При какой температуре сталь теряет свойства

При нагреве металла  возрастает подвижность атомов, увеличивается амплитуда колебаний, ослабляются межатомные связи, облегчается обмен местами и переход атомов в новые положения. Все это существенным образом влияет на изменение физико-химических и механических свойств металлов и сплавов.

Вольфрам и молибден промышленной чистоты не пластичны при комнатной температуре. Переход вольфрама из хрупкого состояния в пластичное колеблется в интервале температур 150-450° С, причем разрушение носит главным образом межкристаллитный характер. Молибден в зависимости от чистоты переходит из хрупкого в пластичное состояние в интервале температур 20-300° С.

На температуру перехода наряду с другими факторами влияет размер зерна в металле: чем мельче зерно, тем ниже температура этого перехода. Ниобий и тантал обычной чистоты обладают хорошей пластичностью при температурах ниже комнатной.

При нагреве до высоких температур заметно изменяются физико-механические свойства тугоплавких металлов. Поскольку механические свойства тугоплавких металлов при высоких температурах зависят от среды испытаний, в данном разделе приводятся свойства, полученные испытанием в нейтральной среде или в вакууме.

Сравнение высокотемпературной прочности нелегированных вольфрама, молибдена, ниобия и тантала показывает, что вольфрам отличается наибольшей прочностью при всех температурах, в то время как тантал занимает среднее по прочности место между ниобием и молибденом.

Образцы были изготовлены из прокатанного и полностью рекристаллизованного материала. В зависимости от содержания примесей абсолютные значения могут несколько меняться, но характер кривых принципиально остается одинаковым.

Кривые показывают интенсивное увеличение предела текучести вольфрама при понижении температуры от 350 до 175° С, т. е. в интервале перехода из пластичного состояния в хрупкое. Примерно в этом же интервале температур резко увеличивается удлинение, а прочность снижается более равномерно. Снижение твердости происходит одинаково как для наклепанного, так и для отожженного металла. Твердость вольфрама и молибдена при нагреве до 327° С резко падает, однако при дальнейшем повышении температуры твердость изменяется с меньшей интенсивностью.

Представляет интерес изменение механических свойств полуфабрикатов тугоплавких металлов при высоких температурах после деформации. Например, прочность молибденовой проволоки диаметром 0,6 мм с повышением температуры падает, но даже при температуре 1400° С остается высокой и составляет 500 Мн/м2 (50 кГ/мм2). Прочность этой же проволоки при комнатной температуре после деформации ~90-95% составляет 1150 Мн/м2 (115 кГ/мм2).

С уменьшением содержания примесей предел прочности понижается почти в два раза при всех температурах, оставаясь все же значительным по величине 140 Мн/м2 (14 кГ/мм2) даже при 1500° С. Одновременно повышается пластичность, достигая при 1500° С 50,8%. Зависимость твердости ниобия от температуры приведена на рис. 45. С повышением температуры твердость ниобия резко снижается. При температуре 1173° С на кривой твердость — температура у литого ниобия наблюдается максимум, а у металлокерамического ниобия три максимума — при 777, 927 и 1127° С.

Дальнейшее повышение температуры вызывает понижение твердости, и при 1850° С твердость металлокерамического и литого ниобия совпадает и составляет небольшую величину: при 2027° С • 1 Мн/м2 (0,1 кГ/мм2), а при 2127° С всего 8,2 Мн/м2 (0,82 кГ/мм2).

Примечание. Тантал листовой толщиной 1,27 мм получен из штабика с содержанием примесей, % (по массе): 0,02 С; 0,013 N2; 0,056 02; 0,1 Nb; 0,01 W; 0,015 Fe.

Влияние температуры на изменение механических свойств тантала приведено. При температуре 400° С наблюдается «пик», вызванный процессом деформационного старения. — Твердость тантала при повышении температуры также снижается.

