До какой температуры сталь сохраняет свойства
Термообработкой стали называется совокупность этапов нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов. В результате в металле происходят изменения внутреннего строения и структуры, что в свою очередь приводит к получению заданных свойств стали. Твердость металла после термообработки измеряется по шкале Роквелла, подробно описанной в нашей статье “Методы определения твердости”.
Процесс термической обработки стали включает в себя нагрев заготовки до требуемой температуры с определенной скоростью, выдержки при этой температуре в течении требуемого времени и охлаждение с заданной скоростью. В рамках этих процессов, можно выделить такие этапы, как: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, обработка холодом. При изготовлении ножей из кованной стали термообработка занимает большее количество этапов: ковка, отжиг, шлифовка, повторный отжиг, правка остаточных искривлений, закалка, отпуск. В данной статье мы коснемся общих понятий процесса термообработки стали, выпущенной промышленным методом, когда заготовка клинка вырезается из уже готовой полосы металла.
1. Отжиг
Отжиг применяется для заготовок из углеродистой и легированной стали с целью снижения твердости или уменьшения внутренних напряжений. Отжиг также готовит структуру к последующей термообработке и улучшению неоднородности. Технологически отжиг представляет из себя медленное охлаждение раскаленной заготовки. Может применятся и так называемый изотермический отжиг при 760 ºС с быстрым охлаждением до 635 ºС, нахождением заготовки при этой температуре в течении 4-6 часов и дальнейшим охлаждением на воздухе.
2. Нормализация
Нормализация отличается от полного отжига способом охлаждения, которой после выдержки заготовки при температуре процесса производится на воздухе. При этом изменяется структура стали, она приобретает более высокую твердость и мелкозернистую структуру, чем при отжиге. Нормализация стали представляет собой нагрев до температур, на 50 °C выше точки завершения превращения избыточного цементита в аустенит. Нагревание ведется до полной перекристаллизации. Охлаждение производится в воздушной среде, чаще всего просто на месте термообработки. В результате сталь приобретает мелкозернистую, однородную структуру. Характеристики твердости и прочности стали после нормализации увеличиваются 10-15 %, чем после отжига. В так называемых заэвтектоидных инструментальных сталях, с содержанием углерода более 0,8% (именно такие стали в основном применяются в ножах), разрушается цементитная сетка, окружающая перлитные зерна. Это снижает хрупкость стали, подготавливает ее к закалке.
3. Закалка стали — это этап термообработки, который заключается в нагреве стали выше критической температуры с последующим резким охлаждением в жидких средах. Критической в данном случае будет температура, при которой произойдет изменение типа кристаллической решетки, то есть осуществится полиморфное превращение. Технологически закалка представляет собой форсированное охлаждение раскаленной стали. Она уменьшает структуру зерна, повышает твердость, прочность, износоустойчивость. Закалка состоит из нагрева стали до температуры выше или в интервале превращений, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения обычно с большой скоростью (в водных растворах солей гидроксида натрия или хлорида натрия в воде, масле, в расплавленных солях, на воздухе). В процессе закалки сталь нагревается до высокой температуры порядка 750–1150 °C с последующим резким охлаждением, чтобы произошедшие фазовые превращения не успели вернуться к исходному состоянию.
Закалка делится на несколько видов:
1) Ступенчатая закалка
В некоторых случаях, для небольших заготовок, применяют закалку ступенчатым методом. Изделия нагревают, а затем помещают в щелочной расплав (от 3500 до 4000 С). Заготовку выдерживают определённый период времени, достаточный для выравнивания температуры внутри изделия. Легированные стали охлаждают в масле, нелегированные в воде. Данный способ обеспечивает необходимую твердость, а вероятность появления трещин и напряжений будет резко сокращаться.
2) Изотермическая закалка
Изотермическая закалка проходит в режиме ступенчатой, но при этом металл выдерживается в щелочи до тех пор, пока полностью не освободится от напряжений. После изометрической закалки не требуется проводить отпуск. Метод пригоден для обработки сложных деталей, подверженных деформациям и трещинам.
3) Закалка в одном охладителе
Закалка в одном охладителе применяется при работе с заготовками из углеродистых и легированных сталей. Обычно это достаточно «простые» ножевые стали, не требующие сложной обрабоки.
4) Прерывистая закалка в двух средах
Прерывистая закалка в двух средах применяется для обработки высокоуглеродистых сталей, при котором первоначально происходит быстрое охлаждение в воде, а затем медленное охлаждение в масле.
