materialovedenie
.pdfНАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ
В верхней части промежуточного интервала температур (500 -7- 475 ОС) образуется верхний бейнит, при более низких температурах (475 -7- 2400с)
- нижний бейнит.
Аустенит |
A.J. |
|
|
|
Перлит |
|
Сорбит |
|
Тростит |
Нижний
бейнит
Ми
е
Мартенсит Аустенит
Мартенсит
Рис. 40. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали
а |
б |
Феррит
Цементит
Рис. 41. Схемы ферритно - цементитных структур: а - перлит; б - сорбит; в - тростит
Ниже мартенситной точки МН (240 ОС) образуется мартенсит. С
увеличением степени переохлаждения, а значит, с увеличением дисперсности
выделений цементита и пересыщенности углеродом феррита, происходит
рост |
прочностных И снижение пластических свойств |
продуктов |
49
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
1500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1300 |
|
-1 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
#. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ф |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
CII |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
:i |
1100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
:z: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CII |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
:z: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
8 ! |
|
|
|
|
|
|
|
||
о |
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
:z: |
900 |
|
|
|
|
>. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
CII |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
:z: |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
..D |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
t; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
CII |
700 |
|
|
|
|
|
|
|
|
CII |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
я |
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
о- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C.J |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
:r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
300 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
300 |
400 |
500 |
600 |
|
|
|
|
300 |
400 |
500 |
600 |
||||||||
|
|
|
Температура изотермической |
|
|
Темпе ратура изоте рмической |
||||||||||||||
|
|
|
выдержки. С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
выдержки. С |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
70 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
:::е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r» |
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
:z: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CII |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
JE |
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
>. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C.J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CI) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
::а: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
..а |
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CII |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
:z: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
10 |
|
|
|
300 |
400 |
500 |
600 |
Температура изотермической выдержки. С
Рис. 42. Зависимость О"в, О, Ч', HRC и КСИ от температурыизотермическойвыдержки
0 - 20; ~ - 40; • - YIO
50
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ
|
|
|
|
г |
|
|
45 |
|
|
|
|
|
40 |
I |
|
|
|
|
35 |
|
|
|
|
о |
30 |
' |
|
|
|
а:: |
|
|
|
|
|
:I: |
25 |
|
|
|
|
.i |
|
|
|
|
|
1- |
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
&а. |
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
:(1) |
|
|
|
|
|
ID |
|
|
|
|
|
..... |
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
5 |
I |
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
300 |
400 |
500 |
600 |
Темпе ратура изотермической выдержки, С
д
1,2
N
:=; 1 -
1Е
~
~ 0,8-
о
~
JI
1-
..~ 0,6
м
g;;
ID g;;
~ 0,4 i
а.
10
~
0,2
о 1 |
|
|
I |
300 |
400 |
500 |
600 |
Температура изотермической выдержки, С
сталей:
ав (а), 8 (6), \}J (В), HRC (г), KCU (д)
51
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ
превращения аустенита. Так, в стали У8 твёрдость НRC повышается от 11 до 57 (по данным Ю.М. Лахтина). На рис. 42 приведены данные авторов о механических свойствах сталей 20, 40 и У1ОА, определённых на микрообразцах. Хорошо видна отмеченная выше тенденция изменения свойств. В области образования верхнего бейнита, особенно в стали 40 наблюдается снижение всех свойств.
На рис. 43 приведены примеры структур эвтектоидного характера, на рис. 44 - верхнего бейнита, на рис.45 - нижнего бейнита, на рис. 46 -
мартенсита.
4.4. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении
Влияние непрерывного охлаждения на превращение аустенита можно проследить путём наложения кривых охлаждения на диаграмму изотермического превращения аустенита (рис.47). При рассмотрении этих зависимостей можно заключить, что с повышением скорости охлаждения
увеличивается степень переохлаждения аустенита и, соответственно, тем
дисперснее образуется ферритно - цементитная структура.
Можно считать, что при небольшой скорости охлаждения V, образуется перлитная структура, при большей скорости V2 - сорбитная, ещё большей - троститная. Бейнитная структура при непрерывном охлаждении углеродистой стали обычно не образуется. При очень высоких скоростях охлаждения VК. V5) часть аустенита или весь аустенит переохлаждается до точки МН И превращается либо частично (при V4) , либо полностью в мартенсит. Минимальную скорость охлаждения, при которой переохлаждённый до МК аустенит превращается в мартенсит, называют критической скоростью закалки (VK ) .
4.5. Основные виды термической обработки
В практике термической обработки стали различают отжиг, нормализацию, закалку и отпуск, химико-термическую обработку. Рассмотрим каждый вид термической обработки более подробно.
4.5.1. Отжиг
Отжигом называется термическая обработка, в процессе которой производится нагрев стальных деталей до требуемой температуры с последующей выдержкой и медленным охлаждением с печью для получения однородной, равновесной, менее твёрдой структуры, свободной от остаточных напряжений.
Различают отжиг с полной фазовой перекристаллизацией (диффузионный, полный, изотермический), неполной фазовой
52
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ
а |
б |
г
Рис. 43. Структуры эвтектоидного характера: а, б - перлит; в - тростит; Г - электронно микроскопический снимок тростита
Рис. 44. Верхний бейнит
53
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ
а |
б |
Рис. 45. Нижний бейнит
б
Рис.46. Мартенсит
54
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ
t, ОС
800 Аустенит
600
500
400
100
Рис. 47. Наложение кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита
перекристаллизацией (неполный, изотермический) и без фазовой перекристаллизации (низкий, рекристаллизационный).
Разновидностью отжига является нормализация, отличающаяся от полного отжига только повышенной скоростью охлаждения (охлаждение на воздухе).
Температуры нагрева стали при отжиге и нормализации показаны на рис. 48.
Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют для устранения химической неоднородности, возникающей при кристаллизации металла.
Нагрев слитков или отливок из углеродистых сталей осуществляют до
температур 1000 -7- 1100 Ос, а легированных - до 1100 -7- 1200 Ос, при которых
наиболее интенсивно протекают диффузионные процессы и ещё нет опасности пережога (оплавления границ зёрен). Выдержка при
диффузионном отжиге обычно не превышает 20 ч, после чего металл
охлаждают вместе с печью примерно до 800°С, затем выдают на воздух.
Врезультате диффузионного отжига металл приобретает крупное
зерно, а в ряде случаев видманштеттову структуру, имеющую характерную
направленность ферритной составляющей (рис. 49). В случае последующей пластической деформации устраняются оба дефекта. Для отливок необходим дополнительно полный отжиг.
55
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ
t, ОС 1000 r-------------------- |
=.,.....------ |
. |
800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
700 |
|
|
|
s |
|
|
|
к |
|
600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3
0,5 |
0,8 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
%С
Рис. 48. Температура нагрева стали при отжиге и нормализации:
1 - диффузионный отжиг; 2 - рекристаллизационный отжиг; 3 - отжиг для снятия напряжений; 4 - полный отжиг; 5 - неполный отжиг; 6 - нормализация
Рис.49. Видманштетгова структура
Полный отжиг (фазовая перекристаллизация) применяется для измельчения зерна, устранения видманштеттовой структуры, снижения
56
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ
твёрдости И прочности, что облегчает обработку резанием. Полный отжиг
используют только для доэвтектоидных сталей. Он состоит в нагреве металла
на 30 -;- 50 ос выше критической точки Асз (Асз + 30 -;- 50 Ос). При этом
исходная крупнозернистая структура превращается в аустенит. Ограничение температуры нагрева связано с ограничением роста зерна. После выдержки,
обеспечивающей полную перекристаллизацию, металл медленно охлаждают
(со скоростью 100 -;- 200 ОС/ч для углеродистых сталей и 30 -;- 100 ОС/ч - для
легированных).
Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (выше Ac l , но ниже Асз или Аст). Для доэвтектоидных сталей этот вид отжига применяют редко, в основном для улучшения обрабатываемости резанием. Заметим, что неполный смягчающий отжиг позволяет сэкономить время и снизить стоимость обработки.
Главным образом неполный отжиг применяют для заэвтектоидных
сталей. Нагрев до температуры Ас! + 10 -;- 30 ОС приводит практически к
полной перекристаллизации стали и получению зернистой формы перлита вместо обычной пластинчатой. Поэтому такой отжиг обычно называют сфероидизирующим.
Конечная структура стали зависит от скорости охлаждения и температуры сфероидизирующего отжига. Чем меньше скорость охлаждения, тем до больших размеров возрастают глобулы карбидов при распаде аустенита. Более мелкозернистый перлит обладает повышенной твёрдостью.
Сфероидизирующему отжигу подвергают углеродистые и
легированные инструментальные и подшипниковые стали для улучшения
обрабатываемости резанием и подготовки структуры к закалке, а также
горячекатаный лист и ленту перед холодной прокаткой или штамповкой. Изотермический отжиг применяют для улучшения обрабатываемости
конструкционных сталей. Для инструментальных сталей он одновременно
готовит структуру к закалке.
При изотермическом отжиге доэвтектоидные стали нагревают на 30 -;-
50 ос выше Асз, а заэвтектоидные выше Ac l , затем осуществляют перенос в печь с температурой ниже АI (обычно 660 -;- 680 Ос), выдерживают при этой
температуре до завершения превращения аустенита, после чего охлаждают
на воздухе (рис. 50).
Изотермический отжиг заэвтектоидных сталей позволяет получить
структуру |
зернистого перлита; в конструкционных сталях |
более |
||
однородную |
ферритно - |
перлитную структуру. Изотермический отжиг |
||
позволяет |
значительно |
сократить |
длительность |
процесса |
перекристаллизации, особенно для легированных сталей, которые для требуемого снижения твёрдости приходится охлаждать очень медленно при
полном отжиге.
Разновидностью изотермического отжига является патентирование, широко применяемое при производстве стальной проволоки для канатов и
пружин.
57
---~------
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Время
Рис. 50. Схема изотермического отжига
Процесс патентирования проволоки ведут в многониточных (20 -;- 36) агрегатах. Нить проволоки, пройдя через печь, достигает температуры 920 -;-
1000 ОС (что существенно выше критических точек Асз и Аст и позволяет
получить однородный аустенит), после чего попадает в изотермическую
среду (соль или расплавленный свинец) с температурой 450 -;- 550 ОС. В
результате |
изотермического |
распада |
аустенита |
образуется |
тонкопластинчатый псевдоэвтектоид (сорбит или тростит), который позволяет при волочении достигать больших обжатий (более 75%) без обрывов.
Патентирование используется как промежуточная термическая обработка. Например, горячекатаная заготовка диаметром 6,5 мм из стали 45 (катанка) первое патентирование проходит исключительно для подготовки структуры к последующему волочению на диаметр 3,0 мм. После дальнейшего волочения на диаметр 1,0 или 1,2 мм проволока может иметь предел прочности ав до 2000 МПа и может поступить на производство
канатов или вновь подвергнуться патентированию перед окончательным
волочением на диаметр 0,15 -;- 0,20 мм.
Нормализация отличается от полного отжига более быстрым
охлаждением (на спокойном воздухе). При нормализации сталь нагревают до
температуры на 30 -;- 50 ос выше линии GSE (рис. 48). Благодаря
ускоренному охлаждению получается более дисперсное строение псевдоэвтектоида. Кроме того, что немаловажно, частично или даже полностью подавляется выделение избыточных фаз (феррита в доэвтектоидной стали и цементита в заэвтектоидной стали). В результате прочность стали после нормализации становится больше, чем после отжига.
Нормализацию чаще всего применяют как промежуточную операцию для смягчения низкоуглеродистой стали перед обработкой резанием, а также
58