Важным показателем является удельная прочность тугоплавких металлов при высоких температурах. На рис. 46 показано изменение удельной прочности вольфрама, молибдена, ниобия и тантала в зависимости от температуры. До температуры 1320°С ниобий и молибден имеют значительное преимущество по удельной прочности по сравнению с вольфрамом и танталом, а выше этой температуры наибольшую удельную прочность имеет вольфрам.

Одной из характеристик тугоплавких металлов при высоких температурах является ползучесть или свой ство металла пластически деформироваться при высоких температурах под действием постоянных напряжений. Для оценки ползучести (жаропрочности) металла образцы испытывают при температуре под действием постоянных напряжений и определяют изменение длины в зависимости от времени. На основании исследования строят кривую текучести.

При этом определяют: а) предел текучести — напряжение, вызывающее при данной температуре определенную, допустимую для нормальной работы конструкции скорость или значение деформации. Например, 0,1% за 100 ч, 0,2% за 1000 ч и т. д.;

б) предел длительной прочности- напряжение, приводящее при данной температуре к разрушению за данный период времени — 100, 200, 20 000 чит.д.

Длительная прочность некоторых тугоплавких металлов при 1095°С показана на рис. 48. Как видно, ЮО-ч прочность рекри-сталлизованного молибдена дуговой плавки составляет 84 Мн/м2 (8,4 кГ/мм2), а прочность вольфрама при этих условиях почти в два раза превышает прочность молибдена и равняется 155 Мн/м2 (15,5 кГ/мм2).

Пластические, технологические и другие свойства тугоплавких металлов заметно изменяются под воздействием термической обработки. Основным видом термической обработки является отжиг, который подразделяют на три вида: гомогенизацию, возврат, полный рекристаллизационный отжиг.

Гомогенизация — это такой вид отжига, который применяется для дегазации и устранения химической и структурной неоднородности слитков, деформированных заготовок и полуфабрикатов. Гомогенизирующий отжиг часто применяют для слитков и прессованных изделий из вольфрама, молибдена и ниобия. Для этого слитки длительно нагревают перед обработкой при температурах, близких к началу оплавления. Вследствие высокой подвижности атомов (диффузии) при таком нагреве структура слитка становится более однородной.

Например, слитки ниобия, выплавленные в дуговых печах и содержащие значительное количество примесей, при неоднородной структуре подвергают отжигу при 1800-2000° С в вакууме 13,3-1,33 мн/м2 (10-*- 10~5 мм рт. ст.) и выдерживают до 10 ч. Такой отжиг приводит к уменьшению газосодержания в слитке. Одновременно с дегазацией происходит растворение избыточных фаз и структура становится более однородной. Однако следует учитывать, что длительный отжиг ниобия при высоких температурах приводит к росту зерна в слитках.

Гомогенизирующий отжиг прессованных и кованых заготовок из ниобия производят при температуре 1350- 1450° С, когда происходит заметное растворение карбидных и других фаз, и в то же время не наблюдается сильного роста зерна. Гомогенизация заготовки благоприятно сказывается на технологических свойствах при последующей обработке.

Возврат или неполный отжиг применяют для частичного снятия остаточных напряжений, искажений кристаллической решетки, возникающих в заготовках и изделиях при различных операциях обработки давлением. В результате такого процесса повышается пластичность металла. Микроструктура металла не изменяется.

Степень возврата зависит от температуры, скорости и степени предварительной деформации, продолжительности и температуры отжига. При возврате, по мнению многих исследователей, число дислокаций не изменяется, а изменяется преимущественно их распределение, которое становится более равномерным.

Рентгеноструктурные исследования деформированного ниобия показывают, что в металле имеются значительные остаточные напряжения и сильно выраженная текстура (наличие на рентгенограмме размытых линий). Это состояние сохраняется и после получасового отжига при 900° С. Отжиг при 1000° С в течение получаса приводит к значительному снятию напряжений в решетке (уменьшение толщины размытых линий на рентгенограмме).

Однако при указанном времени отжига повсеместного снятия напряжений еще не происходит (отдельные линии остаются размытыми), на кольцах рентгенограммы сохраняются текстурные уплотнения, характеризующие предпочтительную ориентировку зерен в металле. После двухчасовой выдержки при 1000° С возврат практически полностью заканчивается, все линии рентгенограммы становятся четкими с хорошо выявленным дублетным строением. Рефлексов от рекристаллизованных зерен не наблюдается. Таким образом, нагрев при 1000° С в течение 2 «является оптимальным режимом для отжига-возврата деформированного ниобия.

Ниобий, отожженный по указанному режиму, имеет следующие механические свойства:— ав = 560 Мн/м2 (56 кГ/мм2); ат = 480 Мн/м2 (48 кГ/мм2); 6 = 17%, тогда как в исходном деформированном состоянии ав = = 650 Мн/м2 (65 кГ/мм2); ат = 570 Мн/м2 (57 кГ/мм2); 8=7%.

Отжиг-возврат рекомендуется применять к изделиям и полуфабрикатам, предназначенным для работы при температурах ниже температуры рекристаллизации.

Рекристаллизационный отжиг применяют как промежуточный процесс между операциями холодной обработки (для снятия наклепа и устранения текстуры) или как окончательную операцию термообработки, (для придания полуфабрикатам или изделиям необходимых свойств).

Физическая природа рекристаллизации состоит в том, что при увеличении температуры деформируемого металла поднимается энергетический потенциал атомов так, что последние получают возможность перегруппировок и обмена местами. С. С. Горелик определяет рекристаллизацию как процесс повышения структурного совершенства и уменьшения свободной энергии металлов и сплавов в пределах данной фазы, совершающийся путем возникновения и движения (или только движения) границ с большими углами ориентировки. Это наиболее полное определение процесса, охватывающее все его стадии.

Для придания стали определенных эксплуатационных качеств на протяжении многих десятилетий проводится термообработка. Сегодня, как и несколько столетий назад, закалка стали предусматривает нагрев металла и его последующее охлаждение в определенной среде. Температура нагрева стали под закалку должна быть выбрана в соответствии с составом металла и механическими свойствами, которые нужно получить. Допущенные ошибки при выборе режимов закалки приведут к повышению хрупкости структуры или мягкости поверхностного слоя. Именно поэтому рассмотрим способы закалки стали, особенности применяемых технологий, а также многие другие моменты.

Какой бывает закалка метала?

Для чего нужна закалка стали знали еще древние кузнецы. Правильно выбранная температура закалки стали позволяет изменять основные эксплуатационные характеристики материала, так как происходит преобразование структуры.

Закалка – термообработка стали, которая сегодня проводится для улучшения механических качеств металла. Процесс основан на перестроении атомной решетки за счет воздействия высокой температуры с последующим охлаждением.

Технология закалки стали позволяет придать недорогим сортам металла более высокие эксплуатационные качества. За счет этого снижается стоимость изготавливаемых изделий, повышается прибыльность налаженного производства.

Основные цели, которые преследуются при проведении закалки:

1. Повышение твердости поверхностного слоя.
2. Увеличение показателя прочности.
3. Уменьшение пластичности до требуемого значения, что существенно повышает сопротивление на изгиб.
4. Уменьшение веса изделий при сохранении прочности и твердости

Существуют самые различные методы закалки стали с последующим отпуском, которые существенно отличаются друг от друга. Наиболее важными режимами нагрева можно назвать:

1. Температуру нагрева.
2. Время, требующееся для нагрева.
3. Время выдержки металла при заданной температуре.
4. Скорость охлаждения.

Изменение свойств стали при закалке может проходить в зависимости от всех вышеприведенных показателей, но наиболее значимым называют температуру нагрева. От нее зависит то, как будет происходить перестроение атомной решетки. К примеру, время выдержки при закалке стали выбирается в соответствии с тем, какой прочностью и твердостью должно обладать зубчатое колесо для обеспечения длительной эксплуатации в условиях повышенного износа.

