Закалка — это процесс термической обработки, который используется для повышения прочности сплавов на основе железа . Закалка обычно выполняется после закалки , чтобы уменьшить часть избыточной твердости , и осуществляется путем нагрева металла до некоторой температуры ниже критической точки в течение определенного периода времени, а затем остывания на неподвижном воздухе. Точная температура определяет количество удаляемой твердости и зависит как от конкретного состава сплава, так и от желаемых свойств готового изделия. Например, очень твердые инструменты часто закаляют при низких температурах, в то время как пружины закаляют при гораздо более высоких температурах.
Закалка — это метод термической обработки , применяемый к железным сплавам , таким как сталь или чугун , для достижения большей прочности за счет снижения твердости сплава. Снижение твердости обычно сопровождается повышением пластичности , тем самым уменьшая хрупкость металла. Закалка обычно выполняется после закалки , которая представляет собой быстрое охлаждение металла для перевода его в максимально твердое состояние. Закалка осуществляется путем контролируемого нагрева закаленной заготовки до температуры ниже ее «нижней критической температуры ». Это также называется нижней температурой превращения или нижней температурой остановки (A 1 ): температура, при которой кристаллические фазы сплава, называемые ферритом и цементитом , начинают объединяться, образуя однофазный твердый раствор , называемый аустенитом . Нагрева выше этой температуры избегают, чтобы не разрушить очень твердую, закаленную микроструктуру, называемую мартенситом . [3]
Точный контроль времени и температуры в процессе отпуска имеет решающее значение для достижения желаемого баланса физических свойств. Низкие температуры отпуска могут только снять внутренние напряжения, уменьшая хрупкость при сохранении большей части твердости. Более высокие температуры отпуска, как правило, приводят к большему снижению твердости, жертвуя некоторым пределом текучести и прочностью на растяжение ради увеличения эластичности и пластичности . Однако в некоторых низколегированных сталях , содержащих другие элементы, такие как хром и молибден , отпуск при низких температурах может привести к увеличению твердости, в то время как при более высоких температурах твердость будет уменьшаться. Многие стали с высокой концентрацией этих легирующих элементов ведут себя как дисперсионно-твердеющие сплавы , что производит противоположные эффекты в условиях, обнаруженных при закалке и отпуске, и называются мартенситностареющими сталями . [3]
В углеродистых сталях отпуск изменяет размер и распределение карбидов в мартенсите, образуя микроструктуру, называемую «отпущенным мартенситом». Отпуск также выполняется на нормализованных сталях и чугунах, чтобы повысить пластичность, обрабатываемость и ударную вязкость. [3] Сталь обычно закаливается равномерно, что называется «сквозным отпуском», создавая почти однородную твердость, но иногда ее нагревают неравномерно, что называется «дифференциальным отпуском», создавая изменение твердости. [4]
Закалка — это древняя технология термической обработки. Самый старый известный пример закаленного мартенсита — это кирка , найденная в Галилее , датируемая примерно 1200–1100 гг. до н. э. [5] Этот процесс использовался во всем древнем мире, от Азии до Европы и Африки. В древние времена было испробовано множество различных методов и охлаждающих ванн для закалки, от закалки в моче, крови или металлах, таких как ртуть или свинец, но процесс закалки оставался относительно неизменным на протяжении веков. Закалку часто путали с закалкой, и часто этот термин использовался для описания обеих технологий. В 1889 году сэр Уильям Чендлер Робертс-Остин писал: «В трудах даже выдающихся авторитетов все еще существует такая путаница между словами «закалка», «отпуск» и «закалка», что хорошо бы тщательно помнить эти старые определения. Я буду использовать слово «закалка» в том же смысле, что и «размягчение». [6]
В металлургии можно встретить много терминов, которые имеют очень конкретные значения в этой области, но могут показаться довольно расплывчатыми, если смотреть со стороны. Такие термины, как «твердость», «ударная прочность», «прочность» и «прочность» могут иметь много различных коннотаций, что иногда затрудняет различение конкретного значения. Вот некоторые из встречающихся терминов и их конкретные определения:
Очень немногие металлы реагируют на термическую обработку таким же образом или в той же степени, как углеродистая сталь , а поведение углеродистой стали при термической обработке может радикально различаться в зависимости от легирующих элементов. Сталь можно размягчить до очень пластичного состояния с помощью отжига или закалить до состояния, столь же твердого и хрупкого, как стекло, с помощью закалки . Однако в закаленном состоянии сталь обычно слишком хрупкая, не имея вязкости разрушения , чтобы быть полезной для большинства применений. Закалка — это метод, используемый для снижения твердости, тем самым увеличивая пластичность закаленной стали, чтобы придать металлу некоторую упругость и ковкость. Это позволяет металлу гнуться перед тем, как сломаться. В зависимости от того, насколько сильно закалена сталь, она может изгибаться упруго (сталь возвращается к своей первоначальной форме после снятия нагрузки) или пластично (сталь не возвращается к своей первоначальной форме, что приводит к постоянной деформации) перед тем, как сломаться . Закалка используется для точного баланса механических свойств металла, таких как прочность на сдвиг , предел текучести , твердость , пластичность и прочность на растяжение , для достижения любого количества комбинаций свойств, что делает сталь полезной для широкого спектра применений. Такие инструменты, как молотки и гаечные ключи, требуют хорошей стойкости к истиранию, ударопрочности и стойкости к деформации. Пружинам не требуется такая высокая износостойкость, но они должны деформироваться упруго, не ломаясь. Автомобильные детали, как правило, немного менее прочные, но им необходимо деформироваться пластически, прежде чем сломаться.
За исключением редких случаев, когда требуется максимальная твердость или износостойкость, например, незакаленная сталь, используемая для напильников , закаленная сталь почти всегда закаливается в некоторой степени. Однако иногда сталь отжигают с помощью процесса, называемого нормализацией , оставляя сталь лишь частично размягченной. Закалка иногда используется для нормализованных сталей, чтобы еще больше размягчить их, повысить пластичность и обрабатываемость для более легкой металлообработки . Закалка также может использоваться для сварной стали, чтобы снять некоторые напряжения и избыточную твердость, создаваемые в зоне термического воздействия вокруг сварного шва. [3]
Закалка чаще всего выполняется на стали, нагретой выше ее верхней критической температуры (A 3 ), а затем быстро охлажденной в процессе, называемом закалкой , с использованием таких методов, как погружение горячей стали в воду, масло или нагнетаемый воздух. Закаленная сталь, помещенная в или очень близкое к ее максимально твердому состоянию, затем закаливается для постепенного снижения твердости до точки, более подходящей для желаемого применения. Твердость закаленной стали зависит как от скорости охлаждения, так и от состава сплава. Сталь с высоким содержанием углерода достигнет гораздо более твердого состояния, чем сталь с низким содержанием углерода. Аналогично, закалка высокоуглеродистой стали до определенной температуры даст сталь, которая будет значительно тверже, чем низкоуглеродистая сталь, закаленная при той же температуре. Количество времени, выдержанного при температуре отпуска, также имеет значение. Закалка при слегка повышенной температуре в течение более короткого времени может дать тот же эффект, что и закалка при более низкой температуре в течение более длительного времени. Время отпуска варьируется в зависимости от содержания углерода, размера и предполагаемого применения стали, но обычно составляет от нескольких минут до нескольких часов.
