Влияние закалки и отпуска на свойства и структуру сталей

Влияние закалки и отпуска на свойства и структуру сталей

Одна и та же сталь может стать твёрдой как стекло и такой же хрупкой — или, наоборот, прочной и вязкой одновременно. Всё решает пара тепловых операций, следующих одна за другой. Ниже разобрано, что такое закалка и отпуск, каких целей добиваются с их помощью, какие параметры важно контролировать и как три вида отпуска по-разному перекраивают структуру и свойства металла.

Зачем нужна закалка стали?

Главная выгода закалки экономическая: она поднимает эксплуатационные качества даже у недорогих сортов стали. В результате готовое изделие обходится дешевле, а производство становится прибыльнее.

К основным целям закалки относят:

• увеличение твёрдости поверхностного слоя;
• рост показателей прочности;
• снижение массы изделия при сохранении его твёрдости и прочности;
• уменьшение пластичности до нужного уровня, что повышает сопротивление изгибу.

Какие параметры определяют результат закалки?

Способов закалки существует множество, и итог у них заметно различается. Определяют его несколько режимных параметров:

• температура нагрева;
• скорость охлаждения;
• время выдержки при заданной температуре;
• время, необходимое для нагрева.

Ключевым из этих параметров считается температура нагрева — именно от неё зависит характер перестройки атомной решётки. Саму же температуру подбирают исходя из содержания в стали углерода и прочих примесей.

О чём важно помнить при закалке?

У закалки есть обратная сторона, и её нельзя упускать из виду.

Во-первых, рост твёрдости неизбежно сопровождается повышением хрупкости металла. Во-вторых, на поверхности изделия может образоваться слой окалины — здесь потери углерода и других примесей заметно выше, чем в сердцевине.

Особого внимания требует скорость охлаждения, особенно для углеродистой стали. Нарушение технологии способно перевести атомную решётку в промежуточное состояние, а это ухудшает полезные свойства металла.

Если охлаждать сталь слишком быстро, в ней возникают трещины и другие дефекты, после которых изделие уже нельзя пустить в дело.

Для нагрева обычно применяют камерные печи, доводящие среду до 800 °C. Отдельным маркам стали нужен более сильный нагрев — до 1300 °C, и его обеспечивают печи других типов.

Что представляет собой отпуск стали?

Закалка редко бывает финальной операцией: слишком твёрдый и хрупкий металл нуждается в смягчении. Эту задачу решает отпуск.

Цель отпуска — привести структуру к более равновесному состоянию, снять внутренние напряжения, повысить пластичность и вязкость и в итоге получить нужный набор эксплуатационных свойств. В зависимости от температуры различают три вида отпуска, и каждый меняет сталь по-своему.

Чем отличается низкий отпуск?

Низкий отпуск ведут при температуре 150–200 °C.

При таком нагреве из мартенсита выделяется часть избыточного углерода, и образуются мелкие карбидные частицы. Но поскольку скорость диффузии мала, некоторое количество углерода остаётся в мартенсите. Итоговая структура — мартенсит отпуска либо мартенсит отпуска вместе с вторичным цементитом.

Смысл операции — снять внутренние напряжения и немного убавить хрупкость, сохранив при этом высокую твёрдость, прочность и износостойкость.

Такому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также изделия, от которых требуются высокая твёрдость и износостойкость.

Что даёт средний отпуск?

Средний отпуск проводят при 350–450 °C.

Здесь из мартенсита выделяется избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональные искажения решётки железа снимаются, и она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с мелкими частицами цементита.

Результат: твёрдость снижается, зато существенно растёт предел упругости и улучшается сопротивление ударным нагрузкам. Итоговая структура — троостит отпуска.

Для чего применяют высокий отпуск?

Высокий отпуск выполняют при температуре 550–650 °C. Его задача — добиться оптимального сочетания вязкости, прочности и пластичности.

Структура стали после высокого отпуска представляет собой сорбит отпуска — мелкую смесь феррита и зернистого цементита.

Связка «закалка плюс высокий отпуск» служит основным видом термообработки для изделий из конструкционных сталей — именно она даёт тот баланс свойств, который нужен ответственным деталям.

Собранные воедино, эти операции выстраиваются в понятную логику: закалка поднимает твёрдость и прочность, но делает металл хрупким, а отпуск возвращает ему вязкость и пластичность в нужной мере. Меняя температуру отпуска, инженер словно перемещает ползунок между «твёрдо, но хрупко» и «мягче, зато вязко» — и подбирает под конкретную деталь оптимальное состояние структуры.