Влияние отпуска на структуру и свойства патентированной стали

Отпуску подвергают главным образом готовые пружины для снятия напряжений и повышения их предела упругости, релаксационной стойкости и усталостной прочности; такой нагрев способствует также стабилизации формы пружин.

Изменение свойств в зависимости от температуры отпуска показано на рис. 18.

В процессе отпуска до 200° С предел прочности повышается, хотя и в весьма малой степени. При более высоком нагреве предел прочности снижается и притом тем интенсивнее, чем продолжительнее отпуск (рис. 19). Характеристики пластичности — относительное удлинение и число гибов с перегибом — возрастают при нагреве до 300° С, но с дальнейшим повышением температуры они падают. Эти изменения предела прочности, числа гибов с перегибом, и относительного удлинения и вязкости (рис. 20) связывают с процессом возврата и с начавшейся рекристаллизацией.

Наиболее важные изменения свойств — сильное повышение предела упругости (рис. 18), возрастание усталостной прочности (рис. 21), релаксационной стойкости (рис. 22, 23) и ползучести. При этом обращает на себя внимание достаточно отчетливо выраженная зависимость предела выносливости (рис. 21) и предела упругости от продолжительности отпуска, причем последний проходит через два максимума (рис. 24). Оба эти максимума достигаются тем быстрее, чем выше температуры нагрева. Это свидетельствует о том, что в основе изменений свойств при отпуске находятся термически активируемые процессы.

Относительно природы процессов, происходящих при отпуске наклепанной стали и ведущих к повышению предела упругости, к росту сопротивления ползучести релаксационной стойкости и уменьшению остаточной деформации пружин, существуют различные взгляды.

В частности, в работе указывается, что увеличение предела упругости при отпуске холоднодеформированной стали (энергия активации 84—100,8 кдж/моль, или 20—24 ккал/моль) является результатом образования атмосфер (сегрегаций) из внедренных атомов углерода и азота, хотя энергия активации последнего процесса, по данным, значительно меньше — 52,5 кдж/моль (12,5 ккал/моль). Таким образом, рост предела упругости при отпуске нельзя объяснить только образованием атмосфер из внедренных атомов. В процессе отпуска сильно деформированной стали происходит преобразование сегрегаций вокруг дислокаций и возникновение сначала нестабильных, а затем стабильных выделений, что соответствует деформационному старению, а также изменение плотности и распределения дефектов. Таким образом, величина энергии активации, соответствующая достижению максимума предела упругости, характеризует не один, а несколько одновременно протекающих процессов.

О возможности процесса деформационного старения пересыщенного феррита, образовавшегося при патентировании, свидетельствуют данные работ. Старение, по-видимому, вносит значительный вклад в прирост упрочнения в результате низкотемпературного отпуска. При этом рост предела упругости в результате отпуска тем больше, чем выше содержание углерода. Так, после равных степеней деформации этот прирост составляет 20% у стали с 0,08% С и 67% у стали с 0,75% С. Указанное различие в приросте предела упругости, как можно предполагать, связано с получением после деформации разной тонкой структуры с разной плотностью дислокаций. В высокоуглеродистой стали закрепление дислокаций, несмотря на их большую плотность, более полное, так как в этом процессе участвуют атомы углерода, не только находящиеся в феррите, но и переходящие от цементита, поскольку энергия связи атомов углерода с ядром дислокаций больше, чем в цементите. Если учесть, что после больших обжатий плотность дислокаций в стали очень высока (10в11—10в12 смв-2), то только в высокоуглеродистой стали с малым межпластиночным расстоянием может достаточно быстро и интенсивно пройти диффузия углерода от пластинок цементита в ферритиые пластинки.

Следует указать, что, помимо закрепления дислокаций при отпуске, происходит и их перестройка, что вносит значительный вклад в величину упрочнения.

Применение метода измерения амплитудозависимого внутреннего трения к анализу процессов, происходящих в результате даже кратковременного нагрева холоднодеформированной стали при 300—400° С, т. е. в районе роста предела упругости, показало, что при этом происходит перестройка дислокаций по типу полигонизации, а также закрепление дислокаций атомами примесей внедрения и их сегрегациями. В связи с этим можно указать, что низкотемпературный отжиг или отпуск холоднодеформированных металлов дает тем больший прирост предела упругости, чем выше содержание примесей, особенно внедренных атомов.