Отпуск закаленной стали при очень низких температурах, от 66 до 148 °C (от 151 до 298 °F), обычно не даст большого эффекта, кроме небольшого снятия некоторых внутренних напряжений и уменьшения хрупкости. Отпуск при более высоких температурах, от 148 до 205 °C (от 298 до 401 °F), приведет к небольшому снижению твердости, но в первую очередь снимет большую часть внутренних напряжений. В некоторых сталях с низким содержанием легирующих элементов отпуск в диапазоне от 260 до 340 °C (от 500 до 644 °F) вызывает снижение пластичности и увеличение хрупкости и называется диапазоном «мартенситной хрупкости отпуска» (TME). За исключением случаев кузнечного дела, этот диапазон обычно избегают. Сталь, требующая больше прочности, чем вязкости, например, инструменты, обычно не закаляют выше 205 °C (401 °F). Вместо этого изменение твердости обычно достигается путем изменения только времени отпуска. Когда требуется повышенная вязкость за счет прочности, используются более высокие температуры отпуска, от 370 до 540 °C (от 698 до 1004 °F). Отпуск при еще более высоких температурах, от 540 до 600 °C (от 1004 до 1112 °F), даст отличную вязкость, но при серьезном снижении прочности и твердости. При 600 °C (1112 °F) сталь может испытать еще одну стадию охрупчивания, называемую «отпускной хрупкостью» (TE), которая возникает, если сталь слишком долго удерживается в диапазоне температур отпускной хрупкости. При нагревании выше этой температуры сталь обычно не будет удерживаться в течение какого-либо количества времени и быстро охлаждаться, чтобы избежать отпускной хрупкости. [3]
Сталь, нагретая выше своей верхней критической температуры, а затем охлажденная на воздухе, называется нормализованной сталью. Нормализованная сталь состоит из зерен перлита , мартенсита и иногда бейнита , смешанных в микроструктуре. Это дает сталь, которая намного прочнее, чем полностью отожженная сталь, и намного жестче, чем отпущенная закаленная сталь. Однако иногда требуется дополнительная прочность при снижении прочности. Отпуск дает способ осторожно снизить твердость стали, тем самым увеличивая прочность до более желательной точки. Литая сталь часто нормализуется, а не отжигается, чтобы уменьшить количество возможных искажений. Отпуск может еще больше снизить твердость, увеличивая пластичность до точки, более похожей на отожженную сталь. [8] Отпуск часто применяется к углеродистым сталям, давая примерно такие же результаты. Процесс, называемый «нормализация и отпуск», часто применяется к сталям, таким как углеродистая сталь 1045 или большинство других сталей, содержащих от 0,35 до 0,55% углерода. Эти стали обычно закаляют после нормализации, чтобы повысить прочность и снять внутренние напряжения. Это может сделать металл более подходящим для предполагаемого использования и более легким для обработки . [9]
Сталь, которая была подвергнута дуговой сварке , газовой сварке или сварке любым другим способом, кроме кузнечной сварки , подвергается воздействию тепла от процесса сварки в локализованной области. Эта локализованная область, называемая зоной термического влияния (ЗТВ), состоит из стали, которая значительно различается по твердости, от нормализованной стали до стали, почти такой же твердой, как закаленная сталь вблизи края этой зоны термического влияния. Термическое сжатие от неравномерного нагрева, затвердевания и охлаждения создает внутренние напряжения в металле, как внутри, так и вокруг сварного шва. Иногда вместо снятия напряжений используется отпуск (равномерный нагрев и охлаждение всего объекта до температуры чуть ниже температуры А1 ) , чтобы уменьшить внутренние напряжения и уменьшить хрупкость вокруг сварного шва. Локальный отпуск часто используется на сварных швах, когда конструкция слишком большая, сложная или иным образом слишком неудобна для равномерного нагрева всего объекта. Температуры отпуска для этой цели обычно составляют около 205 °C (401 °F) и 343 °C (649 °F). [10]
Современный арматурный стержень прочностью 500 МПа может быть изготовлен из дорогой микролегированной стали или методом закалки и самоотпуска (QST). После того, как стержень выходит из последнего прокатного прохода, где стержню придается окончательная форма, стержень затем опрыскивается водой, которая закаливает внешнюю поверхность стержня. Скорость стержня и количество воды тщательно контролируются, чтобы оставить сердцевину стержня незакаленной. Затем горячее ядро отпускает уже закаленную внешнюю часть, оставляя стержень с высокой прочностью, но также и с определенной степенью пластичности.
Закалка изначально была процессом, который использовали и разрабатывали кузнецы (ковщики железа). Процесс, скорее всего, был разработан хеттами Анатолии ( современная Турция) в двенадцатом или одиннадцатом веке до нашей эры. Без знания металлургии закалка изначально была разработана методом проб и ошибок .
Поскольку до наших дней существовало мало методов точного измерения температуры, температуру обычно оценивали, наблюдая за цветом закалки металла. Закалка часто состояла из нагревания над древесным углем или угольным горном или на огне, поэтому выдерживать изделие при точно нужной температуре в течение нужного времени обычно было невозможно. Закалка обычно выполнялась путем медленного, равномерного перегрева металла, судя по цвету, а затем немедленного охлаждения либо на открытом воздухе, либо путем погружения его в воду. Это производило почти такой же эффект, как и нагрев при нужной температуре в течение нужного времени, и позволяло избежать охрупчивания за счет отпуска в течение короткого периода времени. Однако, хотя существуют руководства по цвету закалки, этот метод закалки обычно требует хорошей практики для совершенствования, поскольку конечный результат зависит от многих факторов, включая состав стали, скорость, с которой она нагревалась, тип источника тепла ( окисление или науглероживание ), скорость охлаждения, масляные пленки или примеси на поверхности и многие другие обстоятельства, которые различаются от кузнеца к кузнецу или даже от работы к работе. Толщина стали также играет роль. С более толстыми изделиями становится легче нагреть только поверхность до нужной температуры, прежде чем тепло сможет проникнуть насквозь. Однако очень толстые изделия могут не затвердеть полностью во время закалки. [11]
Если сталь была недавно отшлифована, отшлифована или отполирована, при нагревании на ее поверхности образуется оксидный слой. По мере повышения температуры стали толщина оксида железа также увеличивается. Хотя оксид железа обычно не прозрачен, такие тонкие слои пропускают свет, отражаясь как от верхней, так и от нижней поверхности слоя. Это вызывает явление, называемое тонкопленочной интерференцией , которое создает цвета на поверхности. По мере увеличения толщины этого слоя с температурой цвета меняются от очень светло-желтого до коричневого, фиолетового и затем синего. Эти цвета появляются при очень точных температурах и дают кузнецу очень точный измеритель температуры. Различные цвета, соответствующие им температуры и некоторые из их применений:
Для углеродистой стали, за пределами серо-голубого цвета, оксид железа теряет свою прозрачность, и температуру больше нельзя судить таким образом, хотя другие сплавы, такие как нержавеющая сталь, могут давать гораздо более широкий диапазон, включая золотые, бирюзовые и пурпурные цвета. Слой также будет увеличиваться в толщине со временем, что является еще одной причиной использования перегрева и немедленного охлаждения. Сталь в печи для отпуска, выдерживаемая при 205 °C (401 °F) в течение длительного времени, начнет становиться коричневой, фиолетовой или синей, даже если температура не превышала необходимую для получения светло-соломенного цвета. Окислительные или науглероживающие источники тепла также могут повлиять на конечный результат. Слой оксида железа, в отличие от ржавчины , также защищает сталь от коррозии посредством пассивации . [12]
Дифференциальная закалка — это метод придания разного количества закалки разным частям стали. Этот метод часто используется в кузнечном деле , для изготовления ножей и мечей , чтобы обеспечить очень твердую кромку, смягчая при этом спинку или центр лезвия. Это повышает прочность, сохраняя при этом очень твердую, острую, ударопрочную кромку, помогая предотвратить поломку. Этот метод чаще встречался в Европе, в отличие от методов дифференциальной закалки, более распространенных в Азии, например, в японском кузнечном деле .
Дифференциальная закалка заключается в применении тепла только к части лезвия, обычно к спинке или центру двухлезвийных лезвий. Для однолезвийных лезвий тепло, часто в виде пламени или раскаленного прута, применяется только к спинке лезвия. Затем за лезвием внимательно наблюдают, как формируются цвета закалки и медленно ползут к краю. Затем тепло убирают до того, как светло-соломенный цвет достигнет края. Цвета будут продолжать двигаться к краю в течение короткого времени после того, как тепло убирается, поэтому кузнец обычно убирает тепло немного раньше, так что бледно-желтый цвет только достигает края и не распространяется дальше. Похожий метод используется для двухлезвийных лезвий, но источник тепла прикладывается к центру лезвия, позволяя цветам расползаться к каждому краю. [13]
Методы прерывистой закалки часто называют отпуском, хотя эти процессы сильно отличаются от традиционного отпуска. Эти методы состоят из закалки до определенной температуры, которая выше температуры начала мартенсита (M s ), а затем выдерживания при этой температуре в течение длительного времени. В зависимости от температуры и времени это позволяет либо сформировать чистый бейнит , либо задерживает формирование мартенсита до тех пор, пока большая часть внутренних напряжений не ослабнет. Эти методы известны как аустенит и мартенсит. [14]
Закалка — это метод, используемый для формирования чистого бейнита, переходной микроструктуры между перлитом и мартенситом. При нормализации как верхний, так и нижний бейнит обычно смешиваются с перлитом. Чтобы избежать образования перлита или мартенсита, сталь закаливают в ванне с расплавленными металлами или солями. Это быстро охлаждает сталь за пределами точки, в которой может образоваться перлит, и в диапазоне образования бейнита. Затем сталь выдерживают при температуре образования бейнита, за пределами точки, в которой температура достигает равновесия, до тех пор, пока бейнит полностью не сформируется. Затем сталь извлекают из ванны и дают ей остыть на воздухе без образования перлита или мартенсита.
В зависимости от температуры выдержки аустенит может производить либо верхний, либо нижний бейнит. Верхний бейнит представляет собой слоистую структуру, образующуюся при температурах, как правило, выше 350 °C (662 °F), и является гораздо более жесткой микроструктурой. Нижний бейнит представляет собой игольчатую структуру, образующуюся при температурах ниже 350 °C, и является более прочным, но гораздо более хрупким. [15] В любом случае аустенит обеспечивает большую прочность и ударную вязкость для заданной твердости, которая определяется в основном составом, а не скоростью охлаждения, и снижением внутренних напряжений, которые могут привести к поломке. Это дает сталь с превосходной ударной прочностью. Современные пуансоны и зубила часто подвергаются аустенитной закалке. Поскольку аустенит не производит мартенсит, сталь не требует дальнейшего отпуска. [14]
Мартенситная закалка похожа на аустенитную закалку, в которой сталь закаливается в ванне с расплавленным металлом или солями, чтобы быстро охладить ее за пределы перлитного диапазона. Однако при мартенсите цель состоит в том, чтобы создать мартенсит, а не бейнит. Сталь закаливается до гораздо более низкой температуры, чем используется для аустенита; чуть выше начальной температуры мартенсита. Затем металл выдерживается при этой температуре, пока температура стали не достигнет равновесия. Затем сталь извлекается из ванны до того, как может образоваться какой-либо бейнит, а затем охлаждается на воздухе, превращаясь в мартенсит. Прерывание охлаждения позволяет большей части внутренних напряжений расслабиться до образования мартенсита, что снижает хрупкость стали. Однако закаленная на мартенсит сталь обычно должна подвергаться дальнейшему отпуску для регулировки твердости и вязкости, за исключением редких случаев, когда требуется максимальная твердость, но сопутствующая хрупкость не требуется. Современные напильники часто подвергаются мартенситной закалке. [14]
Закалка включает трехступенчатый процесс, в котором нестабильный мартенсит распадается на феррит и нестабильные карбиды, и, наконец, на стабильный цементит, образуя различные стадии микроструктуры, называемой отпущенным мартенситом. Мартенсит обычно состоит из реек (полос) или пластин, иногда имеющих игольчатую (игольчатую) или линзовидную (линзовидную) форму. В зависимости от содержания углерода он также содержит определенное количество «остаточного аустенита». Остаточный аустенит — это кристаллы, которые не могут трансформироваться в мартенсит даже после закалки ниже температуры окончания мартенсита (M f ). Увеличение легирующих добавок или содержания углерода приводит к увеличению остаточного аустенита. Аустенит имеет гораздо более высокую энергию дефекта упаковки, чем мартенсит или перлит, что снижает износостойкость и увеличивает вероятность истирания , хотя часть или большую часть остаточного аустенита можно преобразовать в мартенсит путем холодной и криогенной обработки перед закалкой.
Мартенсит образуется во время бездиффузионного превращения , при котором превращение происходит из-за сдвиговых напряжений, создаваемых в кристаллических решетках, а не из-за химических изменений, происходящих во время осаждения. Сдвиговые напряжения создают множество дефектов, или « дислокаций », между кристаллами, обеспечивая менее напряженные области для перемещения атомов углерода. При нагревании атомы углерода сначала мигрируют в эти дефекты, а затем начинают образовывать нестабильные карбиды. Это уменьшает количество общего мартенсита, изменяя часть его на феррит. Дальнейший нагрев еще больше уменьшает мартенсит, преобразуя нестабильные карбиды в стабильный цементит.
Первая стадия отпуска происходит при температуре от комнатной до 200 °C (392 °F). На первой стадии углерод выделяется в ε-углерод (Fe2,4C ) . На второй стадии, происходящей между 150 °C (302 °F) и 300 °C (572 °F), остаточный аустенит превращается в форму нижнего бейнита, содержащего ε-углерод, а не цементит (архаично называемый «трооститом»). [16] [17] Третья стадия происходит при температуре 200 °C (392 °F) и выше. На третьей стадии ε-углерод выделяется в цементит, и содержание углерода в мартенсите уменьшается. Если закалять при более высоких температурах, между 650 °C (1202 °F) и 700 °C (1292 °F), или в течение более длительного времени, мартенсит может стать полностью ферритным, а цементит может стать более грубым или более сферическим. В сфероидизированной стали цементитная сеть распадается и отступает в стержни или сферические шарики, и сталь становится мягче отожженной стали; почти такой же мягкой, как чистое железо, что делает ее очень легкой для формовки или обработки . [18]
Охрупчивание происходит во время отпуска, когда в определенном температурном диапазоне сталь испытывает увеличение твердости и снижение пластичности, в отличие от обычного снижения твердости, которое происходит по обе стороны этого диапазона. Первый тип называется отпускной мартенситной хрупкостью (TME) или одноэтапной хрупкостью. Второй тип называется отпускной хрупкостью (TE) или двухэтапной хрупкостью.
Одношаговое охрупчивание обычно происходит в углеродистой стали при температурах от 230 °C (446 °F) до 290 °C (554 °F) и исторически называлось «500-градусным [Фаренгейт] охрупчиванием». Это охрупчивание происходит из-за осаждения игл или пластин Видманштеттена , сделанных из цементита, на межпластинчатых границах мартенсита. Примеси, такие как фосфор , или легирующие вещества, такие как марганец , могут усилить охрупчивание или изменить температуру, при которой оно происходит. Этот тип охрупчивания является постоянным и может быть устранен только путем нагревания выше верхней критической температуры и последующей закалки. Однако для формирования этих микроструктур обычно требуется час или больше, поэтому они обычно не являются проблемой при кузнечном методе отпуска.
Двухэтапное охрупчивание обычно происходит при старении металла в критическом диапазоне температур или при медленном охлаждении в этом диапазоне. Для углеродистой стали это обычно между 370 °C (698 °F) и 560 °C (1040 °F), хотя примеси, такие как фосфор и сера, значительно усиливают эффект. Обычно это происходит из-за того, что примеси способны перемещаться к границам зерен, создавая слабые места в структуре. Охрупчивания часто можно избежать, быстро охлаждая металл после отпуска. Однако двухэтапное охрупчивание обратимо. Охрупчивание можно устранить, нагрев сталь выше 600 °C (1112 °F) и затем быстро охладив. [19]
Многие элементы часто легируются сталью. Основная цель легирования большинства элементов сталью — повысить ее прокаливаемость и уменьшить размягчение под воздействием температуры. Например, в инструментальные стали могут добавляться такие элементы, как хром или ванадий, чтобы повысить как прочность, так и ударную вязкость, что необходимо для таких вещей, как гаечные ключи и отвертки . С другой стороны, сверла и вращающиеся напильники должны сохранять свою твердость при высоких температурах. Добавление кобальта или молибдена может привести к тому, что сталь сохранит свою твердость даже при раскаленных температурах, образуя быстрорежущие стали. Часто для придания желаемых свойств в сталь добавляют небольшие количества множества различных элементов, а не просто один или два.
Большинство легирующих элементов (растворенных веществ) имеют преимущество не только в повышении твердости, но и в снижении как начальной температуры мартенсита, так и температуры, при которой аустенит превращается в феррит и цементит. Во время закалки это позволяет снизить скорость охлаждения, что позволяет закаливать детали с более толстым поперечным сечением на большую глубину, чем это возможно в обычной углеродистой стали, обеспечивая большую однородность прочности.
Методы отпуска легированных сталей могут значительно различаться в зависимости от типа и количества добавленных элементов. В общем, такие элементы, как марганец , никель , кремний и алюминий , остаются растворенными в феррите во время отпуска, в то время как углерод выпадает в осадок. При закалке эти растворенные вещества обычно приводят к увеличению твердости по сравнению с обычной углеродистой сталью с тем же содержанием углерода. Когда закаленные легированные стали, содержащие умеренное количество этих элементов, отпускают, сплав обычно становится мягче в некоторой степени пропорционально углеродистой стали.