При рассмотрении того, какие стали подвергаются закалке стоит учитывать, что температура нагрева зависит от уровня содержания углерода и различных примесей. Единицы закалки стали представлены максимальной температурой, а также временем выдержки.

При рассмотрении данного процесса изменения основных эксплуатационных свойств следует учитывать нижеприведенные моменты:

1. Закалка направлена на повышение твердости. Однако с увеличением твердости металл становится и более хрупким.
2. На поверхности может образовываться слой окалины, так как потеря углерода и других примесей у поверхностных слоев больше, чем в середине. Толщина данного слоя учитывается при расчета припуска, максимальных размеров будущих деталей.

Выполняется закалка углеродистой стали с учетом того, с какой скоростью будет проходить охлаждение. При несоблюдении разработанных технологий может возникнуть ситуация, когда перестроенная атомная решетка перейдет в промежуточное состояние. Это существенно ухудшит основные качества материала. К примеру, охлаждение со слишком большой скоростью становится причиной образования трещин и различных дефектов, которые не позволяют использовать заготовку в дальнейшем.

Процесс закалки сталей предусматривает применение камерных печей, которые могут нагревать среду до температуры 800 градусов Цельсия и поддерживать ее на протяжении длительного периода. Это позволяет продлить время закалки стали и повысить качество получаемых заготовок. Некоторые стали под закалку пригодны только при условии нагрева среды до температуры 1300 градусов Цельсия, для чего проводится установка иных печей.

Отдельная технология разрабатывается для случая, когда заготовка имеет тонкие стены и грани. Представлена она поэтапным нагревом.

Полную закалку используют обычно для сталей и деталей, которые не подвержены растрескиванию или короблению.

Зачастую технология поэтапного нагрева предусматривает достижение температуры 500 градусов Цельсия на первом этапе, после чего выдерживается определенный промежуток времени для обеспечения равномерности нагрева и проводится повышение температуры до критического значения. Холодная закалка стали не приводит к перестроению всей атомной сетки, что определяет только несущественное увеличение эксплуатационных характеристик.

Как ранее было отмечено, есть различные виды закалки стали, но всегда нужно обеспечить равномерность нагрева. В ином случае перестроение атомной решетки будет проходить так, что могут появиться серьезные дефекты.

Методы предотвращения образования окалины и критического снижения концентрации углерода

Назначение закалки стали проводится с учетом того, какими качествами должна обладать деталь. Процесс перестроения атомной сетки связан с большими рисками появления различных дефектов, что учитывается на этапе разработки технологического процесса.

Даже наиболее распространенные методы, к примеру, закалка стали в воде, характерно появления окалины или существенного повышения хрупкости структуры при снижении концентрации углерода. В некоторых случаях закалка стали проводится уже после финишной обработки, что не позволяет устранить даже мелкие дефекты. Именно поэтому были разработаны технологии, которые снижают вероятность появления окалины или трещин. Примером можно назвать технологию, когда закалка стали проходит в среде защитного газа. Однако сложные способы закалки стали существенно повышают стоимость проведения процедуры, так как газовая среда достигается при установке печей с высокой степенью герметичности.

Более простая технология, при которой проводится закалка углеродистой стали, предусматривает применение чугунной стружки или отработанного карбюризатора. В данном случае сталь под закалку помещают в емкость, заполненную рассматриваемыми материалами, после чего только проводится нагрев. Температура закалки несущественно корректируется с учетом созданной оболочки из стружки. Технология предусматривает обмазывание емкости снаружи глиной для того, чтобы избежать попадание кислорода, из-за чего начинается процесс окислений.

