Вопрос №15 Мартенситное превращение. Структура мартенсита. Способы получения. Влияние состава на мартенситную точку.

Мартенсит является частично упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения С в α –железе.

Мартенситное превращение обычно начинается сразу при температуре М_Н и протекает не в изотермических условиях, а при непрерывном охлаждении в интервале температур. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры М_Н. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение останавливается (в отличие от перлитного). Чем ниже температура охлаждения в интервале М_Н – М_К, тем больше образуется мартенсита. При этом его количество возрастает в результате образования все новых и новых кристаллов, а не вследствие роста уже возникших кристаллов и уже имеющих некогерентную границу. По достижении опред. для каждой стали темп-ры превращение аустенита в мартенсит прекращается (М_К). Положение точек М_Н и М_К не зависит от скорости охлаждения и обусловлено хим. составом аустенита. Чем больше в аустените С, тем ниже температура точек М_Н и М_К. Все легирующие элементы (кроме Co и Al), понижают М_Н и М_К . Мартенситное превращение не протекает до конца. Поэтому в закаленной стали, особенно, когда М_К ниже 20⁰С, присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температура М_Н и М_К, т.е., чем выше содержание в аустените С и легирующих элементов.

Если задержать на некоторое время охлаждение при температуре, лежащей выше температуры окончания мартенситного превращения, то аустенит, сохранившийся непревращенным при охлаждении до этой температуры, становится более устойчивым. Подобная стабилизация аустенита выражается в том, что при последующем понижении температуры превращение аустенита в мартенсит протекает с трудом. Оно происходит при более низкой температуре (глубоком охлаждении) и менее интенсивно. Количество образующегося в итоге мартенсита оказывается меньше, чем при непрерывном охлаждении до М_К. Это явление стабилизации проявляется более сильно в интервале температур М_Н - М_К и зависит от температуры, при которой задерживалось охлаждение. Явление стабилизации иногда объясняют релаксацией напряжений, которые стимулируют мартенситное превращение.

Характерной особенностью мартенсита является его высокая твёрдость и прочность. Твёрдость возрастает с увеличением в нем содержания С. Высокая твердость мартенсита объясняется влиянием внедренных атомов С в решетку альфа-фазы, созданием микро- и субмикроскопической неоднородностью строения с повышенной плотностью дефектов кристаллического строения.

Хрупкость мартенсита (при С > 0.35-0.4 %) связана с пониженной пожвижностью заблокированных дислокаций, что уменьшает возможность пластической релаксации в местах концентрации напряжений.

Мартенсит по сравнению с другими структурными составляющими стали и особенно с аустенитом имеет наибольший удельный объем. Увеличение удельного объема при образовании мартенсита является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.

Рис. Влияние содержания углерода в стали на температуру начала М_н и конца M_к мартенситного превращения

Вопрос №16 Цементация в твердом карбюризаторе. Стали, структура слоя, упрочнение слоя, контроль качества.

Цементация (науглероживание) – ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде – карбюризаторе. В процессе тв. Ц насыщающей средой является древесный уголь в зернах поперечником 3,5 – 10 мм или каменно-угольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы: BaCO₃ или Na₂CO₃ в количестве 10-40 % от массы угля. Для предотвращения спекания частиц карбюризатора добавляют ~ 3,5% CaCO₃. Рабочую смесь, применяемую для Ц составляют из 25-35% свежего карбюризатора и 65-75% отработанного. В такой смеси содержание BaCO₃ составляет 5-7%, что обеспечивает требуемую толщину слоя и исключает образование грубой цементитной сетки на поверхности.

Детали, подлежащие Ц., после предварительной очистки укладываются в ящики: сварные стальные (реже литые чугунные). На дно ящика насыпают слой карбюризатора толщиной 20-30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояние между ними и до боков стенок ящика 10-15 мм. Затем засыпают и утрамбовывают слой карбюризатора 10-15 мм, на него укладывают другой ряд деталей и т.д. Последний ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35-40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную его усадку. После этого ящик закрывают, кромки крышки обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка, и помещают в печь.

Нагрев до температуры Ц. (910-930⁰) составляет 7-9 минут на каждый см минимального размера ящика.

Продолжительность выдержки для ящика с минимальным размером 150мм составляет 5,5-6,5 часов для слоя толщиной 700-900 мкм и 9-11 часов для слоя толщиной 1200-1500 мкм.

После Ц. ящики охлаждают на воздухе до 400-500⁰ и затем раскрывают.