5) Струйчатая закалка
Струйчатая закалка– метод применяется при частичной (зонной) закалке изделия, реализуется в установках ТВЧ (установка нагрева токами высокой частоты) и индукторах обрызгиванием детали мощной струей воды.
Закалка является критически важным этапом термообработки. При нарушении технологии закалки могут возникнуть следующие дефекты:
1) Недостаточная твердость закаленной детали, в следствии низкой температуры нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.
2) Перегрев, связаный с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.
3) Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. После этого сталь приобретает высокую хрупкость и становится не пригодной к использованию под большими нагрузками, в первую очередь поперечными.
4) Окисление и обезуглероживание стали характеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности деталей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Такая сталь может стать полностью непригодной к эксплуатации на клинке ножа.
5) На поверхности заготовки могут образовываться коробления и трещины, что бывает связано с возникновением внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали происходят объемные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений. Естественно, такие изменения приводят к полной непригодности заготовки.
Таким образом именно нарушения технологии на этапе закалки могут приводить к излишней хрупкости клинка, обычно называемой «перекалом», или же наоборот недостаточная твердость – «недокал». А также к скрытым внутренним напряжениям, из-за которых клинки ломаются под нагрузкой. Для улучшения рабочих качеств стали после закалки применяется так называемый «отпуск».
4. Отпуск
Отпуском стали называется процесс термообработки предварительно закаленной стали, способствующий повышению равновесия ее структуры. Отпуск применяется после закалки стальных заготовок, при этом повышаются вязкие свойства, уменьшается хрупкость и внутреннее напряжение.
Отпуск производится немедленно после закалки, путем нагрева стали до температуры 150–550 °C (в зависимости от марки стали) и охлаждения в воздушной среде, либо в воде или масле. Высокоуглеродистые стали отпускают в воде, при этом происходит достаточно быстрое охлаждение. Если оно будет замедленным, это может привести к «недокалу», сталь не приобретет необходимых прочностных свойств. Легированные нержавеющие стали отпускают в масле, в котором процесс охлаждения происходит медленней. К таким сталям, в частности, относятся современные порошки S30V, S35VN, Elmax, и т.п. Чаще всего отпуск таких сталей происходит при температурах от 175 до 220 градусов. Использование масла в данном случае обязательно, так как при увеличении скорости охлаждения, легированная сталь может растрескаться и станет не пригодной к использованию. Также большую роль в охлаждении играет и разновидность масла, в частности степень его плотности и текучести. Для некоторых марок высоколегированных сталей вместо масла применяется охлаждение воздушной струей после предварительного нагрева до 1050–1100 °C.
Очень важным фактором качественного отпуска является траектория движения и угол погружения клинка в охлаждающую среду. Нарушение технологии может привести к искривлению клинка. Важную роль здесь играет качественный отжиг, который и необходим для снятия внутренних напряжений, приводящих к искривлениям клинка.
Чаще всего для ножевых изделий используется низкотемпературный отпуск (до 2500 С). Он позволяет добиться повышения прочности и вязкости при сохранении твердости сплава (HRC остается в пределах от 58 до 63).
Для определения температуры при отпуске изделия, используется визуальное наблюдение цветов побежалости. В частности, ослепительно бело-голубой цвет заготовки, соответствует температуре порядка 1600 °С, желто-белый – 1200 °С, ярко-красный – 500 °С и т.п. Цвета побежалости одинаково проявляются и на сырой, и на закаленной стали.
5) Криообработка
Достаточно часто последним этапом термообработки клинков ножей становится криогенная обработка. Криообработка — это процесс обработки металлических заготовок при сверхнизких температурах (ниже −153°С (-243,4 °F)). Она производится в целях снятия остаточных напряжений и повышения износостойкости деталей. Она также способствует увеличению твёрдости, износостойкости, прочности и пластичности металлов. В среднем улучшение этих характеристик происходит в пределах 20 %, но такие показатели относятся в основном к хорошим легированным сталям, в том числе и порошковым быстрорезам. Среди них может быть качественная американская D2, а также ELMAX, VANADIS 10, K340. Специальное оборудование для проведения криогенной обработки называется «криогенный процессор». Он представляет собой низкотемпературную камеру, оснащенную системой управления процессом криогенной обработки. Общий цикл обработки в современных криопроцессорах происходит в течение трех суток: 24 часа происходит промораживание до минимальной температуры, 24 часа идёт выдержка заготовки при этой температуре и 24 часа происходит нагрев до изначальной температуры. В некоторых криопроцессорах существует технологическая возможность для нагнетания температуры до 200 градусов по Цельсию и это дает возможность производить отпуск металла.
