Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита протекает в температурной области между перлитным и мартенситным превращениями. Кинетика этого превращения и получающиеся структуры имеют черты кинетики и структур, получаемых при диффузионном перлитном и бездиффузионном мартенситном превращениях: диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и мартенситное бездиффузионное превращение.

В результате бейнитного превращения образуется смесь альфа-фазы (феррита) и карбида, которая называется бейнитом.

Карбид в бейните не имеет пластинчатого строения, свойственного перлиту. Карбидные частицы в бейните очень дисперсны, их можно видеть только под электронным микроскопом.

Различают верхний и нижний бейниты, образующиеся соответственно в верхней и нижней частях промежуточного интервала температур (условная граница между ними 350 °С). Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний — игольчатое, мартенситоподобное строение.

Пластичность при переходе из перлитной области в бейнитную (верхний бейнит) падает, а затем с понижением температуры вновь возрастает (нижний бейнит). Снижение пластичности в области верхнего бейнита связано с выделением сравнительно грубых карбидов преимущественно по границам ферритных кристаллов. В нижнем же бейните частицы карбидов расположены внутри кристаллов альфа-фазы, и поэтому при высокой прочности в стали с верхним бейнитом сохраняется высокая вязкость.

Отжиг стали

 

Отжигом называет термическая обработка стали, заключающаяся в нагревании стали до определенной температуры, выдержки при этой температуре и последующем медленном охлаждении. Снижая твердость, и повышая пластичность и вязкость стали за счет получения равновесной мелкозернистой структуры, отжиг позволяет:

- улучшить обрабатываемость заготовок давлением и резанием;

- исправить структуру сварных швов, перегретой при обработке давлением и литьем стали;

- подготовить структуру к последующей термической обработке.

Отжиг первого рода.

Диффузионный (гомогенизирующий)отжиг. Применяется для устранения ликвации, выравнивания химического состава стали по объему слитка.

Температура нагрева зависит от температуры плавления и равна 0,8∙Т_пл. Продолжительность выдержки от 8 до 20 часов.

Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации. Температура нагрева равна 0,4∙Т_пл. Продолжительность зависит от габаритов изделия.

Отжиг для снятия напряжений после горячей обработки (литья, сварки, обработки резанием) в случаях, когда требуется высокая точность закалки.

Температура изделия выбирается в зависимости от назначения и находится в широком диапазоне от 160 до 700 ^оС. Продолжительность зависит от габаритов изделия.

Детали прецензионных станков, (ходовые винты, высоконагруженные зубчатые колеса, червяки) отжигают после основной механической обработки при температуре 570…600 ^оС в течении 2…3 часов, а после окончательной механической обработки, для снятия шлифовочных напряжений – при температуре 160…180 ^оС в течении 2…2,5 часов.

Отжиг второго рода предназначен для изменения фазового состава.

Является подготовительной операцией, которой подвергаются отливки, поковки, прокат. Отжиг снижает прочность и твердость, улучшает обрабатываемость резанием, средне – и высокоуглеродистых сталей. Измельчает зерно, снижает внутренние напряжения, уменьшает структурную неоднородность, способствует повышению пластичности и вязкости.

В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отжига:

Полный – с температурой нагрева на 30…50 ^oС выше критической температуры А₃. Проводится для доэвтектоидных сталей с целью исправления структуры.

При такой температуре отжига аустенит получается мелкозернистый, и после охлаждения сталь имеет мелкозернистую структуру.

Неполный – с температурой нагрева 30…50 ^oС выше критической температуры А₁.

Применяется для заэвтектоидных сталей. При таком нагреве в структуре сохраняется цементит, который в результате отжига приобретает шаровидную форму. Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой ломается цементитная сетка. Структуры с зернистым цементитом лучше обрабатываются, и имеют лучшую структуру после закалки. Неполный отжиг является обязательным для инструментальных сталей.

Иногда неполный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей, если не требуется изменение структуры (сталь изначально мелкозернистая), а необходимо только понизить твердость для улучшения обрабатываемости резанием.

Циклический или маятниковый отжиг применяют, если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым. В этом случае после нагрева выше 727 ^оС следует охлаждение до 680 ^оС, затем снова нагрев до температуры 750…760 ^оС и охлаждение. В результате получают зернистый цементит.

Изотермический отжиг – после нагрева изделие быстро охлаждают до температуры на 50…100 ^oС ниже критической температуры А₁ и выдерживают до полного превращения аустенита в перлит, затем охлаждают на спокойном воздухе. Температура изотермической выдержки близка к температуре минимальной устойчивости аустенита.

В результате получают более однородную структуру, так как превращение происходит при одинаковой степени переохлаждения. Значительно сокращается длительность процесса. Данный вид отжига применяется для изотермических сталей.

Нормализация – одна из разновидностей отжига, заключающаяся в нагревании изделия до аустенитного состояния, на 30…50 ^oС выше А₃ или А_ст с последующим охлаждением на воздухе.

В результате нормализации получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе первичной обработки. Твердость и прочность несколько выше, чем после полного отжига.

В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита.

Нормализацию применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру или как окончательную обработку, например при изготовлении сортового проката. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском. В этом случае механические свойства несколько ниже, но изделие подвергается меньшей деформации, исключаются трещины.

Закалка стали

 

Закалкой называется термическая обработка стали, заключающаяся в ее нагреве и быстром охлаждении.

Конструкционные стали подвергаются закалке и отпуску для повышения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, а инструментальные – для повышения твердости и износостойкости.

Верхний предел температур нагрева для заэвтектоидных сталей ограничивается, так как приводит к росту зерна, что снижает прочность и сопротивление хрупкому разрушению.

Основными параметрами являются температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства. По опытным данным на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5…2 мин.; в пламенной печи – 1 мин.; в соляной ванне – 0,5 мин.; в свинцовой ванне – 0,1…0,15 мин.

По температуре нагрева различают следующие виды закалки:

- полная, с температурой нагрева на 30…50 ^o С выше критической температуры А₃. Применяется для доэвтектоидных сталей. Изменение структуры стали при нагреве и охлаждении происходит по схеме: П+Ф-->нагрев-->А-->охлаждение-->М.

Закалка при более низкой температуре нагрева для доэвтектоидных сталей недопустима, так как в соответствии со схемой: П+Ф-->нагрев-->А+Ф-->охлаждение-->М +Ф в структуре стали остается мягкий феррит.

- неполная с температурой нагрева на 30…50 ^o С выше критической температуры А₁. Применяется для заэвтектоидных сталей. Изменение структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме: П+Ц-->нагрев-->А+Ц-->охлаждение-->М +Ц.

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита. Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму.