Что происходит с закаленным и отпущенным железом?

Сталь, наиболее широко используемый материал в современной промышленности. Закалка и отпуск — ключевая часть процесса термической обработки железа и стали. Многим будет интересно узнать, что происходит с закаленным и отпущенным железом.

Эта статья посвящена вопросу «Что происходит с закаленным и отпущенным железом».

В ней также анализируются физические и химические изменения, происходящие в стали в процессе закалки и отпуска, и раскрываются научные принципы, лежащие в их основе.

1. Закалка: «возрождение нирваны» стали

Закалка — это процесс термической обработки, при котором сталь нагревается до температуры аустенизации (обычно на 20-50°C выше Ac3 или Ac1), выдерживается в течение определенного времени, а затем охлаждается со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения. Этот процесс похож на «возрождение в нирване» стали, придающее ей высокую твердость и износостойкость. Здесь представлен подробный анализ того, что происходит с закаленным и отпущенным железом.

(1) Что происходит с закаленным и отпущенным железом: аустенизация

При нагреве стали выше Ac3 или Ac1 феррит и карбурит в стали полностью превращаются в аустенит. Этот процесс подготавливает сталь к последующей закалке. Образование аустенита является основой закалки стали, а его однородная организационная структура обеспечивает условия для последующих организационных превращений в процессе охлаждения.

Схема превращения аустенита при закалке

(2) Что происходит с закаленным и отпущенным железом: быстрое охлаждение

Ключевым моментом закалки является быстрое охлаждение. Скорость охлаждения должна превышать критическую скорость охлаждения, чтобы избежать перлитного или бейнитного превращения аустенита во время охлаждения. Обычные закалочные среды включают воду, масло, соляную ванну и т. д. Охлаждающая способность различных сред отличается, и влияние на структуру и свойства стали также различно.

Например, вода обладает более сильной охлаждающей способностью и подходит для закалки углеродистых и низколегированных сталей, а масло обладает более слабой охлаждающей способностью и подходит для закалки высоколегированных сталей и крупных заготовок, чтобы избежать чрезмерных закалочных напряжений, приводящих к деформации или растрескиванию заготовок.

(3) Что происходит с закаленным и отпущенным железом: трансформация ткани

При быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит. Мартенсит — это твердая и хрупкая организация с высокой твердостью и прочностью, но низкой вязкостью. Образование мартенсита является ключом к получению высокой твердости и износостойкости при закалке стали.

(4) Что происходит с закаленным и отпущенным железом: изменение свойств

После закалки твердость и износостойкость стали значительно возрастают, но вязкость снижается, а внутренние напряжения увеличиваются. Поэтому сталь после закалки необходимо закалить, чтобы изменить ее механические свойства и устранить внутренние напряжения.

2. Отпуск: «гибкий путь» стали

Закалка — это процесс термической обработки, при котором закаленную сталь нагревают до определенной температуры ниже A1, выдерживают, а затем охлаждают до комнатной температуры определенным способом. Отпуск является последующим процессом после закалки, и его целью является устранение внутренних напряжений, корректировка механических свойств, а также стабилизация организации и размеров. Ниже будет дан подробный анализ того, что происходит с закаленным и отпущенным железом?

Металлографическая схема закаленного мартенсита

(1) Низкотемпературный отпуск (от 150°C до 250°C):

Низкотемпературный отпуск в основном используется для поддержания высокой твердости и износостойкости закаленной стали, при этом правильно снижая внутреннее напряжение. Процесс отпуска, мартенсит перенасыщен атомами углерода начал смещенную полимеризацию, образование мелких карбидных частиц, эти карбидные частицы и мартенсит поддерживают общий решетчатый контакт, на твердость стали это не сильно влияет, но может уменьшить внутренние напряжения, улучшить вязкость стали.

(2) Среднетемпературный отпуск (300℃～500℃):

Среднетемпературный отпуск в основном используется для повышения предела упругости и текучести стали, сохраняя при этом определенную степень твердости и вязкости. В процессе отпуска мартенсит продолжает распадаться, частицы карбида постепенно растут, внутреннее напряжение еще больше снижается, а вязкость стали повышается.

(3) Высокотемпературный отпуск (500℃～650℃):

Высокотемпературный отпуск в основном используется для получения хороших общих механических свойств. В процессе отпуска мартенсит полностью распадается, карбидные частицы продолжают расти, внутреннее напряжение в основном устраняется, твердость и прочность стали снижаются, но вязкость и пластичность значительно улучшаются. Организация после высокотемпературного отпуска — закаленный мартенсит, с хорошими комплексными механическими свойствами.