Термообработка стали на клинке является одним из важнейших факторов, отвечающих за рабочие качества ножа и его эффективность в работе. Только при максимальной точности технологических процессов возможно получить максимальное качество закаленной стали. В свою очередь качество термической обработки сильно влияет на заточку ножа. Любые проблемы, возникавшие в этом процессе, обязательно проявят себя при заточке и не позволят качественно заточить нож. Только на ножах с отличной «термичкой» мы можем достичь максимального уровня остроты.
Источник
При низких температурах сопротивление пластической деформации (предел текучести, прочности, твердости), как правило, возрастает [24]. Пластичность и вязкость с понижением температуры обычно уменьшаются. Понижение температуры приводит также к уменьшению ударной вязкости. У многих конструкционных материалов — никелевых и титановых сплавов — с понижением температуры ударная вязкость падает плавно. У углеродистой стали, молибдена падение ударной вязкости происходит в узком диапазоне температур. В табл. VI. 16 приведены механические свойства некоторых сталей при низких температурах. [c.133]
В криогенной технике и при установке аппаратов под открытым небом в районах, где бывают сильные морозы, имеет значение нижний температурный предел применения материала. Механические свойства углеродистых сталей ухудшаются при низких температурах вследствие снижения ударной вязкости. Углеродистые стали обыкновенного качества применяют при температуре не ниже —20°С, марганцовистые стали — до —70°С при более низких температурах — хромоникелевые стали. Верхний температурный предел применения углеродистых и марганцовистых сталей не превышает 475°С. При более высокой температуре резко падает их механическая прочность и появляются признаки ползучести. [c.15]
Многочисленные испытания сварных швов при низких температурах позволяют сделать заключение, что изменения механических свойств качественного сварного шва аналогичны изменениям свойств основного металла (см. [ДЗ-1, ДЗ-2, ДЗ-14, ДЗ-23, ДЗ-24, ДЗ-38, ДЗ-41, ДЗ-55]). Сварные швы углеродистых сталей утрачивают пластичность и становятся хрупкими при низких температурах швы легированных сталей аустенитового класса остаются достаточно вязкими. Пластичные показатели сварных швов цветных металлов с понижением температуры ухудшаются незначительно, а в некоторых случаях (медь, латунь) даже улучшаются. Результаты испытания некоторых сварных соединений приведены в табл. 6-10. [c.206]
Краткие сведения о механических свойствах углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и их сплавов, а также сварных и паяных соединений при низких температурах приведены ниже. [c.272]
Материалы для изготовления сосудов и аппаратов высокого давления следует выбирать в соответствии со спецификой их конструктивного исполнения, изготовления и эксплуатации, а также с учетом возможного изменения исходных физико-механических свойств материалов, находящихся под коррозионным воздействием обрабатываемой среды в условиях данного химико-технологического процесса. Так, при обработке водородсодержащих веществ на работоспособность аппарата оказывает особое влияние водородная коррозия, а при рабочих температурах выше 350 °С – ползучесть материала (стали). Кроме того, всегда нужно стремиться к низкой стоимости оборудования. Поэтому при выборе материалов предпочтение следует отдавать наиболее дешевым и менее дефицитным маркам стали, удовлетворяющим всем другим требованиям, вытекающим из условий эксплуатации оборудования (достаточной прочности, коррозионной стойкости, долговечности и т.д.). Известно, что углеродистые и низколегированные стали в несколько раз дешевле высоколегированных (теплоустойчивых, жаропрочных и коррозионно-стойких). [c.42]
В табл. 235 приведены химический состав и механические свойства углеродистых сталей (временное сопротивление разрыву предел текучести а , относительное удлинение В, сжатие 7, ударная вязкость) при низких температурах. На рис. 298, а и б показана зависимость (при низких температурах) временного сопротивления разрыву углеродистых сталей от содержания углерода и температуры отжига. [c.432]
Костенец В. и Иванченко А., Механические свойства металлов и сплавов при статической нагрузке при низких температурах (углеродистые стали, припои), ЖТФ, 16, вып. 5, 1946. [c.491]
При выборе материала для изготовления аппаратуры, применяемой для низкотемпературной ректификации, следует руководствоваться данными, приведенными в [144]. Физико-механические свойства металлов и их сплавов при пониженных температурах претерпевают существенные изменения. Для углеродистой стали в этих условиях особенно сильно снижается ударная вязкость, поэтому углеродистая сталь при низких температурах теряет способность сопротивляться динамическим нагрузкам. Никель, хром, марганец, молибден, ванадий способствуют повышению ударной вязкости стали при минусовых температурах. [c.205]
В некоторых случаях, например, в технике низких температур и при установке аппаратов под открытым небом в районах, где бывают сильные морозы, имеет значение нижний температурный предел применения материала. Механические свойства углеродистых сталей ухудшаются при низких температурах вследствие [c.15]
При низких температурах механические свойства металлов зависят от типа их атомно-кристаллической решетки [1, 2]. Металлы с гранецентрированной кубической решеткой (медь, никель, алюминий, аустенитные стали с высоким содержанием никеля) сохраняют свою пластичность при температуре жидкого кислорода. Металлы с объемно-центрированной решеткой (углеродистые стали, магний, вольфрам и др.) становятся в этих условиях хрупкими. [c.25]
При неправильном выборе материала или его переохлаждении низкие температуры могут вызвать изменение механических свойств и, в частности, снижение ударной вязкости металлов. Особенно заметно ударная вязкость снижается у обычных углеродистых (конструкционных) сталей, которые при низких температурах становятся хрупкими. Склонность сталей переходить в хрупкое состояние в целом определяется их химическим составом, структурой, методом обработки и т. п. Однако наибольшее влияние на ударную вязкость сталей оказывает содержание углерода с увеличением углерода склонность к хрупкому разрушению, например у конструкционных сталей, увеличивается. [c.44]
Применение углеродистых и легированных сталей в условиях низких температур невозможно вследствие ухудшения их механических свойств и [c.118]
На фиг. 2 представлены зависимости пределов изменения механических свойств углеродистой конструкционной стали при низких температурах, полученные в результате систематизации данных ряда литературных источников и лаборатории материалов ВНИИКИМАШ. [c.515]
Механические свойства углеродистых сталей при низких температурах [c.324]
В табл. 6.1 и 6.2 приведены примеры изменения механических свойств углеродистых и низколегированных сталей с понижением температуры испытания. В частности, видно, что с понижением температуры примерно до 80 К временное сопротивление и предел текучести возрастают в 1,5—2 раза, а ударная вязкость уменьшается во многие десятки раз. Характер увеличения временного сопротивления и предела текучести следующий при охлаждении до 200 К оно происходит относительно слабо, но прн более низких температурах идет быстрее. [c.233]
Характер изменения механических свойств сварных швов в процессе охлаждения во многом аналогичен поведению основного металла. Тем не менее переход из вязкого состояния в хрупкое может наступить при более высоких температурах, так как сварные швы являются местом сосредоточения концентраторов напряжений в виде ярко выраженных неровностей поверхности, микротрещин, непроваров и т. п., ускоряющих такой переход. Это обстоятельство необходимо учитывать при оценке работоспособности конструкций в условиях низких температур. Данные экспериментальных исследований показывают, что сварные швы углеродистых сталей сохраняют пластичность до температур не ниже 230—220 К, низколегированных сталей—до 200 К. [c.274]
Исследования механических свойств углеродистой стали при низких температурах, проведенные многими исследователями, показывают, что предел пропорциональности стали повышается, причем наибольшее возрастание наблюдается при i=—80°С. Для Ст. 5 предел текучести и временное сопротивление увеличиваются при i==—180°С (против г = +15°С) соответственно на 100% и 37%. Таким образом, тенденция к росту предела текучести проявляется значительно интенсивнее, чем временного сопротивления. Последнее отстает в динамике изменения, что, как известно, ведет к увеличению хрупкости материала, как это наблюдается у Ст. 5. [c.322]
Ag, Ли, 2п, са, гг, Ш, V, Nb, Та, Сг, Мо, У, и, Мп, Ге, Со, №, Ки, КЬ, Рс1, Оз, 1г, п редкоземельными металлами. Если классифицировать сплавы титана по свойствам, то различают сплавы, характеризующиеся низкой плотностью, твердостью и высокой температурой плавления, повышенной механической и химической стойкостью. Титап входит в состав углеродистых и нержавеющих сталей и сверхтвердых сплавов. [c.84]
Оборудование нефтеперерабатывающих заводов изготовляют из конструкционных сталей, которые делятся на углеродистые, низколегированные и легированны е. Выбор марки стали требует учета множества факторов, из которых наиболее важны максимальная и минимальная температуры стенки аппарата в процессе эксплуатации, поскольку механические свойства сталей при высоких и низких температурах изменяются в широких пределах. . [c.14]
Конструкционные оборудование нефтехимических и нефтеперерабатьшающих заводов, делятся на углеродистые, низколегированные и легированные. Диаграмма, представленная на рисунке 1.3.1, иа примере ОАО Салаватнефтеоргсинтез иллюстрирует распределение единиц оборудования по маркам стали. Выбор марки стали требует у чета множества факторов, из которых наиболее важны максимальная и минимальная температуры стенки аппарата в процессе эксплуатации, поскольку механические свойства сталей при высоких и низких те.мпературах изменяются в широких пределах. При повышении температуры предел текучести сталей падает, поэтому допускаемые напряжения должны бьпъ меньше, чем при нормальных условиях. [c.11]
При ручной электродуговой сварке сталей новышенной прочности кроме специальных электродов можно применять электроды, иредназначенные для сварки углеродистых конструкционных сталей, в соответствии с механическими свойствами основного металла и сварного шва Э42, Э42А, Э50, Э50А. Если предъявляются специальные требования в отношении коррозионной стойкости и механических свойств нри высоких и низких температурах до и после термической обработки, применяют электроды пз легированной проволоки. [c.331]
Наиболее распространенными конструкционными материалами, сохраняющими ударную вязкость при низкой тешературе, являются нержавеющие стали, медь и ее сплавы, алюминий. Предел текучести и вра(енное сопротивление в этих металлах с понижением температуры возрастают. Наличие ртдельных ко5 понентов в сталях по-разному влияет на их механические свойства. Так, добавка легирующего элемента – никеля – в углеродистую сталь способствует улучшению пластических свойств стали щ)и низких температурах при сохранении достаточной прочности. Увеличение содержания углерода приводит к возрастанию пределов текучести и прочности, а увеличение содержания примесей (кислорода. [c.121]
Углеродистые инструментальные стали (У7А, У8А) при сравнительно низком нагреве (780—790°С) склонны к образованию крупных зерен. По этой причине температуру закалки снижают до 750—800 °С, что позвол1яет сохранить более мелкое зерно и получить сталь с лучшими механическими свойствами. Превышение указанной температуры ухудшает прочностные свойства. Помимо того, стали У7А и УЗА могут приобретать при термообработке большие внутренние напряжения. Указанные стали используют для изготовления пресс-инструмента, предназначеяного, [c.162]
Повышенное содержание марганца сообщает стали более высокие механические свойства, приближающие ее к легированным сталям. Марганец понижает температуру критических точек и Лд, увеличивает прокаливаемость стали. Это позволяет применять более низкие температуры термической обработки и получать после высокого отпуска мелкодисперсную структуру сорбитообразного перлита. Марганец входит в состав твердого раствора (феррита), упрочняет его, а также образует прочные двойные карбиды с углеродом и железом, поэтому стали, содержащие повышенный процент марганца, обладают повышенным пределом прочности и текучести, несколько большей твердостью и повышенной износоустойчивостью по сравнению с углеродистыми сталями с нормальным содержанием марганца. Характеристики вязкости и пластичности у этих сталей ниже, чем у углеродистых сталей. При содержании более 1% марганца усталей этой группы отмечается склонность к образованию полосчатой структуры и отпускной хрупкости. Склонность к отпускной хрупкости устраняется при быстром охлаждении после отпуска (охлаждение в воде или в масле). Стали с повышенным содержанием марганца подразделяются на стали, содержащие от 0,7 до 1,2% Мп (маркируются индексом Г, например, ЗОГ), и стали, содержащие от 1,4 до 1,8% Мп (маркируются индексом Г2, например, 30Г2). [c.144]
Рассмотренные выше особенности механических сиойств углеродистой стали обыкновенного качества и, прежде всего, влияние на эти свойства температуры, должны учитываться при назначении марки стали для иэготоиления деталей оборудования и аппаратуры нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов. Как правило, температура рабочей среды для оборудования, изготовленного из углеродистой стали обыкновенного качества должна быть в пределах от —40 до +450° С, даже при сравнителыю низких напряжениях. Это ограничение прежде всего относится к печным трубам и листовому прокату, применяемому для изготовления паровых котлов и сосудов, работающих с внутренним давлением. [c.32]
Смотреть страницы где упоминается термин Сталь углеродистая, механические свойства при низких температурах:
[c.230]
[c.48]
[c.34]
Разделение воздуха методом глубокого охлаждения Том 2 (1964) — [
c.515
]
Источник