улучшаемые легированные стали. изменение структуры и свойств в результате термической обработки.
Улучшаемые легированные стали.
Улучшаемые легированные стали применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладоломкости.
Термическая обработка
металлов, процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и др.
Классификация видов Т. о. основывается на том, какого типа структурные изменения в металле происходят при тепловом воздействии. Т. о. металлов подразделяется на собственно термическую, заключающуюся только в тепловом воздействии на металл, химико-термическую, сочетающую тепловое и химическое воздействия, и термомеханическую, сочетающую тепловое воздействие и пластическую деформацию. Собственно термическая обработка включает следующие виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку без полиморфного превращения и с полиморфным превращением, старение и отпуск.
Отжиг 1-го рода (гомогенизационный, рекристаллизационный и для уменьшения остаточных напряжений) частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния структуры, возникшие при литье, обработке давлением, сварке и др. технологических процессах. Процессы, устраняющие отклонения от равновесного состояния, идут самопроизвольно, и нагрев при отжиге 1-го рода проводят лишь для их ускорения. Основные параметры такого отжига — температура нагрева и время выдержки. В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают разновидности отжига 1-го рода. Гомогенизационный отжиг (см. Гомогенизация) предназначен для устранения последствий дендритной ликвации (См. Ликвация), в результате которой после кристаллизации внутри кристаллитов твёрдого раствора химический состав оказывается неоднородным и, кроме того, может появляться неравновесная фаза, например химическое соединение, охрупчивающее сплав. При гомогенизационном отжиге Диффузия приводит к растворению неравновесных избыточных фаз, в результате чего сплав становится более гомогенным (однородным). После такого отжига повышаются пластичность и стойкость против коррозии. Рекристаллизационный отжиг устраняет отклонения в структуре от равновесного состояния, возникающие при пластической деформации. При обработке давлением, особенно холодной, металл наклёпывается — его прочность возрастает, а пластичность снижается из-за повышения плотности дислокаций (См. Дислокации) в кристаллитах. При нагреве наклёпанного металла выше некоторой температуры развивается первичная и затем собирательная Рекристаллизация, при которой плотность дислокаций резко снижается. В результате металл разупрочняется и становится пластичнее. Такой отжиг используют для улучшения обрабатываемости давлением и придания металлу необходимого сочетания твёрдости, прочности и пластичности. Как правило, при рекристаллизационном отжиге стремятся получить бестекстурный материал, в котором отсутствует Анизотропия свойств. В производстве листов из трансформаторной стали рекристаллизационный отжиг применяют для получения желательной текстуры металла (См. Текстура металла), возникающей при рекристаллизации. Отжиг, уменьшающий напряжения, применяют к изделиям, в которых при обработке давлением, литье, сварке, термообработке и др. технологических процессах возникли недопустимо большие остаточные напряжения, взаимно уравновешивающиеся внутри тела без участия внешних нагрузок. Остаточные напряжения могут вызвать искажение формы и размеров изделия во время его обработки, эксплуатации или хранения на складе. При нагревании изделия предел текучести снижается и, когда он становится меньше остаточных напряжений, происходит быстрая их разрядка путём пластического течения в разных слоях металла.
Отжиг 2-го рода применим только к тем металлам и сплавам, в которых при изменении температуры протекают фазовые превращения. При отжиге 2-го рода происходят качественные или только количественные изменения фазового состава (типа и объёмного содержания фаз) при нагреве и обратные изменения при охлаждении. Основные параметры такого отжига — температура нагрева, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения. температуру и время отжига выбирают так, чтобы обеспечить необходимые фазовые изменения, например полиморфное превращение (см. Полиморфизм) или растворение избыточной фазы. При этом обычно следят за тем, чтобы не выросло крупное зерно фазы, стабильной при температуре отжига. Скорость охлаждения должна быть достаточно мала, чтобы при понижении температуры успели пройти обратные фазовые превращения, в основе которых лежит диффузия. При отжиге 2-го рода изделия охлаждают вместе с печью или на воздухе. В последнем случае процесс называется нормализацией (См. Нормализация). Отжиг 2-го рода применяют чаще всего к стали для общего измельчения структуры, смягчения и улучшения обрабатываемости резанием.
