Превращения аустенита при охлаждении

При относительно невысоких скоростях охлаждения происходит превращение аустенита в перлитные структуры. При этом решетка ГЦК перестраивается в ОЦК, а избыточный углерод выделяется в виде кристаллов цементита.

Это превращение протекает в области температур . Чем больше степень переохлаждения, тем выше степень дисперсности получаемой структуры. Различают перлит (размер пластинок ), сорбит () и тростит ().

С увеличением дисперсности растет прочность и твердость сталей, но снижается ударная вязкость и пластичность. Лучшим сочетанием механических свойств для работы в условиях динамических нагрузок обладают сорбитные стали.

Если скорость охлаждения аустенита превышает критическую и аустенит переохлаждается ниже , то диффузионные процессы подавляются и избыточный углерод остается в ОЦК-кристаллической решетке. Пересыщенный твердый раствор углерода в с той же концентрацией углерода, что и в исходном аустените, называется мартенситом. Наличие в кристаллической решетке избыточного углерода вызывает ее искажения, дробление блоков, фазовый наклеп и большие микронапряжения.

Вследствие этого мартенсит имеет низкую пластичность и высокую твердость. Образование мартенсита соответствует закалке. Мартенсит имеет характерную игольчатую структуру.

Интересно, что мартенситное превращение, как правило, не проходит до конца и в структуре стали остается некоторое количество аустенита. Это связано с тем, что температура точки конца мартенситного превращения ниже комнатной; она снижается с увеличением концентрации углерода.

В температурной области образуется бейнит - структура, занимающая среднее положение между перлитом и мартенситом.

В лабораторных исследованиях проводят как непрерывное охлаждение (погружением образца металла в воду, масло и т.д.), так и изотермическое (помещением образца материала в печь с некоторой постоянной температурой).

Превращения, протекающие при нагреве закаленной стали

Закаленная сталь, наряду с большим пределом прочности и высокой твердостью, обладает пониженной ударной вязкостью и, соответственно, повышенной хрупкостью. Для ее снижения сталь после закалки подвергают отпуску.

Отпуск заключается в нагреве закаленных сталей до температур ниже с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением.

Зарождение карбидов происходит при нагреве до температуры . При этом вначале появляются участки с повышенной концентрацией углерода, на которых далее образуются зародыши карбидной фазы. Такую фазу называют мартенситом отпуска.

Обособление карбидов в самостоятельные кристаллы осуществляется при нагреве до . При этой температуре происходит также превращение остаточного аустенита в мартенсит отпуска.

Коагуляция карбидов происходит в интервале . Скорость диффузии значительно увеличивается, весь избыточный углерод постепенно выделяется из решетки , мелкие кристаллы карбидов сливаются в более крупные. Образуется тростит отпуска.

Более высокий нагрев приводит к росту карбидов. При их размер составляет (сорбит отпуска). При нагреве до получают перлит отпуска с размером частиц . С повышением температуры отпуска прочностные свойства стали понижаются, а пластичность растет.

Помимо общей тенденции к повышению ударной вязкости при отпуске, может произойти ее заметное снижение, которое называется отпускной хрупкостью.

Понижение ударной вязкости после отпуска при наблюдается у всех сталей и называется отпускной хрупкостью первого рода. Ее причина – неоднородность распада аустенита и выделения цементита по объему детали. Отпускная хрупкость второго рода наблюдается у легированных сталей после отпуска при из-за обособления легированных карбидов по границам зерен. Подавить появление отпускной хрупкости можно быстрым охлаждением с температуры отпуска.

 

Лекция 8. Технология термической обработки

Виды термической обработки

К основным видам термообработки стали относятся отжиг, закалка, отпуск и нормализация.

Отжиг

Отжиг – вид термической обработки, в ходе которой металл подвергается медленному нагреву, выдержке и медленному охлаждению (чтобы избежать возникновение новых термических напряжений). Сплав получает равновесную структуру, снимаются внутренние напряжения. Отжиг вызывает разупрочнение и повышение пластичности. По назначению выделяют несколько видов отжига.

Диффузионный отжиг (см. 5.1) проводится при температуре (на ниже температуры линии солидус).

Рекристаллизационный отжиг (см. 3.3) осуществляется при температуре .

Отжиг для снятия внутренних напряжений используют после ковки, сварки, литья. Температура нагрева - .

Сфероидизирующий отжиг применяют в основном для инструментальных сталей.

В ходе проведения этого вида термообработки цементит перлита приобретает округлую форму, что улучшает обрабатываемость резанием и является подготовкой к закалке. Температура нагрева - .

Изотермический отжиг – вид отжига, при котором изделия после нагрева помещают в соляную ванну с температурой, обеспечивающей получение нужной структуры в соответствии с диаграммой изотермического распада аустенита (см. 7.3).

 

Закалка

Закалка заключается в нагреве стали до температур, обеспечивающих получение аустенитной структуры, которая при быстром охлаждении превращается в мартенсит. Доэвтектоидные стали нагревают под закалку до температур на выше точки (полная закалка), а эвтектоидные и заэвтектоидные – выше точки (неполная закалка).

На практике используют несколько закалочных сред.

Вода обеспечивает высокую скорость охлаждения () и применяется для углеродистой и низколегированной сталей, имеющих высокую критическую скорость.

Водные растворы () обладают наиболее высокой охлаждающей способностью, т.к. их использование исключает образование «паровой рубашки», которая снижает закалочную способность чистой воды. Резкое охлаждение в воде и ее растворах способно привести к образованию закалочных дефектов: трещин, коробления и т.д.

Масло как закалочная среда обеспечивает небольшую скорость охлаждения () в мартенситном интервале температур, что уменьшает вероятность образования закалочных дефектов. Недостатками являются повышенная воспламеняемость и заметная стоимость. Масло применяется для закалки легированных сталей и мелких заготовок из легированной стали.

Воздух (скорость охлаждения ) является закалочной средой для высоколегированных сталей, имеющих низкую критическую скорость.

Существует несколько способов закалки. Наиболее простой – закалка в одном охладителе (1). Более сложные способы закалки используются (как правило, для легированных сталей) для предотвращения закалочных дефектов.

При закалке в двух средах (2) после нагрева изделие погружается в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение температурного района минимальной устойчивости аустенита, а затем переносится в более мягкую охлаждающую среду, обычно масло.

При ступенчатой закалке (3) нагретое изделие переносят в жидкую среду, имеющую температуру на выше точки для закаливаемой стали, выдерживают некоторое время, необходимое для выравнивания температуры по сечению, а затем окончательно охлаждают на воздухе.

Изотермическая закалка (4) применяется, если желательно получить структуру нижнего бейнита. В этом случае изделие переносят в ванну с расплавленными солями, имеющими температуру на выше точки начала мартенситного превращения, выдерживают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и охлаждают на воздухе.

Для устранения остаточного аустенита (см. 7.3) высокоуглеродистые и многие легированные стали сразу же после закалки подвергают охлаждению в область отрицательных температур.

Способность той или иной марки стали принимать закалку характеризуют два свойства:

· закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки. Она положительно коррелирует с содержанием углерода. Эффект закаливания заметен при содержании и выше;

· прокаливаемость – способность стали получать слой с мартенситной или полумартенситной структурой ( мартенсита и тростита) на определенную глубину. Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость стали. Легированные () стали имеют меньшую критическую скорость и, соответственно, прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Снижают прокаливаемость , наличие нерастворимых частиц (карбидов, оксидов), а также уменьшение зерна стали.

Для машиностроительных деталей, работающих на растяжение, а также пружин и рессор требуется, чтобы после закалки структура по всему сечению состояла из мартенсита. Это обеспечивает однородную структуру и высокие свойства после отпуска. Для деталей машин, работающих на изгиб и кручение, прокаливаемость должна составлять половину сечения детали.

 

Нормализация

При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают на выше температуры точки , заэвтектоидную – на выше точки , и после выравнивания температуры по сечению детали охлаждают на воздухе. По режиму нормализация является промежуточной операцией между отжигом и закалкой. Цель нормализации – получение мелкозернистой однородной структуры; частичное снижение внутренних напряжений; улучшение штампуемости и обрабатываемости резанием; устранение цементитной сетки в структуре заэвтектоидных сталей.

 

Отпуск

После низкого отпуска () закаленная сталь сохраняет высокую твердость и износостойкость, а ударная вязкость повышается незначительно. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий инструмент из углеродистой и низколегированной стали, а также детали, прошедшие поверхностную закалку или прочие виды поверхностного упрочнения.

Среднетемпературный отпуск () обеспечивает высокий предел текучести и предел выносливости (см. 10.3). Его применяют для пружин, рессор и штампов. Охлаждение полезно проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости.

Высокотемпературному отпуску () подвергают среднеуглеродистые конструкционные стали (), к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и ударной вязкости, поэтому термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.