Упрочнение и отпуск стали

Расскажу про случай про отпуск стали из практики.
Как-то раз осуществили мы прокатку металла с применением технологии «Контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением» (КПУО). Что это такое, см. в статье контролируемая прокатка. В общем, прокатали сталь, и прокат горяченький поехал охлаждаться водой в установке ускоренного охлаждения до нужной температуры. Дальше все как полагается: прокат охладили, поправили в правильной машине. Пора теперь и пробы (см. определение ниже) от него отбирать, чтобы изготовить образцы (см. определение ниже) для механических испытаний да и отправлять его скорей дальше за ворота...

Все сделали: пробы отобрали, образцы из них изготовили и испытали. Прокат по результатам испытаний негодный: слишком прочный и заказчику, соответственно, ненужный. А прочный, потому что сильно переохладили: произошло не просто ускоренное охлаждение, а «супер-ускоренное», почти что закалка (см. статью о методах упрочнения).

Что теперь с прокатом делать? Давай-ка, думаем, мы его в печку посадим и отпуск проведем (см. определение ниже).

отпуск стали

Думаем, что нагреем, подержим при высокой температуре — у нас прочность в результате отпуска и уменьшится. Провели отпуск стали при температурах, скорее, близких к высокому отпуску (т.е. ближе к температурам около 650С [2, стр. 157]), отобрали пробы, сделали образцы, испытали, а металлу хоть бы что: как был прочным — так прочным и остался (см. рис.).

отпуск стали

А вот дальше сделали большую глупость — посадили на отпуск с более высокой температурой и время выдержки поменяли. После испытаний получилось, что прочность не только не упала, а еще и выросла (см. рис).

отпуск стали

А дело тут вот в чем...

Во время отпуска закаленной стали одновременно протекают два процесса: разупрочнение (чего мы и ждали) и упрочнение за счет образования карбидов при выделении из твердого раствора карбидообразующих элементов.

Упрочнение во время отпуска стали

Физика дисперсионного  упрочнения заключается в том, что мелкие частицы карбидов являются препятствиями для движения дислокаций (см. статью про принципы образования твердых растворов). Образуют эти частицы карбидообоазующие элементы типа V, Nb, Cr, Mo, W, To, Zr [1, стр. 108].

Разупрочнение во время отпуска стали

Процесс разупрочнения происходит

— за счет распада пересыщенного твердого раствора (карбидообразующие легирующие элементы уходят из твердого раствора, образуя соединения, и дают более спокойно дышать элементам, оставшимся в кристаллической решетке железа, а значит, и двигаться дислокациям);

— за счет уменьшения плотности дислокаций (дислокации разных знаков при встречаются и друг друга уничтожают);

отпуск стали

— перераспределения дислокаций (выстраиваются в более энергетически выгодные конфигурации, проще говоря, самоорганизуются и больше друг друга не напрягают). Это как если бы во время перемены перед уроком физкультуры дети играли в «кучу мала», а потом начался урок, и по свистку тренера все построились в строй, отойдя друг от друга, чтобы не задевать, и рассчитались.

А теперь, вопрос.

Какой же процесс возьмет верх?

отпуск стали

Зависит это от правильно подобранной температуры и времени проведения отпуска стали.

Как видно из рис. ниже [1, стр. 114], процесс разупрочнения идет всегда (кривая 2), но после достижения определенных температур начинается образование карбидов, которые упрочнят сталь (кривая упрочнения 1), в итоге  суммарная кривая 3 (разупрочнение (2) + упрочнение (1)) меняет свой ход.

отпуск стали

Как только мы выбираем температуру отпуска из более высоких температур, при которых выделяются карбиды, упрочнение (кривая 1) делает вклад в суммарное изменение прочности (см. пик на кривой 3).

При выборе еще больших температур эффект от упрочнения снижается. Происходит это потому, что при более высоких температурах диффузия ускоряется (атомы начинают бегать быстрее), дислокации уничтожаются (аннигилируют) и перестраиваются быстрее, а маленькие карбиды коагулируют (собираются вместе, как две капли воды).

отпуск стали

Крупные частицы карбидов уже больше не являются эффективным препятствием для движения дислокаций. Как видно из того же графика, возможны два варианта развития событий при увеличении температуры отпуска:

1. Упрочнение больше чем разупрочнение (тогда мы можем получить на выходе увеличение прочности): см. рисунок а. Вот это как раз и был наш случай: задрали температуру отпуска вверх в надежде разупрочнить прокат, а получили обратный эффект: упрочнили в результате выделения карбидов.

2. Упрочнение не больше, чем разупрочнение — тогда мы просто наблюдаем изменение хода кривой, и на выходе металл не упрочняем, но и в то же время просто зря будем пытаться увеличивать температуру отпуска: эффект от разупрочнения невелик.

Ну вот и сказки конец!

отпуск стали

А мораль сказки такова:

1. при выборе режима отпуска нужно учитывать данные о температурах выделения карбидов;

2. прежде чем отпускать здоровенный кусок метала, стоит сначала попробовать на маленьких пробах, вырезанных из него же. Из них можно изготовить образцы и испытать.

В следующей статье расскажу сказку про термомеханическую обработку (ТМО) и ее виды, так что, чтобы не пропустить выход статьи, подписывайтесь на обновления блога.

 

Определения

Проба — часть изделия, предназначенная для изготовления заготовок образцов для испытаний [3].

Заготовка — часть пробы, обработанная или необработанная механически, подвергнутая, в случае необходимости, термической обработке, предназначенная для изготовления образцов для испытаний [3].

Образцы для испытаний — часть пробы или заготовки определенного размера, обработанная или необработанная механически и доведенная до состояния, необходимого для конкретного испытания [3].

Отпуск стали — нагрев закаленной стали ниже точки Ас1 [2, стр. 147 и 4, Стр. 206 ].

 

Ссылки

1. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. Учебник для вузов. М:Металлургия, 1985, 408 с.

2. Лахтин М.Ю. Основы металловедения. М.: Металлургия, 1988. 320 с.

3. ГОСТ 7564-97 Прокат. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний

4. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е издание., перераб. и доп. М: Металлургия, 1986. 544.

 

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.





coded by nessus

Рубрика: Металловедение и термообработка. Метки: . Добавьте постоянную ссылку на эту страницу в закладки.

Один отзыв на Упрочнение и отпуск стали

  1. Евгений пишет:

    И это уже не сказка, а очень полезный опыт! Следует отметить список литературы в заключение Ваших статей. Это ценно само по себе: академичность (что важно для серьезной тематики) и, самое главное, полезность!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *