Закалка (металлургия) - Tempering (metallurgy)

Дифференциально закаленная сталь. Различные цвета показывают температуру, до которой была нагрета сталь. Светло-соломенный цвет указывает на 204 ° C (399 ° F), а голубой - на 337 ° C (639 ° F).^[1][2]

Темперирование это процесс термической обработки, который используется для увеличения стойкость из утюг -на основании сплавы. Темперирование обычно проводят после закалка, чтобы уменьшить часть лишнего твердость, и осуществляется путем нагрева металла до некоторой температуры ниже критическая точка в течение определенного периода времени, а затем дайте ему остыть 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 сложно инструменты часто закаляются при низких температурах, а пружины закаляются при гораздо более высоких температурах.

Введение

Микрофотография мартенсита, очень твердого микроструктура образуется при закалке стали. Отпуск снижает твердость мартенсита, превращая его в различные формы отпущенного мартенсита.

Темперирование - это термическая обработка техника, применяемая к черным металлам сплавы, такие как сталь или чугун, чтобы добиться большего стойкость уменьшив твердость сплава. Снижение твердости обычно сопровождается увеличением пластичность, тем самым уменьшая хрупкость металла. Темперирование обычно проводят после закалка, который представляет собой быстрое охлаждение металла до его наиболее твердого состояния. Отпуск осуществляется контролируемым нагревом закаленной заготовки до температуры ниже ее нижнего предела. критическая температура ". Это также называется более низкой температурой превращения или более низкой задержкой (A₁) температура; температура, при которой кристаллический фазы сплава, называемого феррит и цементит, начните объединение, чтобы сформировать однофазный Твердый раствор упоминается как аустенит. Нагрев выше этой температуры избегается, чтобы не разрушить очень твердую закаленную микроструктуру, называемую мартенсит.^[3]

Точный контроль времени и температуры во время отпуска имеет решающее значение для достижения желаемого баланса физических свойств. Низкие температуры отпуска могут только снять внутренние напряжения, уменьшая хрупкость при сохранении большей части твердости. Более высокие температуры отпуска, как правило, приводят к большему снижению твердости, в результате чего предел текучести и предел прочности для увеличения эластичность и пластичность. Однако в некоторых легированные стали, содержащий другие элементы, такие как хром и молибден, отпуск 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 дисперсионные твердые сплавы, который дает противоположные эффекты в условиях закалки и отпуска, и называются мартенситностареющая сталь.^[3]

В углеродистые стали, отпуск изменяет размер и распределение карбиды в мартенсите, образуя микроструктуру, называемую «отпущенный мартенсит». Закалка также проводится на нормализованный стали и чугуна для повышения пластичности, обрабатываемости и ударной вязкости.^[3] Сталь обычно равномерно отпускается, что называется «сквозным отпуском», что дает почти однородную твердость, но иногда ее нагревают неравномерно, что называется «дифференциальным отпуском», что приводит к изменению твердости.^[4]

История

Закалка - древний метод термической обработки. Самый старый известный пример отпущенного мартенсита - это выбрать топор который был найден в Галилея, датируемый примерно 1200–1100 гг. до н. э.^[5] Этот процесс использовался во всем древнем мире, от Азии до Европы и Африки. В древние времена использовалось 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-Остин писал: «До сих пор существует так много путаницы между словами« вспыльчивость »,« закаливание »и« закаливание »в трудах даже выдающихся авторитетов, что хорошо помнить об этих старых определениях. Я буду использовать слово темперирование в том же смысле, что и смягчение ».^[6]

Терминология

В металлургия, можно встретить множество терминов, которые имеют очень специфические значения 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 значений, из-за чего иногда бывает трудно различить конкретное значение. Некоторые из встречающихся терминов и их конкретные определения:

• Прочность: Устойчивость к постоянному деформация и рвет. Прочность в металлургии все еще довольно расплывчатый термин, поэтому обычно его делят на предел текучести (сила, при превышении которой деформация становится постоянной), предел прочности (максимальная прочность на разрыв), прочность на сдвиг (сопротивление поперечным силам или силам резания), и прочность на сжатие (сопротивление упругому сокращению под нагрузкой).
• Стойкость: Устойчивость к перелом, как измерено Тест 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 твердость вдавливания и предел 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 ударной вязкости, но на нее также сильно влияют внутренние напряжения.
• Пластичность: Способность формовать, сгибаться или деформироваться таким образом, чтобы не возвращаться к своей первоначальной форме. Это пропорционально пластичность или пластичность вещества.
• Эластичность: Также называется гибкостью, это способность деформироваться, сгибаться, сжиматься или растягиваться и возвращаться к исходной форме после снятия внешнего напряжения. Эластичность обратно пропорциональна Модуль для младших материала.
• Ударопрочность: Обычно синоним высокой прочности, это способность противостоять ударным нагрузкам с минимальной деформацией.
• Износостойкость: Обычно это синоним твердости, это сопротивление эрозия, абляция, скалывание, или раздражающий.
• Целостность конструкции: Способность выдерживать максимальную номинальную нагрузку при сопротивлении разрушению, сопротивлению усталость, и производя минимальное сгибание или отклонение, чтобы обеспечить максимум срок службы.

