникающей при затвердевании отливки в результате ликвации.

Для цветных сплавов (алюминиевые, медные, титановые) также широко применяется термическая обработка. Цветные сплавы подвергают как разупрочняющей, так и упрочняющей термической обработке, в зависимости от необходимых свойств и области применения.

Термическая обработка металлов и сплавов является основным технологическим процессом в чёрной и цветной металлургии. На данный момент в распоряжении технических специалистов множество методов термообработки, позволяющих добиться нужных свойств каждого вида обрабатываемых сплавов. Для каждого металла свойственна своя критическая температура, а это значит, что термообработка должна производиться с учётом структурных и физико-химических особенностей вещества. В конечном итоге это позволит не только достичь нужных результатов, но и в значительной степени рационализировать производственные процессы.

Источник

Отпуск и старение

Заключительной операцией термической обработки является отпуск стали, который включает в себя:

При отпуске формируются окончательная структура и свойства изделия.

Отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки в течение 15— 30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.

Скорость охлаждения после отпуска не изменяет структуру стали, однако во избежание получения термических напряжений ведут замедленное охлаждение (на воздухе), которое дает напряжения на поверхности в 7 раз меньше, а охлаждение в масле — в 2,5 раза меньше по сравнению с напряжениями при охлаждении в воде. Однако изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при температуре 500— 650 °С следует охлаждать быстро.

Превращения при отпуске хорошо видны па дилатометрической кривой, показывающей изменение длины образца в зависимости от температуры нагрева (рис. 4.48).

В соответствии с объемными изменениями, происходящими при отпуске углеродистых сталей, выделяют три температурных интервала (три превращения). Температурные границы превращений условны, их положение зависит от скорости нагрева, длительности, выдержки и состава стали.

Нагрев мартенсита до температуры 80 °С не вызывает заметных изменений в структуре и на дилатометрической кривой. Начиная от температуры 80 °С и до 200 °С наблюдается сокращение длины. Это будет так называемое первое превращение при отпуске. Рентгеновский анализ показал, что в данном интервале температур постепенно уменьшается параметр с решетки мартенсита; соотношение параметров решетки (отношение с/а) стремится к единице.

Рис. 4.48. Дилатометрическая кривая отпуска углеродистой стали:

В результате первой стадии (первого превращения при отпуске) образуется структура, называемая отпущенным мартенситом. Кристаллы отпущенного мартенсита сохраняют ту же морфологию, что и исходный, но плотность дефектов в них меньше. По микроструктуре распад мартенсита при первом превращении выявляется потемнением игл мартенсита.

Дальнейший нагрев выше 200 °С приводит к увеличению объема, что связано с превращением остаточного аустенита в отпущенный мартенсит. Это второе превращение при отпуске захватывает интервал температур 200—300 °С.

Выделение углерода уменьшает тетрагоналыюсть кристаллической решетки мартенсита, в результате чего остаточный аустенит получает возможность увеличить объем и превратиться в мартенсит отпуска. Превращение — диффузионное и по своей природе похоже на бейпитное превращение первичного аустенита. К концу второго превращения а-твердый раствор (мартенсит) содержит еше около 0,15—0,20% углерода, так как в температурном интервале второго превращения продолжается распад мартенсита.

При температуре 300-400 °С в углеродистых сталях происходит третье превращение. При данных температурах обеспечивается уже диффузионное перераспределение углерода, которое происходит путем растворения мелких неустойчивых карбидных частичек в мартенсите, диффузии углерода через а-твердый раствор (мартенсит) к более крупным устойчивым частицам карбида и последующего роста этих обособленных крупных частиц за счет непрерывного притока углерода. Здесь также происходит превращение карбида Fe,С в карбид Fe,С, т.е. в цементит. Частички цементита, как правило, выявляются по границам зерен и иглам мартенсита.

Полное выделение углерода из а-твердого раствора (мартенсита) способствует снятию внутренних напряжений (напряжений второго рода), возникающих в стали в связи с объемными изменениями, вызванными распадом мартенсита и остаточного аустенита. Структуру, образующуюся после отпуска при температуре 300-400 °С, называют трооститом отпуска.

Дальнейший нагрев выше 400 °С приводит к коагуляции цементитных частиц и укреплению блоков мозаичной структуры феррита.

При температурах 500-600 °С структура ферритоцемеититной смеси имеет зернистое строение средней степени дисперсности, которая называется сорбитом отпуска.

При температурах 650—700 °С ферритоцементитная смесь имеет грубодисперсиое зернистое строение и называется перлитом.

Превращения при отпуске протекают в очень малых объемах (внутри мартенситных игл), поэтому обычный микроструктурпый анализ не позволяет выявить происходящих структурных изменений до температур отпуска порядка 550 °С.

Структуры троостита и сорбита отпуска при обычном рассмотрении в микроскоп с увеличением в 500-600 раз трудно отличить от структуры мартенсита, так как они сохраняют мартенситную ориентировку, и только при увеличении в 1000 и более раз отчетливо видно строение сорбита. При нагреве выше 550 °С мартенситная ориентировка пропадает.

Следует указать на существенное различие ферритоцементитных смесей, полученных в результате распада аустенита или мартенсита.

В ферритоцементитиой смеси (троостит закалки или сорбит закалки), получающейся при распаде аустенита, цементит имеет пластинчатую форму. А в получающейся при распаде мартенсита этой же смеси при температуре 400 °С и выше цементит имеет зернистую форму.

Различная форма цементита в ферритоцементитиой смеси предопределяет и различие в свойствах. При одинаковых твердости, пределе прочности и относительном удлинении сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения предела текучести, относительного сужения и ударной вязкости.

На диффузионные процессы, происходящие при отпуске закаленной стали, оказывают существенное влияние легирующие элементы. Они не только сами обладают малой диффузионной подвижностью, но и уменьшают диффузионную подвижность атомов железа, углерода и дефектов кристаллической решетки.

На процесс образования промежуточных карбидов и на обеднение вокруг них участков мартенсита, т.е. на процесс двухфазного распада, легирующие элементы существенного влияния не оказывают.

На вторую стадию распада мартенсита легирующие элементы могут существенно влиять, сохраняя пересышенность мартенсита и замедляя рост карбидных частиц.

В углеродистой стали после отпуска при температуре 300 °С тетрагоналыюсть а-раствора почти полностью исчезает. При содержании в а-растворе:

Легирующие элементы особенно значительно влияют па процесс коагуляции карбидов при температурах выше 450 °С.

При значительном легировании стали карбидообразующими элементами (Сг, V/, Мо, V) возможно образование специальных карбидов (М,₃С₆, М₇С_>, М,С). Они значительно дис- перснее, чем цементит, поэтому выделение их является главной причиной появления вторичной твердости при отпуске.

Большинство легирующих элементов повышает температурную область распада остаточного аустенита до 500-600 °С.

В высоколегированных сталях (высокохромисгых, быстрорежущих) распад остаточного аустенита происходит не при температуре отпуска, а во время охлаждения. Причиной тому является выделение карбидов во время выдержки при температуре отпуска, в результате чего устойчивость аустенита и температура мартенситного превращения понижаются. Поэтому распад остаточного аустенита происходит во время охлаждения до комнатной температуры. Продуктом распада является мартенсит.

Таким образом, в зависимости от температуры нагрева в процессе отпуска формируются следующие структуры: отпущенный мартенсит, троостит и сорбит отпуска; при этом соответственно изменяются механические свойства стали (рис. 4.49).

Как видно из рис. 4.49, с повышением температуры отпуска предел прочности и твердость понижаются, а пластичность и ударная вязкость повышаются.

В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к изделиям, применяют следующие виды отпуска:

Низкий отпуск — нагрев закаленной стали до температуры 150-200 °С. В данном случае рекомендуется время выдержки 2,0—3,0 ч. Выдержка должна обеспечить получение стабильной структуры для данной температуры отпуска.

Низкий отпуск применяется для частичного снятия внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности стали без заметного снижения твердости. Этому виду отпуска подвергают детали, для которых требуется высокая твердость и износоустойчивость (измерительный и режущий инструмент, изделия из цементируемых сталей). Структура стали — отпущенный мартенсит, твердость которого лежит в пределах НКС 56-64.