Однако во время отпуска такие элементы, как хром, ванадий и молибден, осаждаются вместе с углеродом. Если сталь содержит довольно низкие концентрации этих элементов, размягчение стали может быть замедлено до тех пор, пока не будут достигнуты гораздо более высокие температуры по сравнению с теми, которые необходимы для отпуска углеродистой стали. Это позволяет стали сохранять свою твердость в условиях высоких температур или высокого трения. Однако для этого также требуются очень высокие температуры во время отпуска, чтобы добиться снижения твердости. Если сталь содержит большое количество этих элементов, отпуск может привести к повышению твердости до тех пор, пока не будет достигнута определенная температура, при которой твердость начнет уменьшаться. [20] [21] Например, молибденовые стали обычно достигают своей наивысшей твердости около 315 °C (599 °F), тогда как ванадиевые стали полностью затвердеют при отпуске около 371 °C (700 °F). При добавлении очень большого количества растворенных веществ легированные стали могут вести себя как дисперсионно-твердеющие сплавы, которые вообще не размягчаются во время отпуска. [22]
Чугун бывает разных видов в зависимости от содержания углерода. Однако их обычно делят на серый и белый чугун в зависимости от формы, которую принимают карбиды. В сером чугуне углерод в основном находится в форме графита , а в белом чугуне углерод обычно находится в форме цементита . Серый чугун в основном состоит из микроструктуры, называемой перлитом , смешанной с графитом и иногда ферритом. Серый чугун обычно используется в качестве литья, его свойства определяются его составом.
Белый чугун в основном состоит из микроструктуры, называемой ледебуритом, смешанной с перлитом. Ледебурит очень твердый, что делает чугун очень хрупким. Если белый чугун имеет доэвтектический состав , его обычно закаливают, чтобы получить ковкий или пластичный чугун. Используются два метода закалки, называемые «белой закалкой» и «черной закалкой». Цель обоих методов закалки — вызвать разложение цементита внутри ледебурита, что увеличит пластичность. [23]
Ковкий (пористый) чугун изготавливается методом белой закалки. Белая закалка используется для сжигания избыточного углерода путем его нагрева в течение длительного времени в окислительной среде. Чугун обычно выдерживают при температурах до 1000 °C (1830 °F) в течение 60 часов. За нагревом следует медленное охлаждение со скоростью около 10 °C (18 °F) в час. Весь процесс может длиться 160 часов и более. Это приводит к разложению цементита из ледебурита, а затем углерод выгорает через поверхность металла, увеличивая ковкость чугуна. [23]
Ковкий (непористый) чугун (часто называемый «черным чугуном») производится путем черного отпуска. В отличие от белого отпуска, черный отпуск выполняется в среде инертного газа , так что разлагающийся углерод не сгорает. Вместо этого разлагающийся углерод превращается в тип графита, называемый «закаленный графит» или «чешуйчатый графит», что увеличивает ковкость металла. Закалка обычно выполняется при температурах до 950 °C (1740 °F) в течение до 20 часов. Закалка сопровождается медленным охлаждением через нижнюю критическую температуру в течение периода, который может длиться от 50 до более 100 часов. [23]
Дисперсионно-твердеющие сплавы впервые начали использоваться в начале 1900-х годов. Большинство термообрабатываемых сплавов попадают в категорию дисперсионно-твердеющих сплавов, включая сплавы алюминия , магния , титана и никеля . Несколько высоколегированных сталей также являются дисперсионно-твердеющими сплавами. Эти сплавы становятся мягче обычных при закалке, а затем со временем затвердевают. По этой причине дисперсионное твердение часто называют «старением».
Хотя большинство дисперсионно-твердеющих сплавов затвердевают при комнатной температуре, некоторые затвердевают только при повышенных температурах, а в других процесс можно ускорить старением при повышенных температурах. Старение при температурах выше комнатной называется «искусственным старением». Хотя метод похож на отпуск, термин «отпуск» обычно не используется для описания искусственного старения, поскольку физические процессы (т. е. осаждение интерметаллических фаз из пересыщенного сплава) приводят к желаемым результатам (т. е. упрочнению, а не размягчению), а также время выдержки при определенной температуре сильно отличаются от отпуска, используемого в углеродистой стали.