Углеродистая сталь

Очень немногие металлы реагируют на термическую обработку таким же или в той же степени, что и углеродистая сталь делает, а поведение при термообработке углеродистой стали может радикально меняться в зависимости от легирующих элементов. Сталь можно размягчить до очень податливый состояние через отжиг, или его можно упрочнить до состояния твердого и хрупкого, как стекло, путем закалка. Однако в закаленном состоянии сталь обычно слишком хрупкая и не имеет вязкость 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 разрушением. В зависимости от степени закалки стали она может гнуться. эластично (сталь возвращается к своей первоначальной форме после снятия нагрузки) или она может согнуться пластически (сталь не возвращается к своей первоначальной форме, что приводит к остаточной деформации), до трещина. Закалка используется для точного баланса механических свойств металла, таких как прочность на сдвиг, предел текучести, твердость, пластичность и предел прочности, для достижения любого количества комбинаций 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 файлы закаленная сталь почти всегда в той или иной степени подвергается отпуску. Однако сталь иногда отжигают с помощью процесса, называемого нормализация, оставляя сталь только частично размягченной. Для нормализованной стали иногда используется отпуск, чтобы еще больше ее смягчить, повысить пластичность и обрабатываемость для облегчения металлообработка. Закалка также может использоваться на сваренный стали, чтобы уменьшить некоторые напряжения и избыточную твердость, возникающие в зона термического влияния вокруг сварного шва.^[3]

Закаленная сталь

Отпуск чаще всего выполняется на стали, нагретой выше ее верхнего критического значения (A₃) температуры, а затем быстро охладился в процессе, называемом закалка с использованием таких методов, 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. Точно так же отпуск высокоуглеродистой стали до определенной температуры приведет к получению стали, которая значительно тверже, чем низкоуглеродистая сталь, отпускаемая при той же температуре. Также имеет значение время выдержки при температуре отпуска. Отпуск при слегка 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). ассортимент. 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 этого 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), дает отличную ударную вязкость, но при серьезном снижении прочности и твердости. При 600 ° C (1112 ° F) сталь может испытать другую стадию охрупчивания, называемую «охрупчиванием при отпуске» (TE), которое происходит, если сталь слишком долго выдерживается в диапазоне температур TE. При нагревании выше этой температуры сталь обычно не выдерживают какое-либо время и быстро охлаждают, чтобы избежать охрупчивания при отпуске.^[3]

Нормализованная сталь

Сталь, которая была нагрета выше своей верхней критической температуры и затем остыла на воздухе, называется нормализованной сталью. Нормализованная сталь состоит из перлит, мартенсит и иногда бейнит зерна, смешанные вместе в микроструктуре. Таким образом получается сталь, которая намного прочнее, чем сталь после полного отжига, и намного более жесткая, чем сталь после закалки. Однако иногда требуется дополнительная ударная вязкость при уменьшении 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 сталей, таких как углеродистая сталь 1045, или для 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 машина.^[9]

Сварная сталь

Сталь, которая была сваренный дугой, газосварной, или сварены любым другим способом, кроме кузнечно-сварной, подвергается воздействию тепла от процесса сварки в определенной области. Эта локализованная область, называемая зона 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. Тепловое сжатие из-за неравномерного нагрева, затвердевания и охлаждения возникают внутренние напряжения в металле как внутри сварного шва, так и вокруг него. Иногда вместо закалки снятие стресса (даже нагрев и охлаждение всего объекта до уровня чуть ниже A₁ температура) 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]

Утоление и сдержанность

Современный арматурный стержень прочностью 500 МПа можно изготавливать из дорогих микролегированная сталь или с помощью процесса закалки и самоконтроля (QST). После того, как пруток выходит из последнего прохода прокатки, где придана окончательная форма прутка, пруток затем обрызгивают водой, которая охлаждает внешнюю поверхность прутка. Скорость штанги и количество воды тщательно контролируются, чтобы сердцевина штанги не закалилась. Затем горячий сердечник закаляет уже закаленную внешнюю часть, оставляя стержень с высокой прочностью, но с определенной степенью пластичности.

