Методические указания к лабораторной работе № 4 влияние легирующих элементов на превращения при отпуске стали

по дисциплине

Машиностроительные материалы

Направление подготовки: 150100 "Металлургия"

Специальность: 150105

«Металловедение и термическая обработка металлов»

Форма обучения: очная

Тула 2010

Методические указания к лабораторным работам составлены доцентом Мельниченко Н.В. и обсуждены на заседании кафедры ФММ ЕН факультета

протокол № 1 от « 1 » сентября 2010 г.

Зав. кафедрой _______________Г.В. Маркова

Методические указания к лабораторным работам пересмотрены и утверждены на заседании кафедры ФММ ЕН факультета

протокол №__ от «__»______________20__ г.

Зав. кафедрой ___________________________

I. Цель и задачи работы

Изучить влияние легирующих элементов на превращения при отпуске закаленных сталей.

2. Общее положение (теоретические сведения)

Вследствие объемных изменений при закалке в материале формируются внутренние напряжения, способные вызвать образование трещин и деформацию изделий. По этой причине окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства, является отпуск. Это термическая обработка закаленного на мартенсит сплава при которой главными процессами является распад мартенсита и возврат и рекристаллизация мартенсита. Он проводится для стабилизации структуры и предания стали требуемого комплекса механических свойств.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже А_с1, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с контролируемой скоростью.

Структура закаленной стали претерпевает при нагреве ряд последовательных превращений.

При отпуске в интервале температур 100 – 200 С происходит распад М, уменьшение содержания углерода в -твердом растворе и образование мельчайших метастабильных частиц карбидов когерентно связанных с матрицей.

В интервале температур 200-300 ^оС продолжается распад мартенсита, распадается А_ост с образованием малоуглеродистого мартенсита отпуска и дисперсных карбидов. С увеличением содержания углерода в стали количество А_ост возрастает. В ходе первого и второго превращений происходит уменьшение внутренних напряжений.

В интервале температур 300-400 ^оС завершается распад М и продолжает развиваться карбидное превращение. Из мартенсита выделяется практически весь избыточный углерод в виде карбидов Fe₃C и тетрагональность решетки -твердого раствора устраняется – мартенсит приобретает кристаллическую ОЦК решетку -Fe, хотя особенности металлографической структуры и субструктуры мартенсита (игольчатое строение отдельных зерен мартенсита, высокая плотность дислокаций и двойников и т.д.) сохраняются.

Начиная с температур 350-400 ^оС, происходит интенсивный процесс коагуляции (рост более крупных частиц карбида Fe₃C за счет растворения более мелких) и сфероидизация цементита. Скорость этих процессов увеличивается при повышении температуры. Рост карбидных частиц и уменьшение их количества делает возможным развитие процессов рекристаллизации феррита путем миграции высокоугловых границ.

С ростом температуры отпуска выше 300 ^оС временное сопротивление, предел текучести непрерывно уменьшаются, а показатели пластичности (вязкость, относительное сужение и удлинение) непрерывно повышаются. Максимальной ударной вязкостью обладает сталь отпущенная при 600 ^оС. Некоторое снижение ударной вязкости при температуре выше 600 ^оС обусловлено образованием слишком грубых частиц цементита. В сталях со значительным количеством А_ост при отпуске в температурном интервале второй стадии наблюдается небольшой прирост твердости (на 2-3 единицы), что вызвано образованием М_отп, имеющего более высокую твердость, чем А_ост.

Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске

Легирующие элементы (Cr, W, Mo, V, Co и Si) влияют на распад мартенсита, сдвигая температурные интервалы стадий превращений при отпуске к более высоким температурам, замедляя рост карбидных частиц и сохраняя пересыщенность -твердого раствора углеродом, то есть сохраняют структуру М_отп до температур 450-500 ^оС. Это объясняется двумя причинами:

1. карбидообразующие легирующие элементы уменьшают скорость диффузии углерода, вследствие химического сродства с ним;

2. большинство легирующих элементов увеличивают силы межатомной связи в твердом растворе.

Многие легирующие элементы повышают температурный интервал распада А_ост до 400-580 ^оС. Все карбидообразующие легирующие элементы замедляют коагуляцию карбидов. Их заметное укрупнение происходит при температуре выше 550-600 ^оС.

В процессе отпуска легированных сталей образуются специальные карбиды типа MeC, Me₂₃C₆ и т.д. для формирования которых требуется взаимное перемещение не только атомов углерода, но и легирующих элементов. Последние, образуя в стали твердые растворы замещения, обладают на порядки меньшей подвижностью, чем атомы углерода. Поэтому для образования спецкарбидов требуются более высокие температуры и большие продолжительности отпуска. Естественно, что при одной температуре отпуска, легированная сталь будет иметь более высокую твердость и прочность по сравнению с углеродистой сталью того же состава по углероду, т.к. в легированной стали процессы разупрочнения при отпуске будут сдвинуты по температурной шкале.