После среднего отпуска получают структуру троостита отпуска.

Двойная термическая обработка, состоящая в закалке с последующим высоким отпуском, существенно улучшающая общий комплекс механических свойств, является основным видом термической обработки конструкционных сталей и называется улучшением.

Отпуск некоторых легированных сталей при температурах 250-400 °С и 500-650 °С может снизить ударную вязкость а_и (рис. 4.50). Такое снижение вязкости получило название

Рис. 4.50. Изменение ударной вязкости легированной стали от температуры отпуска:

Рис. 4.49. Механические свойства стати 40 в зависимости от температуры отпуска

отпускной хрупкости. Первый вид отпускной хрупкости, называемой отпускной хрупкостью первого рода, наблюдается в результате отпуска при температуре 250— 400 °С.

Причиной отпускной хрупкости первого рода является распад мартенсита с неоднородным выделением карбидов по границам и в объеме зерна; больше карбидов выделяется в пограничных слоях, что и вызывает хрупкое разрушение с характерным межкристаллитным изломом по границам бывших аустенитных зерен. Отличительной особенностью хрупкости первого рода является ее необратимый характер; повторный отпуск при этой же температуре не улучшает вязкости.

При увеличении температуры выше 400 °С распад мартенсита распространяется и в глубь зерна, в результате чего структура выравнивается и хрупкость устраняется, но при этом снижается твердость. Повторный нагрев при температуре 250-400 °С отпускной хрупкости не вызывает. Кроме легированных сталей отпускная хрупкость первого рода свойственна и углеродистым сталям.

Отпускная хрупкость второго рода при температуре 500-650 °С возникает только в том случае, если охлаждение после нагрева медленное (в печи или на воздухе). Причиной хрупкости является выделение по границам зерен каких-либо фаз (фосфидов, карбидов, нитридов и др.). При быстром охлаждении после нагрева (в воде или масле) эти фазы выделиться не успевают и хрупкости не наблюдается.

Характерной особенностью отпускной хрупкости второго рода является ее обратимость. Хрупкость, возникшая в результате медленного охлаждения с температур 500—650 °С, может быть устранена повторным отпуском с последующим быстрым охлаждением или может быть вызвана вновь дополнительным отпуском определенной длительности при температуре 500-550 °С.

Наиболее восприимчивы к отпускной хрупкости второго рода стали, содержащие повышенное количество фосфора или марганца, а также хромомаргалцевые и хромоникелевые стали. Введение в сталь небольшого количества молибдена (0,2-0,3%) или вольфрама (0,5— 0,7%) значительно уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости второго рода.

Главным процессом при старении и отпуске большинства закаленных промышленных сплавов является распад метастабилыюго твердого раствора. При этом сплав переходит в более стабильное состояние, хотя обычно и далекое от истинного равновесия, для которого характерен абсолютный минимум энергии Гиббса. Процессы распада пересыщенного раствора в закаленном сплаве протекают самопроизвольно с выделением теплоты превращения.

Факт нагрева сплава не противоречит представлению о самопроизвольности процессов, происходящих в сплаве при старении и отпуске, так как нагрев необходим лишь для ускорения диффузии, лежащей в основе всех структурных изменений при распаде пересыщенных растворов.

Старение — это термическая обработка, при которой в сплаве, подвергнутом закалке без полиморфного превращения, главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.

Рис. 4.51. Приграничные зоны, свободные от выделений (светлые), в титановом сплаве ВТ 15

При старении некоторых сплавов (алюминиевых, титановых, железных, никелевых и др.) вблизи границ зерен матричного твердого раствора распада не происходит и отчетливо видны зоны, свободные от выделений (рис. 4.51). В алюминиевых сплавах ширина таких зон составляет обычно от сотых до десятых долей микрометра, и они видны только в электронном микроскопе. В титановых (3-сплавах после старения зоны, свободные от выделений, имеют ширину порядка нескольких микрометров и хорошо видны только в световом микроскопе.

Существование приграничных зон, свободных от продуктов распада раствора, не противоречит положению о том, что границы зерен облегчают зарождение выделений новой фазы. Речь идет не о самой границе, а о примыкающей к ней приграничной области. Часто можно наблюдать выделения непосредственно на границе зерна и рядом с ними приграничную зону, свободную от выделений.