Ц. стали осуществляется атомарным С, который образуется следующим образом. В ящике имеется воздух, кислород которого при высокой температуре взаимодействует с С карбюризатора, образуя CO. CO в присутствие железа при температуре Ц. диссоциирует 2CO→CO₂ + C_ат . Затем С_ат →Fe_γ → Fe_γ(С) – аустенит. Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу в цементованном ящике CO: BaCO₃+C BaO + 2CO.

Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемые после Ц. Назначение Ц. и последующей ТО – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.

Для Ц. обычно исп-ют низкоуглеродистые (0,1-0,18% С), чаще легированные стали. Для Ц. крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием С (0,2-0,3%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия не насыщающаяся углеродом при Ц., сохранила высокую вязкость после закалки.

После медленного охлаждения цементуемый слой состоит из 3-х зон: заэвтектоидная (П+Ц_II), эвтектоидная (П_{платсинч}), доэвтектоидная (П+Ф) – количество Ф здесь непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине. За эффективную толщину цементованного слоя принимают Σ эвтектоидной, заэвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон до содержания 0,4-0,45 % С , что соответствует 50 HRC.

Вопрос №17 Бейнитное превращение. Примеры деталей. Назначение, свойства, способы обработки.

При температуре ниже 550 ^oС самодиффузия атомов железа практически не происходит, а атомы углерода обладают достаточной подвижностью.

Механизм превращения состоит в том, что внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода и участки аустенита, обогащенные углеродом превращаются в цементит.

Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по сдвиговому механизму, путем возникновения и роста зародышей феррита. Образующиеся при этом кристаллы имеют игольчатую форму.

Такая структура, состоящая из цементита и феррита, называется бейнитом. Особенностью является повышенное содержание углерода в феррите (0.1…0.2 %).

Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависят от температуры превращения.

При температуре мм – верхний бейнит. Структура характеризуется недостаточной прочностью, при низких относительном удлинении ( ) и ударной вязкости ( ).

При температуре 300^oС – – нижний бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.

Вопрос №18 Технология газовой цементации. Стали, структура слоя, контроль качества.

Этот процесс осуществляется нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. ГЦ имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в тв. карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготавляющих детали массовыми партиями.

В случае ГЦ можно получить заданную концентрацию С в слое; сокращается длительности процесса, т.к. отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором, обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая обработка деталей, т.к. закалку модно проводить непосредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана (СН₄) и пропанбутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеводородов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является 2СО→СО₂+С_ат; С_ат →Fe_γ → аустенит Fe_γ(С). Процесс ведут при 910-930⁰С 6-12 часов (толщина слоя 1000-1700мкм). В серийном производстве Г.Ц обычно проводят в шахтных печах. Необходимая атмосфера создается при подача в камеру печи жидкостей, богатых углеродом (керосин, синтин, метанол и т.д.). При цементации в шахтных печах трудно регулировать концентрацию С в диффузионном слое и избежать обезуглероживания поверхности в процессе подстуживания перед закалкой, что снижает предел выносливости на 30-35%.

В крупносерийном и массовом производстве Г.Ц проводят в безмуфельных печах непрерывного действия, где весь цикл ХТО (цементация, закалка и низкий отпуск) полностью механизирован и автоматизирован. В печах непрерывного действия применяют эндотермическую атмосферу, в которую добавляют природный газ (около 3-5%). Эндотермическая атмосфера (20% СО, 40% Н₂, 40% N₂) получается частичным сжиганием природного газа или другого углеводорода в специальном эндотермическом генераторе при 1000-1200⁰С в присутствии катализатора и невысоком коэффициенте избытка воздуха (α=0,25). В генераторе протекают следующие реакции: CH₄+0,5(O₂+3,8N₂)→CO+2H₂+1,9N₂.

Основное преимущество эндотермичекой атмосферы – возможность автоматического регулирования углеродного потенциала, под которым понимают ее науглероживающую способность, обеспечивающую определенную концентрацию С на поверхности цементованного слоя. Для сокращения длительности процесса в промышленности углеродной потенциал атм. вначале поддерживают высоким, обеспечивающим получения в поверхностном слое детали 1,2-1,3% С, - активный период, а затем его снижают до 0,8% - диффузионный переиод.

В процессе Г.Ц в эндотермической атмосфере в сталь может диффундировать кислород. Это приводит к окислению Mn и Cr поверхностного слоя стали (20-30 мкм), обладающих большим химическим сродством к кислороду по сравнению с железом. Окисление легирующих элементов («внутреннее окисление») снижает усталость аустенита, и при последующей закалке в цементованном слое образуется трооститная сетка, что понижает механические свойства цементуемых деталей.

Для устранения внутреннего окисления рекомендуется использовати стали, легированные Ni и Mo, не склонные к внутреннему окислению.