Таким образом, отпуск деформированной стали ведет к росту предела упругости, главным образом вследствие изменения исходной тонкой структуры (по типу полигонизации), с образованием сегрегаций из атомов углерода и дисперсных частиц карбидов. По данным работы, в этом же температурном интервале отпуска холоднодеформированной стали происходит преобразование метастабильного карбида типа хFe2C, возникающего при деформации пластинчатого перлита, в карбид цементитного типа, что сопровождается фазовым наклепом. Возможно, что при этом карбидном превращении освобождается некоторое количество углерода для образования сегрегаций на дислокациях. Кроме всех указанных выше процессов, определенный вклад вносит и снятие остаточных напряжений.

Увеличение релаксационной стойкости холоднотянутой проволоки, максимум которой достигается при несколько более повышенных температурах отпуска, чем максимум предела упругости, объясняется не только ростом сопротивления малым пластическим деформациям, но и повышением стабильности структуры. В результате требуются большие флуктуации тепловой энергии для активации релаксационных процессов — последействия (микроползучести) и релаксации напряжений.

Релаксационная стойкость патентированной и холоднотянутой стали при температурах до 150° С тем выше, чем больше содержание углерода и степень суммарного обжатия. Поэтому для изготовления пружин, работающих при этих температурах, рекомендуется применять сталь с содержанием углерода не менее 0,7— 0,8% и после высоких степеней обжатия. Однако при несколько более высоких температурах службы релаксационная стойкость стали (при равной прочности) тем выше, чем ниже содержание углерода и меньше степень обжатия. Причина этого влияния углерода на релаксационную стойкость в различных температурных областях не установлена. В работе показано, что марганец и кремний повышают релаксационную стойкость патентированной проволоки как при нормальных, так и повышенных температурах (150—200° С). Отпуск повышает релаксационную стойкость патентированной и холоднотянутой стали и притом в тем большей степени, чем выше его температура и продолжительность. Чем выше температура службы пружин, тем выше должна быть и температура отпуска (см. рис. 22). С этими данными не совпадают результаты исследований, согласно которым положительное влияние отпуска ограничивается лишь областью температур, не превышающих 100° С. При температурах 100° С или более высоких релаксационная стойкость отпущенной стали ниже, чем неотпущенной. Хотя отпуск патентированной стали и повышает предел упругости и релаксационную стойкость, при его назначении надо считаться с тем, что при этом иногда повышается хрупкость.

Итак, основное значение низкотемпературного отпуска состоит в том, что он сильно увеличивает предел упругости, релаксационную стойкость и уменьшает деформацию ползучести. Кроме того, одновременно повышается, хотя и в меньшей степени, предел выносливости. При этом рост предела выносливости отмечается при температурах отпуска 300—350° С (рис. 21), при которых предел упругости еще сохраняет практически максимальное значение.

Режимы низкотемпературного отпуска пружин после навивки колеблются на разных предприятиях в широких пределах. Поскольку процессы, повышающие предел упругости и релаксационную стойкость, являются термически активируемыми, то более низкой температуре должна соответствовать более продолжительная выдержка.

Для пружин из высокоуглеродистой стали могут быть рекомендованы следующие режимы отпуска: нагрев до 175° С с выдержкой в течение 2 ч или до 220—300° С, но с выдержкой 1 ч; 350° С с выдержкой 15 мин или 450° С с короткой выдержкой 5 сек. Последний режим очень эффективен. Его использованию препятствуют лишь затруднения в регулировании выдержки в случае отпуска пружин различного размера или при колебаниях в весе садки.

Таким образом, в результате сочетания патентирования, деформационного наклепа и низкотемпературного отпуска удается получить пружины с высокими прочностными и упругими свойствами. Важным преимуществом пружин из патентированной и холоднодеформированной стали является их повышенная вязкость, а главное высокая усталостная прочность. Поэтому патентированную и холоднодеформированную высокоуглеродистую сталь высокой прочности, имеющую также пониженную склонность к хрупкому и самопроизвольному замедленному разрушению, следует рекомендовать для изготовления тяжелонагруженных пружин преимущественно из профилей малого сечения (толщиной или диаметром до 1,5—2 мм). При больших конечных диаметрах проволоки не удается обеспечить высоких степеней обжатия, и поэтому механические свойства в этих сечениях ниже и не превосходят получаемых после обычной закалки и отпуска. Однако патентированную сталь применяют и для изготовления пружин из проволоки таких больших диаметров, если для них ограниченная выносливость, меньшая склонность к замедленному разрушению или вязкость имеют решающее значение.

