Материаловедение
Термическая обработка сплавов системы Fe – C
1
Фазовые превращения в сплавах при нагреве и охлаждении
Обычная термическая обработка состоит их трех основных этапов:
нагрева, изотермической выдержки и охлаждения.
В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие основные виды термической обработки: отжиг, закалку, отпуск или
старение.
Схемы (а, б) основных видов термической обработки эвтектоидной стали У8
Фазовый состав и свойства сплавов формируются при охлаждении, которое производится с заданной скоростью. Однако нагрев сплавов тоже производится с определенной скоростью до заданной температуры.
2
Процесс образования аустенита при нагреве
При отжиге и закалке стальные детали нагреваются до аустенитного состояния. При нагреве доэвтектоидной стали аустенитные зародыши могут возникать:
1)на границе феррита с цементитом;
2)внутри ферритного зерна.
3
Рассмотрим процесс образования аустенита в изотермических условиях при t1 по варианту 1.
Взародыше аустенита устанавливается градиент концентрации углерода аb. Диффузия выравнивает концентрацию углерода в зерне аустенита.
Однако система стремится восстановить равновесие на границах фаз, что приводит к распаду цементита и превращению феррита в аустенит.
Таким образом, аустенитное зерно растет как в сторону феррита, так и в сторону цементита.
Взернах аустенита будет неравномерное распределение углерода по сечению и только
длительная изотермическая выдержка приводит к гомогенизации – выравниванию содержания
углерода в зернах аустенита.
4
По второму варианту концентрация углерода на границе феррита с цементитом соответствует точке с, а на границе с аустенитом – точке d.
Выравнивающая диффузия в феррите приводит к тому, что на границе «феррит – цементит» распадается карбид, а на границе «феррит – аустенит» феррит превращается в аустенит. Скорость роста зерна аустенита контролируется диффузией углерода от границы «феррит –цементит» к границе «феррит – аустенит». Малейший перегрев стали выше точки А1, (727°С) приводит к образованию
аустенита при сдвиговой -перестройке решетки.
5
Кинетические (сигмаидальные) кривые образования аустенита при различных температурах нагрева (t1 < t2)
Кинетика изотермического образования аустенита характеризуется сигмаидальной кривой. Расчетные сигмаидальные кривые образования аустенита при всех температурах превращении (выше А1) выходят из точки с нулевой выдержкой, т.е. отсутствует инкубационный период.
6
Образование зерен аустенита той же формы, размера и ориентации, что и исходное зерно, называется структурной наследственностью. Она проявляется
в легированных сталях при определенных скоростях нагрева.
Образующийся при упорядоченном -превращении аустенит имеет фазовый наклеп и только при более высоком нагреве происходит его рекристаллизация, сопровождающаяся измельчением зерен.
Фазовый наклеп — это повышение плотности дислокаций в новой фазе в ходе фазового превращения.
7
С повышением температуры и увеличением времени выдержки происходит рост зерна аустенита. Движущей силой собирательной рекристаллизации аустенита является стремление системы понизить поверхностную энергию путем уменьшения протяженности границ зерен, т.е. укрупнения зерен.
Склонность стали к росту зерна при нагреве зависит от химического состава,
металлургического качества и технологии производства. В связи с этим различают
наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые стали.
Схема роста зерна аустенита при нагреве эвтектоидной стали: 1 – размер исходного зерна перлита; 2 – наследственно крупнозер- нистая сталь; 3 – наследствен-но мелкозернистая сталь
В наследственно мелкозернистой стали мелкое зерно аустенита сохраняется при нагреве до температуры порядка 950…1100оС, в то время как в наследственно крупнозернистой стали зерно интенсивно растет при относительно небольших превышениях температуры.
Наследственно мелкозернистую сталь получают на металлургических заводах путем введения в ковш перед разливкой примерно 0,05% Аl, который, образуя частички нитридов и оксидов алюминия, тормозит рост зерен аустенита. При температуре 950…1100°С торможение роста прекращается в связи с коагуляцией нитридов и оксидов. Подобным образом действуют добавки в сталь сильных карбидообразователей: титана, циркония, ванадия и ниобия.
8
Большое практическое значение имеет понятие действительное зерно аустенита, т.е. размер зерна при заданной температуре нагрева.
Действительное зерно аустенита при определенных температурах нагрева может быть одинаковым для наследственно мелкозернистой и крупнозернистой стали. Размер действительного зерна аустенита во многом определяет структуру и свойства продуктов распада аустенита, существенно влияя на кинетику протекающих фазовых превращений.
Существует несколько способов фиксации размера действительного аустенитного зерна при данной температуре, а затем определения его с помощью обычного металлографического микроскопа при увеличении в 100 раз. По ГОСТ установлены номера или баллы зерна от № 1 до №15. Зерно считается крупным, если № 1…5, и мелким, если № 6…15.
9
Структура стали после термической обработки
В эвтектоидной стали с 0,8%С имеется только одна критическая точка (727°С), ниже которой аустенит превращается в перлит. Перлит состоит из пластинок феррита и цементита. Толщины этих пластинок находятся в постоянном отношении – около 7,3:1. (Ф/Ц=SK/PS=5,89/0,8=7,3:1).
Абсолютные значения толщины пластинки феррита или цементита зависят от температуры распада аустенита в изотермических условиях. Чем больше он
переохлажден ниже 727°С, тем тоньше пластинки получающегося из него перлита. В эвтектоидной стали с 0,8%С среднее межпластиночное расстояние L
очень резко уменьшается при увеличении степени переохлаждения Т.
Знание величины L практически очень важно, так как твердость и прочность стали связаны с величиной поверхности раздела феррита и цементита.
10