Закалка без полиморфного превращения применима к любым сплавам, в которых при нагревании избыточная фаза полностью или частично растворяется в основной фазе. Важнейшие параметры процесса — температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Скорость охлаждения должна быть настолько большой, чтобы избыточная фаза не успела выделиться (процесс выделения фазы обеспечивается диффузионным перераспределением компонентов в твёрдом растворе). Это условие выполняется, если дуралюмин и медные сплавы закаливают в воде; магниевые же сплавы и некоторые аустенитные стали можно закаливать с охлаждением на воздухе. В результате закалки образуется пересыщенный твёрдый раствор. Закалка без полиморфного превращения может как упрочнять, так и разупрочнять сплав (в зависимости от фазового состава и особенностей структуры в исходном и закалённом состояниях). Алюминиевые сплавы с магнием (см. Магналии) закаливают для повышения прочности; у бериллиевой бронзы же после закалки прочность оказывается ниже, а пластичность выше, чем после отжига, и закалку этой бронзы можно использовать для повышения пластичности перед холодной деформацией. Основное назначение закалки без полиморфного превращения — подготовка сплава к старению (см. ниже).
Закалка с полиморфным превращением применима к любым металлам и сплавам, в которых при охлаждении перестраивается Кристаллическая решётка. Основные параметры процесса — температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Нагрев производят до температуры выше критической точки, чтобы образовалась высокотемпературная фаза. Охлаждение должно идти с такой скоростью, чтобы не происходило «нормального» диффузионного превращения и перестройка решётки протекала по механизму бездиффузионного мартенситного превращения (См. Мартенситное превращение). При закалке с полиморфным превращением образуется Мартенсит, и поэтому такую термообработку называют закалкой на мартенсит. Углеродистые стали закаливают на мартенсит в воде, а многие легированные, в которых диффузионные процессы протекают замедленно, можно закаливать на мартенсит с охлаждением в масле и даже на воздухе. Основная цель закалки на мартенсит — повышение твёрдости и прочности, а также подготовка к отпуску. Сильное упрочнение сталей при закалке на мартенсит обусловлено образованием пересыщенного углеродом раствора внедрения на базе α-железа, появлением большего числа двойниковых прослоек и повышением плотности дислокаций при мартенситном превращении, закреплением дислокаций атомами углерода и дисперсными частицами карбида, которые могут выделяться на дислокациях в местах сегрегации углерода. Углеродистые стали при закалке на мартенсит резко охрупчиваются. Основная причина этого — малая подвижность дислокаций в мартенсите. Безуглеродистые железные сплавы после закалки на мартенсит остаются пластичными.
Старение применимо к сплавам, которые были подвергнуты закалке без полиморфного превращения. Пересыщенный твёрдый раствор в таких сплавах термодинамически неустойчив и склонен к самопроизвольному распаду. Старение заключается в образовании путём диффузии внутри зерен твердого раствора участков, обогащенных растворённым элементом (зон Гинье — Престона) и (или) дисперсных частиц избыточных фаз, чаще всего химических соединений. Эти зоны и дисперсные частицы выделившихся фаз тормозят скольжение дислокаций, чем и обусловлено упрочнение при старении. Стареющие сплавы называют поэтому дисперсионно-твердеющими. Основные параметры старения — температура и время выдержки. С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы распада пересыщенного твёрдого раствора, и сплав быстрее упрочняется. Начиная с определённой выдержки, при достаточно высокой температуре происходит перестаривание — снижение прочности сплава. Причиной перестаривания является коагуляция дисперсных выделений из раствора, которая заключается в растворении более мелких и росте более крупных частиц выделившейся фазы. В результате коагуляции расстояние между этими частицами возрастает и торможение дислокаций в зёрнах твёрдого раствора уменьшается. Одни сплавы, например дуралюмины, после закалки сильно упрочняются уже во время выдержки при комнатной температуре (естественное старение). Большинство сплавов после закалки нагревают, чтобы ускорить процессы распада пересыщенного твёрдого раствора (искусств. старение). Иногда проводят ступенчатое старение с выдержкой вначале при одной, а затем при другой температуре. Старение применяют главным образом для повышения прочности и твёрдости конструкционных материалов (алюминиевых, магниевых, медных, никелевых сплавов и некоторых легированных сталей), а также для повышения коэрцитивной силы магнитно-твёрдых материалов. Время выдержки для достижения заданных свойств в зависимости от состава сплава и температуры старения колеблется от десятков мин до нескольких сут.
Отпуску подвергают сплавы, главным образом стали, закалённые на мартенсит. Основные параметры процесса — температура нагрева и время выдержки, а в некоторых случаях и скорость охлаждения (для предотвращения отпускной хрупкости). В сталях мартенсит является пересыщенным раствором, и сущность структурных изменений при отпуске та же, что и при старении, — распад термодинамически неустойчивого пересыщенного раствора. Отличие отпуска от старения связано прежде всего с особенностями субструктуры мартенсита, а также с поведением углерода в мартенсите закалённой стали. Для мартенсита характерно большое число дефектов кристаллического строения (дислокаций и др.). Атомы углерода быстро диффундируют в решётке мартенсита и образуют на дислокациях сегрегации, а возможно и дисперсные частицы карбида сразу после закалки или даже в период закалочного охлаждения. В результате закалённая сталь оказывается в состоянии максимального дисперсного твердения или в близком к нему состоянии. Поэтому при выделении из мартенсита дисперсных частиц карбида во время отпуска прочность и твёрдость стали или вообще не повышаются, или достигается лишь незначительное упрочнение. Уменьшение же концентрации углерода в мартенсите при выделении из него карбида является причиной разупрочнения мартенсита. В итоге отпуск сталей, как правило, приводит к снижению твёрдости и прочности с одновременным ростом пластичности и ударной вязкости. Отпуск безуглеродистых железных сплавов, закалённых на мартенсит, может приводить к сильному дисперсионному твердению из-за выделения из пересыщенного раствора дисперсных частиц интерметаллических соединений. Причина упрочнения при этом та же, что и при старении. Термины «отпуск» и «старение» часто используют как синонимы.
Т. о., вызывая разнообразные по природе структурные изменения, позволяет управлять строением металлов и сплавов и получать изделия с требуемым комплексом механических, физических и химических свойств. Благодаря этому, а также простоте и дешевизне оборудования Т. о. является самым распространённым в промышленности способом изменения свойств металлических материалов.
На металлургических заводах применяют гомогенизационный отжиг слитков для повышения их пластичности перед обработкой давлением, рекристаллизационный отжиг листов, лент, труб и проволоки для снятия наклёпа между операциями холодной обработки давлением и после неё, закалку, отпуск, старение и термомеханическую обработку для упрочнения проката и прессованных изделий. На машиностроительных заводах отжигают поковки и др. заготовки для уменьшения твёрдости и улучшения обрабатываемости резанием, применяют закалку, отпуск, старение и химико-термическую обработку разнообразных деталей машин, а также инструмента для повышения их прочности, твёрдости, ударной вязкости, сопротивления усталости и износу и отжигают изделия для уменьшения остаточных напряжений. В приборостроении, электротехнической и радиотехнической промышленности с помощью отжига, закалки, отпуска и старения изменяют механические, электрические, магнитные и др. физические свойства металлов и сплавов.
Диаграмма состояния сплава железо-цементит. Свойства компонентов, фаз, структурных составляющих. Стали. Классификация сталей по назначению, маркировка.
8.2. Диаграмма состояния железо - цементит (метастабильное равновесие)
На диаграмме состояния железо - цементит даны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 %).
Система железо - цементит метастабильна. На диаграмме железо цементит точка А (15390С) отвечает температуре плавления железа. Линия FKL соответствует цементиту, на базе которого возможно образование твердого раствора. Точки N (13920С) и G (9100С) соответствуют полиморфному превращению a«g .
Концентрация углерода для характерных точек диаграммы состояния
Обозначение точки на диаграмме Температура 0С Концентрация углерода, %
A 1536 0
B 1499 0,51
H 1499 0,10
J 1499 0,16
N 1392 0
E 1147 2,14
C 1147 4,30
F 1147 6,67
D 1800 6,67
G 911 0
P 727 0,02
S 727 0,8
K 727 6,67
Q 600 0,01
L 600 6,67
Кристаллизация сплавов Fe - Fe3C. Линия диаграммы состояния железо - цементит, определяющие процесс кристаллизации, имеют следующие обозначения и физический смысл.
АВ (линия ликвидус) показывает температуру, ниже которой происходит кристаллизация d - феррита (Фd) из жидкого сплава (Ж); ВС (линия ликвидус) соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава (Ж); СD (линия ликвидус) соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe3CI) из жидкого сплава (Ж); АН (линия ликвидус) является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов d - феррита (Ф); ниже этой линии существует только d - феррит; HJB- линия перитектического нонвариантного (C = 0 ) равновесия (14900C); по достижении температуры, соответствующей линии HJB, протекает перитектическая реакция (жидкость состава точки в взаимодействует с кристаллами d - феррита состава точки Н с образование аустенита состава точки J):
ЖB + ФH ® АJ
Линия ECF (линия ликвидус) соответствует кристаллизации эвтектики - ледебурит:
ЖC ® АE + Fe3C
Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов. Так в сплавах содержащих до 0,1 % С , кристаллизация заканчивается при температурах, соответствующих линии АН, с образование d - феррита. В сплавах, содержащих 0,1 - 0,16 %С , по достижении температур, отвечающих линии АВ, из жидкой фазы начинаются выделяться кристаллы d - феррита, и сплав становится двухфазным. Состав d - феррита при понижении температуры меняется про линии солидус, а состав жидкого сплава - по линии ликвидус. При температуре 14900С в равновесии находятся d - феррита состава точки Н (0,1 %С) и жидкая фаза состава точки В (0,51 % С).
При этой температуре протекает перитектическое превращение ЖВ + ФН ® ФН + АJ , в результате которой образуется двухфазная структура d - феррит (Ф) + g твердый раствор (А). В сплаве, содержащей 0,16 %С ( точка J) , исходные кристаллы твердого раствора d - феррита в результате взаимодействия с жидкой фазой при перитектической реакции полностью превращается в аустенит:
ЖВ + ФН ® АJ
В сплавах, содержащих от 0,15 до 0,5 %С при перитектической температуре в результате взаимодействия между d- ферритом и жидкой фазой образуется аустенит, но некоторое количество жидкой фазы остается: ЖВ + ФН ® ЖВ + АJ.
Поэтому при температурах ниже линии JB сплав будет двух фазным: аустенит + жидкость. Процесс кристаллизации закончится по достижении температур, соответствующих линии солидус JE . После затвердевания сплавы приобретают однофазную структуру - аустенит.
Сплавы, содержащие от 0,51 до 2,14 % С, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями BC и JE . Ниже линии ВС сплавы состоят из жидкой фазы и аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус, а аустенита - по линии солидус. После затвердевания (ниже линии солидус) сплавы получают однофазную структуру - аустенит.
При температуре 11470С аустенит достигает предельной концентрации, соответствующей точке Е (2,14 %С) , а оставшаяся жидкость - эвтектического состава точки С (4,3%С).
При температуре эвтектики ( линия ECF) существует нонвариантное равновесие (С = 0) аустенита состава точки Е (АЕ), цементита состава точки F (Fe3C) и жидкой фазы состава точки С (ЖС). В результате кристаллизации жидкого сплава состава точки С (4,5 % С) образуется эвтектика - ледебурит, состоящий в момент образования из аустенита состава точки Е и цементита состава точки F.
ЖС ® АЕ + Fe3C
Доэвтектические сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит (А + Fe3C). Эвтектический сплав ( 4,3 % С) затвердевает при постоянной температуре с образованием только эвтектики - ледебурита.
Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит, представляющий собой пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита. Пластинчатый ледебурит состоит из тонких пластин цементита, разделенных аустенитом, и образуется при быстром охлаждении. Сотовое и пластинчатое строение не редко сочетается в пределах одной эвтектической колонии. Заэвтектические чугуны (4,3 - 6,67 % С) начинают затвердевать с понижением температуры по линии ликвидус CD , когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита, концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 11470С жидкость достигает эвтектической концентрации 4,3 %С ( точка С) и затвердевает с образованием ледебурита. После затвердевания заэвтектические чугуны состоят из первичного цементита и ледебурита.