Кузнечное дело

Изначально закалка была процессом, используемым и разработанным кузнецами (кузнецами железа). Скорее всего, процесс был разработан Хеттов из Анатолия (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 лишь несколько методов точного измерения температуры, температуру обычно оценивали по цвету закалки металла. Закалка часто заключалась в нагревании над углем или углем. ковать, или от огня, поэтому поддержание работы при правильной температуре в течение правильного времени обычно было невозможно. Закалка обычно проводилась 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 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 была нагрета, тип источник тепла (окисляющий или науглероживание ), скорость охлаждения, масляные пленки или загрязнения на поверхности и 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 не могут полностью затвердеть во время закалки.^[11]

Темперирующие цвета

Кусочки плоского проката из закаленной стали. Первый слева - нормализованная сталь. Второй - закаленный, неотпущенный мартенсит. Остальные куски темперировались в духовке до соответствующей температуры в течение часа каждая. Подобные «стандарты закалки» иногда используются кузнецами для сравнения, чтобы гарантировать, что работа закаляется до нужного цвета.

Если сталь была недавно отшлифована, отшлифована или отполирована, она образует окись слой на его поверхности при нагревании. По мере увеличения температуры стали толщина оксид железа также увеличится. 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 тонкопленочная интерференция, который создает цвета на поверхности. Поскольку толщина этого слоя увеличивается с температурой, это приводит к изменению цвета от очень светло-желтого до коричневого, затем фиолетового, затем синего. Эти цвета появляются при очень точных температурах и дают кузнецу очень точный прибор 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 превысит температуру, необходимую для получения светло-соломенного цвета. Окисляющий или науглероживание источники тепла также могут повлиять на конечный результат. Слой оксида железа, в отличие от ржавчина, также защищает сталь от коррозии пассивация.^[12]

Дифференциальный отпуск

Меч с различной закалкой. Центр закаляется до упругой твердости, а края закалены немного тверже, чем молоток.

Дифференциальный отпуск - это метод обеспечения разной степени закалки разным частям стали. Метод часто используется в кузнечное дело, для изготовления ножи и мечи, 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 встречается в Европе, чем дифференциальное упрочнение методы, более распространенные в Азии, например, в Японское кузнечное дело.

Дифференциальная закалка заключается в нагревании 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 движутся 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. Подобный метод используется для обоюдоострых лезвий, но источник тепла прикладывается к центру лезвия, позволяя краскам расползаться по направлению к каждому краю.^[13]

Прерывистая закалка

Методы прерывистой закалки часто называют отпуском, хотя эти процессы сильно отличаются от традиционного отпуска. Эти методы заключаются в закалке до определенной температуры выше мартенситного начала (M_s) температуры, а затем выдерживают при этой температуре в течение длительного времени. В зависимости от температуры и количества времени это позволяет использовать либо чистый бейнит с образованием мартенсита, или задержка с образованием мартенсита до тех пор, пока не исчезнет большая часть внутренних напряжений. Эти методы известны как темперирование и темперирование.^[14]

Аустемперирование

Диаграмма преобразования время-температура (TTT). Красная линия показывает кривую охлаждения при аустемперировании.

Аустемперирование - это метод, используемый для образования чистого бейнита, переходной микроструктуры, обнаруживаемой между перлит и мартенсит. 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, выходя за пределы возможного образования перлита, и переходя в область образования бейнита. Затем сталь выдерживают при температуре образования бейнита выше точки, где 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, которая обычно образуется 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, аустеализация обеспечивает большую прочность и ударную вязкость для заданной твердости, которая определяется в основном составом, а не скоростью охлаждения, и снижает внутренние напряжения, которые могут привести к поломке. Таким образом получается сталь с превосходной ударопрочностью. Современные пуансоны и долота часто подвергаются аустемпингу. Поскольку при аустеперировании не образуется мартенсит, дальнейший отпуск стали не требуется.^[14]

Martempering

Закалка аналогична аустемперированию в том смысле, что сталь закаливается 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. Прекращение охлаждения позволяет ослабить большую часть внутренних напряжений до образования мартенсита, что снижает хрупкость стали. Однако закаленная сталь обычно требует дальнейшего отпуска для регулирования твердости и вязкости, за исключением редких случаев, когда требуется максимальная твердость, а сопутствующая хрупкость - нет. Современный файлы часто закалены.^[14]

Физические процессы

Закалка 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 пластин, 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 ниже мартенситной отделки (M_ж) температура. Увеличение содержания легирующих добавок или углерода вызывает увеличение остаточного аустенита. У аустенита намного больше энергия дефекта упаковки чем мартенсит или перлит, что снижает износостойкость и увеличивает вероятность раздражающий, хотя часть или большая часть остаточного аустенита может быть преобразована в мартенсит путем холодные и криогенные обработки перед темперированием.

