Рис. 8.3. Изменение прочности стали при старении (¿4 8 ?2 У

в основном для жаропрочных аустенитных, низкоуглеродистых высоколегированных мартенситно-стареющих и низкоуглеродистых низколегированных конструкционных сталей. Для создания дисперсной фазы, которая может представлять собой карбиды, интерметалл иды и карбонитриды, в аустенитные жаропрочные стали вводят ванадий, ниобий, титан, молибден, алюминий; в конструкционные низколегированные стали — ванадий, алюминий, азот; в высоколегированные мартенситно-стареющие — молибден, титан, никель, кобальт. Старение также является завершающей термической обработкой после закалки, обусловливающей растворение крупных частиц второй фазы, для последующего ее выделения при старении в дисперсном виде. Температура старения может составлять от 300 до 650 °С. Характер изменения прочности при старении и роль температуры и продолжительности процесса иллюстрируется рис. 8.3.

Нормализация представляет собой нагрев до температуры несколько выше температуры нагрева под закалку (на 100—150 °С выше температуры завершения перехода феррита в аустенит) с последующим охлаждением на воздухе. Такая операция производится для нормализации зерна в стали. При этом обеспечиваются перекристаллизация и измельчение зерна перегретой стали (например, при горячей пластической деформации), получение равновесного зерна у нагартованной стали (после холодной пластической деформации), некоторая гомогенизация и измельчение зерна металла отливок. Нормализация применяется как операция термической обработки заготовок перед их механической обработкой, как подготовительная операция перед закалкой с отпуском для обеспечения равномерности свойств после этих операций.

Этот вид термической обработки применяется, как правило, для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей. Для конструкционных сталей с повышенным содержанием легирующих элементов (2—4 % N4, 3—5 % Сг, 1,5 % Мп) применение нормализации неэффективно, так как для этих сталей

охлаждение на воздухе после нагрева до аустенитного состояния может привести' к частичному или полному образованию мартенсита.

Отпуск для снятия напряжений не преследует цели изменения фазового состояния или структуры стали, однако эти изменения очень часто сопутствуют такому отпуску. Целью рассматриваемой операции является снижение микро- или, чаще, макронапряжений в обрабатываемом изделии.

Микронапряжения в сталях являются следствием получения неравновесных фаз с высокой свободной энергией или неравномерных фазовых превращений. Отпуск путем теплового воздействия и увеличения подвижности атомов, образующих кристаллическую решетку железа или растворенных в ней атомов легирующих элементов, способствует переходу системы в более равновесное и однородное состояние, снижению уровня свободной энергии и соответственно снижению микронапряжений, локализующихся на уровне ячеек кристаллической решетки и зерен. Образование пересыщенных твердых растворов, каким прежде всего является мартенсит закалки, связано с наличием больших искажений пересыщающими атомами углерода элементарной ячейки а-железа. Эти искажения порождают микронапряжения в решетке, вызванные силами атомного взаимодействия образующих ее атомов. Отпуск, даже низкий, способствует началу распада перенасыщенного раствора (мартенсита), предвыделе-нию и выделению из него атомов углерода, уменьшению искажений решетки и снижению микронапряжений. Таким образом, для сталей, закаленных на мартенсит, снижение уровня микронапряжений начинается с температуры ~150°С и завершается после окончания выделения углерода из решетки а-железа и началом коагуляции образовавшихся карбидов (350—450 °С). Другим фактором, создающим микронапряжения, является деформация — искажение кристаллической решетки механическим воздействием (наклеп). Такое искажение кристаллической решетки вызывает повышение уровня свободной энергии и появление микронапряжений. Снять эти напряжения можно при нагреве на 150—250 °С. Процесс этот часто называют возвратом (возврат к неискаженной кристаллической решетке).

Возникновение микронапряжений сказывается на свойствах стали — повышается прочность и снижается ударная вязкость, поэтому снятие микронапряжений приводит к некоторому снижению прочности и повышению ударной вязкости.

Явления, вызывающие макронапряжения, иные. Они связаны с неравномерностью или неодновременностью объемных изменений^ в стали. Объемные изменения, происходящие при термической обработке и сварке, связаны с термическим расширением стали при нагреве и с термическим сжатием при охлаждении. Другой причиной объемных изменений является изменение объема, сопровождающее структурные превращения в стали. Так,