Сплавы, содержащие до 2,14% С, называют сталью, а более 2,14 % С - чугуном. Принятое разграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените. Стали, после затвердевания, не содержат хрупкой структурной составляющей - ледебурита - и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и пониженных температурах, т.е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.
По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами и, в частности, более низкими и температурами плавления, имеет меньшую усадку, это объясняет присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики (ледебурита).
Фазовые и структурные изменения в сплавах железо -цементит после затвердевания. Превращения, протекающими в твердом состоянии, описываются следующими линиями. Линия NH - верхняя граница области существования двух фаз d - феррита и аустенита. Линия NJ - нижняя граница их существования. Верхняя граница области существования феррита (в парамагнитном существовании) и аустенита соответствует линия GO. Линия OS - верхняя граница области существования феррита (в ферромагнитном состоянии) и аустенита.
Температуры, соответствующие линии в условиях равновесия, принято обозначать А3 ( Аr3, Аc3 ).
В сталях, содержащих до 0,8 % C , полиморфное превращение протекает в интервале температур и сопровождается распределением углерода меду ферритом и аустенитом.
Линия предельной растворимости углерода в аустените SE при охлаждении соответствует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита, а при нагреве концу растворения вторичного цементита в аустените. Принято критические точки, соответствующие линии SE, обозначать Аcm. Линия GP при охлаждении отвечает температурам окончания превращения аустенита в феррит, а при нагреве - началу превращения феррита в аустенит.
Линия эвтектоидного превращения PSK при охлаждении соответствует распаду аустенита (0,8 % С) с образованием эвтектоида - ферритн-оцементитной структуры, получившей название перлит.
АS ® ФP + Fe3C
Температуры, соответствующие линии PSK при охлаждении обозначают Ar1, а при нагреве Aс1.
Сплавы, содержащие Ј 0,02 % С (точка P), называется техническим железом. Ниже линии GP (рис. 45а) существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении по достижению температур, соответствующих линии PQ из феррита выделяется цементит (третичный), что резко снижает его пластичность
Стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С, называют доэвтектоидными.
При более низких температурах (ниже линии GOS) по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут, превращаясь в зерна. Количество аустенита уменьшается, а содержание в нем углерода возрастает, так как феррит почти не содержит углерода (Ј 0,02 % С).
При понижении температуры состав аустенита меняется по линии GOS, а феррита - по линии GP.
Чем выше концентрация углерода в стали, тем меньше образуется феррита. По достижению температуры 7270С (A1) содержание в аустените достигает 0,8 % (точка S). Аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию, распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих перлит. При этом система нонвариантная С = 2 +1 -3 = 0.
После окончательного охлаждения доэвтектоидной стали имеют структуру феррит – перлит (рис. 45 б - е).
Чем больше в стали углерода, тем меньше феррита и больше перлита (феррит в виде оторочки вокруг зерен перлита).
Сталь, содержащую 0,8 % С , называют эвтектоидной. В этой стали, по достижении температуры 7270С весь аустенит превращается в перлит.
Перлит имеет чаще пластинчатое строение ( рис. 45 ж- з) , то есть из чередующих пластинок феррита и цементита. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение. В этом случае цементит образует сфероиды( рис. 45 и).
Сталь, содержащие от 0,8 до 2,14 % С, называют заэвтектоидными. Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит. При температурах, соответствующих линии ES, аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при понижении температуры из него выделяется вторичный цементит. Поэтому ниже линии ES сплавы становятся двухфазными (аустенит + вторичный аустенит). По мере выделения цементита концентрация в углероде в аустените уменьшается согласно линии ES.
После охлаждения заэвтектоидные стали состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки или в виде игл. Такой вид цементита делает сталь хрупкой, поэтому специальной термической обработкой и деформацией ему придают зернистую форму. Доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеет структуру: перлит, ледебурит ( перлит + цементит) и вторичный цементит. Эвтектический чугун содержит 4,3 % С, при температурах ниже линии 7270С состоит только из ледебурита (перлит + цементит). За эвтектический чугун состоит из первичного цементита и ледебурита. С повышение концентрации количество цементита возрастает.