Мартенсит образуется в течение бездиффузионное преобразование, в котором преобразование происходит из-за сдвиговых напряжений, создаваемых в кристаллических решетках, а не за счет химических изменений, происходящих во время осаждения. Напряжения сдвига создают множество дефектов, или "вывихи, "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 снижает общее количество мартенсита, изменяя его часть на Феррит. Дальнейшее нагревание еще больше уменьшает мартенсит, превращая нестабильные карбиды в стабильный цементит.

Первая стадия отпуска происходит при температуре от комнатной до 200 ° C (392 ° F). На первом этапе углерод выделяется в ε-углерод (Fe_2,4C). 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 времени, мартенсит может стать полностью ферритным, а цементит может стать более грубым или сфероидизироваться. В сфероидизированной стали сеть 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 форма или машина.^[18]

Охрупчивание

Охрупчивание происходит во время отпуска, когда в определенном температурном диапазоне сталь испытывает увеличение твердости и снижение пластичности, в отличие от нормального 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 (TE) или двухступенчатым охрупчиванием.

Одноступенчатое охрупчивание обычно происходит в углеродистой стали при температурах от 230 ° C (446 ° F) до 290 ° C (554 ° F), и исторически его называли «охрупчиванием при 500 градусах [Фаренгейта]». Это охрупчивание происходит из-за осаждения Видманштеттен иглы или пластины из цементита в межпластинчатых границах мартенсита. Примеси, такие как фосфор, или легирующие агенты, такие как марганец, может 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 повторного охлаждения. Однако для образования этих микроструктур обычно требуется час или больше, 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 увеличивают эффект. Обычно это происходит из-за того, что примеси могут мигрировать 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 выше 600 ° C (1112 ° F) и затем быстро охлаждая.^[19]

Легированные стали

Многие элементы часто легированы сталью. Основная цель легирования стали большинства элементов - повышение ее закаливаемость и для уменьшения размягчения при температуре. Например, инструментальная сталь может иметь такие элементы, как хром или ванадий добавлен для увеличения прочности и прочности, что необходимо для таких вещей, как гаечные ключи и отвертки. С другой стороны, сверла и поворотные файлы необходимо сохранять свою твердость при высоких температурах. Добавление кобальт или молибден может 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. В общем, такие элементы, как марганец, никель, кремний, и алюминий остается растворенным в феррите во время отпуска, пока 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 обычно смягчается 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 тех пор, пока не будет достигнута определенная температура, 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

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 находится в основном в виде графит, но в белом чугуне углерод обычно имеет форму цементит. Серый чугун состоит в основном из микроструктуры, называемой перлит, смешанный с графитом и иногда ферритом. Серый чугун обычно используется в литом виде, свойства которого определяются его составом.

Белый чугун состоит в основном из микроструктуры, называемой ледебурит смешанный с перлитом. Ледебурит очень твердый, что делает чугун очень хрупким. Если белый чугун имеет доэвтектический состав, его обычно подвергают отпуску для производства ковкого или ковкого чугуна. Используются два метода закалки, называемые «белая закалка» и «черная закалка». Назначение обоих методов отпуска - вызвать разложение цементита в ледебурите, увеличивая пластичность.^[23]

Белая закалка

Ковкий (пористый) чугун получают методом белого отпуска. Белая закалка используется для сжигания излишка углерода путем нагревания 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 приводит к разложению цементита на ледебурит, а затем углерод выгорает через поверхность металла, повышая ковкость чугуна.^[23]

Черная закалка

Ковкий (непористый) чугун (часто называемый «черным чугуном») получают путем закалки в черный цвет. В отличие от белого отпуска, черный отпуск проводится инертный газ окружающей среде, чтобы разлагающийся углерод не сгорел. 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

Сплавы с дисперсионным твердением впервые начали использовать в начале 1900-х годов. Большинство термически обрабатываемых сплавов попадают в категорию сплавов с дисперсионным твердением, включая сплавы алюминий, магний, титан и никель. Несколько высокихлегированные 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 температуре выше комнатной называется «искусственным старением». Хотя этот метод аналогичен отпуску, термин «отпуск» обычно не используется для описания искусственного старения, потому что физические процессы (например: осаждение интерметаллид фазы от перенасыщенный сплава) желаемые результаты (то есть упрочнение, а не разупрочнение), и время выдержки при определенной температуре сильно отличается от отпуска, который используется в углеродистой стали.

Смотрите также

• Отжиг (металлургия)
• Аустемперирование
• Усиление осадков
• Закаленное стекло

использованная литература

дальнейшее чтение

• Справочное руководство по производственным процессам Роберта Х. Тодда, Делла К. Аллена и Лео Алтинга стр. 410

внешние ссылки

• Подробное обсуждение процессов закалки
• Веб-страница, показывающая цвета нагрева и закалки