3. Что происходит с закаленным и отпущенным железом — физические и химические изменения в процессе

Схема трансформации структуры закаленного и отпущенного чугуна

(1) Что происходит с закаленным и отпущенным железом: образование и распад аустенита

При закалке сталь сначала образует аустенит, а затем при быстром охлаждении превращается в мартенсит. При отпуске мартенсит постепенно распадается, частицы карбида выпадают в осадок и растут, а аустенит постепенно восстанавливается.

(2) Что происходит с закаленным и отпущенным железом: смещение углерода и осаждение

В процессе низкотемпературного отпуска перенасыщенные атомы углерода в мартенсите начинают смещаться, образуя мелкие частицы карбида. С повышением температуры отпуска и увеличением времени частицы карбида постепенно растут и осаждаются из мартенсита.

(3) Что происходит с закаленным и отпущенным железом: снятие внутренних напряжений

Во время закалки в стали возникают большие внутренние напряжения из-за быстрого охлаждения. Во время отпуска внутренние напряжения постепенно устраняются, а структура стали постепенно стабилизируется.

(4) Что происходит с закаленным и отпущенным железом: изменение механических свойств

После закалки твердость и износостойкость стали значительно повышаются, но вязкость снижается, а внутреннее напряжение увеличивается. После закалки твердость и прочность стали снижаются, но вязкость и пластичность значительно повышаются, внутреннее напряжение в основном устраняется, а механические свойства корректируются и оптимизируются.

4. Применение закалки и отпуска

(1) Повышение твердости и износостойкости:

Закалка и отпуск широко используются для изготовления режущих инструментов, калибров, пресс-форм и других заготовок с высокой твердостью и износостойкостью. Например, после закалки и отпуска инструменты из быстрорежущей стали могут приобрести очень высокую твердость и износостойкость, чтобы удовлетворить потребности в резании.

(2) Повышение прочности:

Закалка и отпуск позволяют повысить вязкость различных деталей машин, чтобы они не так легко разрушались при больших нагрузках и ударах. Например, автомобильные шестерни, подшипники и другие детали после обработки закалкой и отпуском могут получить хорошие общие механические свойства, повысить срок службы.

(3) Повышение устойчивости:

Закалка и отпуск могут улучшить упругость различных пружинных сталей так, что они с меньшей вероятностью выйдут из строя при больших деформациях. Например, пружины в автомобильных системах подвески могут приобрести хорошую упругость и усталостные свойства после закалки и отпуска.

(4) Улучшение коррозионной и тепловой стойкости:

Закалка и отпуск могут повысить коррозионную и жаростойкость нержавеющей и жаропрочной стали, чтобы они могли сохранять стабильную производительность в суровых условиях. Например, детали из нержавеющей стали в химическом оборудовании могут улучшить свою коррозионную стойкость после закалки и отпуска.

5. меры предосторожности при закалке и отпуске

Выше был подробно разобран вопрос «Что происходит с закаленным и отпущенным железом?». Итак, на что нужно обратить внимание, чтобы добиться изменения свойств стали?

(1) Температура и время нагрева:

Температура и время нагрева при закалке и отпуске должны быть основаны на химическом составе стали, размере и форме заготовки, нагревательном оборудовании и других факторах для разумного выбора. Слишком высокая или слишком длительная температура нагрева приведет к огрублению зерна аустенита, что повлияет на эффект закалки; слишком низкая или слишком короткая температура нагрева приведет к недостаточной аустенизации, что также повлияет на эффект закалки.

(2) Скорость охлаждения:

Скорость охлаждения при закалке должна быть больше критической скорости охлаждения, чтобы избежать перлитного или бейнитного превращения аустенита в процессе охлаждения. Слишком быстрая скорость охлаждения приведет к увеличению внутреннего напряжения, что может вызвать деформацию или растрескивание заготовки; слишком медленная скорость охлаждения приведет к распаду аустенита, что повлияет на эффект закалки.

(3) Температура и время закалки:

Температура и время закалки должны быть разумно подобраны в соответствии с требованиями к производительности заготовки. Слишком низкая температура закалки или слишком короткое время не могут эффективно устранить внутреннее напряжение, отрегулировать механические свойства; слишком высокая температура закалки или слишком долгое время приведут к слишком большому падению твердости, что повлияет на эффективность использования заготовки.

6. Резюме

В заключение следует отметить, что закалка и отпуск являются ключевым звеном в процессе термической обработки стали. Благодаря разумному управлению температурой и временем нагрева, скоростью охлаждения, температурой и временем отпуска можно добиться идеальной организации и свойств, отвечающих потребностям различных заготовок. Процесс закалки и отпуска играет важную роль в современной промышленности и обеспечивает гарантию широкого применения стальных материалов.