Это объясняют образованием в пересыщенном твердом растворе скоплений атомов легирующих элементов — кластеров, рассеивающих электронные волны. Возможно, что часть кластеров успевает образоваться уже в период закалочного охлаждения.

Вначале размер кластера очень мал, и структурные методы их не выявляют. Через некоторое время кластеры могут вырасти настолько, что они вызывают дифракционные эффекты на дифрактограммах монокристаллов и электропограммах при просвечивании фольги. Кластеры, обнаруживаемые структурными методами, называют зонами Гиньв — Престопа (зонами ГП).

После предварительной оценки температурного уровня старения или по аналогии с другими сплавами па базе того же металла экспериментально отрабатывают режим старения, выстраивая графики «свойство — температура» (время) старения.

Как уже отмечалось, старение подразделяют на естественное, происходящее при комнатной температуре, и искусственное, требующее нагревало определенной температуры.

В большинстве стареющих сплавов вылеживание при комнатной температуре после закалки не дает такого изменения свойств, которое можно было бы практически использовать. Механические свойства закаленных медных, никелевых и многих других сплавов вообще не изменяются при комнатной температуре, так как она слишком низка для достаточного развития в них диффузионных процессов.

В алюминиевых сплавах (дуралюминах и др.) образование зон ГП при естественном старении приводит к сильному упрочнению, что широко используют в промышленности.

Понятия естественное и искусственное старение характеризуют условия его проведения, но однозначно не определяют характер структурных изменений в пересыщенном твердом растворе. У большинства сплавов при естественном старении образуются только кластеры. В то же время при искусственном старении в зависимости от его температуры и продолжительности распад раствора останавливается или на зонной стадии, или на стадии выделения промежуточных фаз, либо доходит до укрупнения выделений стабильной фазы.

Для зонного старения алюминиевых сплавов характерны большое относительное удлинение (б > 10—15%), значительная разница между временным сопротивлением и пределом текучести (a_u,/o_u = 0,7—0,8), высокое сопротивление удару и стойкость против коррозии под напряжением. Зонное старение бывает только упрочняющим.

Фазовое старение может быть упрочняющим и разупрочняюшим (перестаривание). Для упрочняющего фазового старения характерны пониженное относительное удлинение, малая разница между временным сопротивлением и пределом текучести (о₀₂/о_в = 0,8—0,95), пониженные ударная вязкость и стойкость против коррозии под напряжением.

При выборе оптимального режима старения часто исходят из требования достичь максимальной прочности. Но для многих изделий критерием оптимальности режима старения служит не максимальная прочность, а сочетание разных свойств.

Бериллиевая бронза и алюминиевый сплав 1915 на базе системы «Al — Zn — Mg» сильно упрочняются при старении, а магниевый сплав МЛ5 упрочняется слабо, поэтому его чаще используют в закаленном состоянии.

При закалке аустенитно-мартенситное превращение протекает не полностью и в стал и сохраняется некоторое количество аустенита. По мере увеличения в стали содержания С или легирующих элементов количество остаточного аустенита существенно возрастает.

Обработка холодом (при минусовых температурах), впервые предложенная А.П. Гуляевым, применяется для сталей, у которых после закалки сохраняется значительное количество остаточного аустенита. Как указывалось ранее, мартенситное превращение у сталей, содержащих более 0,6% С, закапчивается ниже обычной температуры.

При обработке холодом закаленные изделия подвергают охлаждению ниже нуля (—40, — 190 °С). Температура обработки холодом выбирается в зависимости от химического состава стали. Для предотвращения стабилизации аустенита, снижающей эффект обработки, охлаждение следует проводить непосредственно после закалки.

Обработка стали холодом:

• повышает износоустойчивость и режущую способность инструментов из быстрорежущей и других инструментальных сталей;

Для деталей сложной формы перед обработкой холодом применяют отпуск, что устраняет закалочные напряжения и предотвращает возникновение трещин и коробления.

Низкие температуры при обработке холодом получают, применяя жидкий кислород, азот или воздух, а также смеси сухого льда с ацетоном и т.д.

Источник