От температуры (а) и времени (б) старения: t1 ‹ t2 ‹ t3; о – максимум твердости;

а – область недостаривания; б – область перестаривания

При старении в сплавах образуются высокодисперсные частицы промежуточных фаз. Эти частицы существенно тормозят перемещение дислокаций в сплавах, что и обеспечивает повышенную прочность. При этом, варьируя температуру и время старения, можно получить различное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости (рис. 2.26).

Закалка и отпуск сталей

Цель закалки и отпуска – двухэтапной термообработки состоит в обе­спечении повышенной прочности (по сравнению с отжигом и нормализацией) и необходимого комплекса механических свойств.

Закалка с отпуском используется для широкой номенклатуры углеродистых и легированных машиностроительных и инструментальных сталей. Эти стали относятся к диаграммам состояния «железо - углерод» или «железо - углерод - легирующий элемент».

Закалка сталей на мартенсит

Закалка сталей - сплавов на основе полиморфного металла – это операция термической обработки, заключающаяся в нагреве в однофазную аустенитную область (иногда в двухфазные области) и быстром охлаждении со скоростью, предотвращающей распад аустенита по диффузионному механизму.

Цель закалки – получение мартенсита как самостоятельной фазы, так и в сочетании с аустенитом, трооститом или цементитом. Полученное структурно - фазовое состояние является подготовительным этапом для проведения последующего отпуска.

В углеродистых сталях неравновесная фаза мартенсит как результат сдвигового превращения одновременно является твердым раствором внедрения; твердым раствором внедрения, пересыщенным по отношению к равновесному содержанию углерода в феррите при комнатной температуре – 0,006 %.

Кристаллическая решетка мартенсита – тетрагональная объемноцентрированная существенно отличается от исходной решетки аустенита (ГЦК). Тетрагональность решетки (отношение осей с/а) увеличивается с повышением содержания углерода.

Вследствие большой разницы в удельных объемах аустенита и образующегося из него мартенсита (около 3 %), результатом превращения является значительный фазовый наклеп. Фазовый наклеп – пластическая деформация, реализующаяся внутри зерна, которая осуществляется не внешним воздействием, а только за счет фазового превращения.

Значительная разница в удельных объемах аустенита и мартенсита углеродистых сталей (около 3 %) создает не только пластическую деформацию внутри зерен твердого раствора, но и упругую деформацию в объеме детали. К этому добавляются и термические напряжения. В результате резкого охлаждения при закалке детали с мартенситной структурой склонны к «короблению» («поводке») – неравномерному изменению формы и размеров, которые тем больше, чем сложнее форма детали. Это является главным недостатком закалки углеродистых сталей.

В ряде углеродистых и легированных сталей при закалке из аустенитной области возможно протекание бейнитного превращения (рис. 2.26, область А → Б).

Полученная в результате бейнитного превращения двухфазная структура (α + Ц) не называется перлитом, потому что получена не при эвтектоидном превращении. Кроме того, частицы карбида не имеют пластинчатого строения; при этом они очень дисперсны.

По дисперсности, расположению карбидов и структуре α - фазы различают верхний и нижний бейнит. Наилучшими свойствами обладает нижний бейнит, образующийся при температурах ниже 350ºС. Дисперсные частицы карбида расположены внутри зерен феррита. Такая структура обеспечивает сочетание высокой прочности, пластичности и ударной вязкости.

Изотермическая закалка, использующая бейнитное превращение, широко применяется для деталей из легированных сталей, обеспечивая им высокую конструкционную прочность.