В то же время сталь, закаленная и отпущенная на равную прочность с патентированной и наклепанной, имеет более высокий предел упругости. Так, при ов = 1500 Мн/м2 (150 кГ/мм2) предел упругости (о0,003) стали (0,73% С; 0,69% Mn и 0,22% Si) после закалки и отпуска при 450° С составляет 1010 Мн/м2 (112 кГ/мм2), а патентированной и холоднотянутой стали после отпуска при 400° С в течение 10 мин 960 Мн/м2 (98 кГ/мм2). При равном пределе упругости с деформированной стальной проволокой сталь после закалки и отпуска обладает повышенной релаксационной стойкостью и стабильностью упрочнения благодаря более равномерному упрочнению (равномерному распределению дислокаций) по объему при мартенситном превращении. Однако при повышенных температурах релаксационная стойкость стали после обоих видов упрочнения оказывается практически одинаковой. Наиболее высокими релаксационной стойкостью и пределом упругости отличается сталь, подвергнутая закалке и отпуску после предварительного патентирования и деформации.

При использовании патентированной и наклепанной стали в виде ленты для изготовления плоских пружин следует учитывать, что ее свойства, как и свойства любого другого холоднодеформированного металла, различны в разных направлениях. Так, по данным, предел упругости, модуль упругости и плотность энергии упругой деформации оказываются максимальными в направлении поперек прокатки и имеют минимальное значение в образцах, вырезанных под углом 30° к этому направлению. Однако такие образцы имеют максимальную вязкость, а поперечные — минимальную (рис. 25). Анизотропия упругих свойств деформированной стали после низкотемпературного отпуска должна сильно уменьшиться. О возможности «сглаживания» анизотропии свойств свидетельствуют данные, полученные при исследовании многих деформированных сплавов.

Как показали данные работы, упрочненное состояние стали, полученное в результате патентирования и последующей холодной пластической деформации (прокатка), является нестабильным. Дополнительная холодная правка вызывает довольно значительное разупрочнение. Так, у стали с 0,7—0,8% С предел текучести (o0,2) снижается приблизительно на 200 Мн/м2 (20 кГ/мм2). Также заметно снижается и предел упругости. Если после деформации прокаткой и правки произвести отпуск при 300° С, 5 мин, предел текучести сильно повышается и оказывается выше, чем в исходном (прокатанном) состоянии на 100 Мн/м2 (~10 кГ/мм2). Однако применение холодной правки и после этого низкотемпературного отпуска также вызывает разупрочнение, примерно столь же интенсивное, что и после прокатки [предел текучести снижается ~ на 200 Мн/м2 (20 кГ/мм2)]. Более высокие значения пределов текучести и упругости достигаются при использовании теплой правки в интервале температур известного явления синеломкости, т. е. при ~300° С. Возникшие при этой правке дислокации блокируются атомами углерода и предел текучести оказывается примерно на 100 Мн/м2 (10 кГ/мм2) выше, чем после холодной правки и отпуска. Энергия активации процесса роста предела текучести при отпуске составляет 80—90 кдж/моль (19—22 ккал/моль), т. е. близка к энергии активации диффузии атомов углерода (и азота) в феррите. Таким образом, рост предела текучести при теплой правке контролируются диффузией углерода. Важно, что после теплой правки по сравнению с холодной сильно улучшается релаксационная стойкость, но она в то же время остается на том же уровне, что и после холодной правки вместе с последующим отпуском. Авторы считают, что разупрочнение в результате холодной правки связано с проявлением эффекта Баушингера, так как образующиеся при правке дислокаций создают напряжения обратного знака и ранее имевшиеся дислокации аннигилируют. В процессе теплой деформации (правки) эффект Баушингера почти не проявляется, так как возникающие при этом дислокации перераспределяются и закрепляются атомами углерода. Поэтому аннигиляции ранее имевшихся дислокаций не происходит. Эти результаты показывают, что операции холодной деформации (осадка, правка и т. п.) при изготовлении пружин из патентированной проволоки и их стабилизации опасны, так как могут вызвать разупрочнение. Лучше применять теплую деформацию, особенно при стабилизации (заневоливание и т. п.).