Как ранее было отмечено, термообработка предусматривает и охлаждение сталей, для чего может использоваться не только водяная, но, к примеру, и соляная ванная. При использовании кислот в качестве охлаждающей жидкости одним из требований является периодическое раскисление сталей. Данный процесс позволяет исключить вероятность снижения показателя концентрации углерода в поверхностном слое. Чтобы провести процесс раскисления используется борная кислота или древесный уголь. Также не стоит забывать о том, что процесс раскисления сталей приводит к появлению пламя на заготовки во время ее опускания в ванную. Поэтому при закалке, закалкой сталей с применением соляных ванн следует соблюдать разработанную технику безопасности.

Рассматривая данные методы термической обработки с последующим охлаждением следует отметить, что они существенно повышают себестоимость заготовки. Однако сегодня охлаждение в воде или закалка при заполнении камеры кислородом не позволяют повысить показатели свойств стали без появления дефектов.

Процедура охлаждения

Рассматривая все виды закалки стали стоит учитывать, что не только температура нагрева оказывает сильное воздействие на структуру, но и время выдержки, а также процедура охлаждения. На протяжении многих лет для охлаждения сталей использовали обычную воду, в составе которой нет большого количества примесей. Стоит учитывать, что примеси в воде не позволяют провести полную закалку с соблюдением скорости охлаждения. Оптимальной температурой воды, используемой для охлаждения закалённой детали, считают показатель 30 градусов Цельсия. Однако стоит учитывать, что жидкость подвергается нагреву при опускании раскаленных заготовок. Холодная проточная вода не может использоваться при охлаждении.

Обычно используют воду при охлаждении для получения не ответственных деталей. Это связано с тем, что изменение атомной сетки в данном случае обычно приводят к короблению и появлению трещин. Закаливание с последующим охлаждением в воде проводят в нижеприведенных случаях:

1. При цементировании металла.
2. При поверхностной закалке.
3. При простой форме заготовки.

Детали после финишной обработки подобным образом не охлаждаются.

Для придания нужной твердости заготовкам сложной формы используют охлаждающую жидкость, состоящую из каустической соды, нагреваемой до температуры 60 градусов Цельсия. Стоит учитывать, что закаленное железо при использовании данной охлаждающей жидкости приобретает более светлый оттенок. Специалисты уделяют внимание важности соблюдения техники безопасности, так как могут выделяться токсичные вещества при нагреве рассматриваемых веществ.

Тонкостенные детали также подвергаются термической обработке. Закалочное воздействие с последующим неправильным охлаждением приведет к тому, что концентрация углерода снизиться до критических значений. Выходом из сложившейся ситуации становится использование минеральных масел в качестве охлаждающей среды. Используют их по причине того, что масло способствует равномерному охлаждению. Однако попадание воды в состав масла становится причиной появления трещин. Поэтому заготовки должны подвергаться охлаждению при использовании масла с соблюдением мер безопасности.

Рассматривая назначение минеральных масел в качестве охлаждающей жидкости следует учитывать и некоторые недостатки этого метода:

1. Соблюдая режимы нагрева можно создать ситуацию, когда раскаленная заготовка контактирует с маслом, что приводит к выделению вредных веществ.
2. В определенном интервале воздействия высокой температуры масло может загореться.
3. Подобный метод охлаждения позволяет выдержать требуемую твердость, измеряемую в определенных единицах, а также избежать появления трещин в структуре, но на поверхности остается налет, удаление которого также создает весьма большое количество проблем.
4. Само масло со временем теряет свои свойства, а его стоимость довольно велика.

Какие именно жидкости используют для охлаждения стали?

Вышеприведенная информация определяет то, что жидкость и режим охлаждения выбираются в зависимости от формы, размеров заготовки, а также того, насколько качественной должна быть поверхность после закалки.  Комбинированным методом охлаждения называется процесс применения нескольких охлаждающих жидкостей. Примером можно назвать закалку детали сложной формы, когда сначала охлаждение проходит в воде, а потом масляной ванне. В этом случае учитывается то, до какой температуры на каком этапе охлаждается металл.