конспект Термообработка

В сложнолегированных сталях, содержащих элементы одной и другой групп, смещение критических температур зависит от количественного соотношения этих элементов.

Под влиянием легирования изменяется и положение узловых концентрационных точек диаграммы Fe – Fе3С. Важнейшие узловые точки стали — S, указывающая содержание углерода в эвтектоиде (рис. 2.6), и Е, указывающая максимальную растворимость углерода в аустените.

Большинство легирующих элементов уменьшает растворимость углерода в аустените при всех температурах, что равносильно сдвигу линии SE влево, в сторону меньших концентраций углерода.

Максимальная растворимость углерода в аустените (точка Е) наиболее резко уменьшается под влиянием элементов, замыкающих γ-область в безуглеродистых сплавах: Cr, Si, W, V, Тi.

Рис. 2.6. Влияние л.э. на содержание углерода в эвтектоиде Приведенная схема не охватывает всего многообразия возможных вариантов

влияния легирующих элементов на критические точки железа и, следовательно, на вид диаграммы железо – углерод. При легировании железа несколькими элементами одновременно их влияние на получение γ- и -фаз не суммируется.

3.ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ

3.1Фазовые и структурные превращения при нагреве выше критических точек сталей

сисходной ферритно-карбидной структурой.

Первая операция в термической обработке – операция образования аустенита. Аустенитизация –нагрев сталей до температур, соответствующих существованию

аустенита, для проведения последующей термообработки Рассмотрим сталь эвтектоидного состава. Нагрев до t Ас1

Ф0,02 + Ц6,67 А0,8

Процессы, протекающие одновременно: - полиморфное превращение

При нагреве до t1 в исходной перлитной структуре на межфазной границе - ц образуется зародыш аустенита, следовательно возникает граница раздела - и ц- .

- растворение цементита Превращение П→А носит диффузионный характер и сопровождается

значительным перемещением атомов углерода.

Так как скорость движения границы раздела аустенит\феррит много больше, чем kD dC

границе аустенит\цементит ( Vлск dx ), то превращение ферритных частиц пойдет

C1 C2

11

быстрее, чем карбидных, и после полного исчезновения феррита в аустените сохраняется некоторая часть нерастворенной карбидной фазы. Требуется повышение температуры и\или времени выдержки для полного растворения карбидной фазы. Но даже после полного растворения карбидной фазы, в аустените на месте бывших карбидных частиц сохраняется микрообъеме с повышенной концентрацией углерода. Для гомогенизации требуется повышение температуры и\или увеличение времени выдержки.

Рис. 3.1. Превращение перлита в аустенит: а - зарождение новой фазы аустенита в зерне перлита; б, в - рост фазы аустенита и степень растворения цементита (Fe3С) в аустените Feγ(С); г - получение гомогенного начального зерна аустенита

Кинетика образования аустенита. При диффузионном механизме образования аустенита является термодинамически активируемым процессом, т.е. чем выше температура нагрева, тем быстрее образуется зародыш аустенита, тем выше скорость роста зародышей и, следовательно, выше скорость превращения (рис. 3.2)

Превращение П→А может идти изотермически при температуре 727 °С при, т. Ас1 и при непрерывном нагреве (рис. 3.2)

Рис. 3.2. Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит для стали с 0,8 % С Процесс перехода П →А при непрерывном нагреве со скоростью V1 и V2 (рис. 8.3)

изучают путем построения диаграммы изотермического образования аустенита. Образцы нагревают до температур выше А1 последовательно и выдерживают сплав при этих температурах, фиксируя начало и конец превращения;

Н - начало превращения П→А; К - конец превращения П→А;

Р - конец растворения углерода в аустените;

12

Г - конец гомогенизации аустенита.

Из диаграммы (рис. 3.2) видно: время превращения П→А зависит существенно от степени перегрева (нагрева выше А1).

С увеличением перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличивается скорость возникновения зародышей и скорость их роста, происходит измельчение зерна стали, что используется в практике термической обработки (отжиг, закалка). При обработке токами высокой частоты (ТВЧ) можно получить очень мелкие зерна аустенита.

Влияние нагрева на продолжительность (τпрев) превращения показывают лучи скоростей V1 и V2. При меньшей скорости нагрева (V1 < V2< V3) (рис. 3.2) превращение происходит при более низких температурах, за больший промежуток времени.

Вдоэвтектоидных сталях при нагреве от А1 до А3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит (рис. 3.3).

Взаэвтектоидных сталях при нагреве от А1 до Аст происходит растворение цементита вторичного (Fe3С) в аустените. При этом выравнивается концентрация углерода и укрупняется зерно аустенита.

3.2Фазовая перекристаллизация. Рост аустенитного зерна при нагреве

Образование аустенита по диффузионному механизму при нагреве выше Ас1 сопровождается фазовой перекристаллизацией.

На момент завершения превращения П→А формируется мелкое аустенитное зерно, которое назывется начальным.

Дальнейшее повышение температуры (времени выдержки при повышенной температуре) вызывает рост аутенитного зерна, рост зерна – самопроизвольный процесс, связанный с уменьшением площади поверхности зерен и с понижением поверхностной энергии.

Различают два типа сталей (рис. 3.3 ):

Наследственно мелкозернистые стали – характеризуются малой склонностью к росту аустенитного зерна при нагреве.

Наследственно крупнозернистые стали – характеризуются высокой склонностью к росту аустенитного зерна при нагреве

Рис. 3.3 Схема роста аустенитного зерна в наследственно крупнозернистых (1) и наследственно мелкозернистых (2) сталях: tн температура при технологической пробе

При нагреве наследственно крупнозернистых сталей рост аустенитного зерна начинается сразу после перегрева выше Ас1.

13

В наследственно мелкозерниствых сталях начальное аустенитное зерно практически не растет при нагреве до температур ниже 950…1000 оС. При дальнейшем повышении температуры устраняются препятствия для роста зерна и начинается его активный рост.

Действительное аустенитное зерно – размер зерна после конкретного режима термической обработки.

Рост зерна происходит только при нагреве и выдержке при повышенных температурах.

На размер аустенитного зерна большое влияние оказывают легирующие элементы. Он могут влиять по трем механизмам:

1.Склонность к росту аустенитного зерна при нагреве определяется величиной поверхностной энергии на границе. Легирующие элементы, уменьшающие поверхностную энергию на границе аустенитных зерен (например никель), уменьшают склонность к росту аустенитного зерна при нагреве. Марганец напротив повышает эту энергию, и приводит к повышению склонности к росту аустенитного зерна.

2.Рост аустенитного зерна сводится к диффузионному перемещению высокоугловых границ, т.е. определяется самодиффузией железа. Легирующие элементы, образуя с аустенитом твердые растворы замещения, изменяют силы связи в кристаллической решетке аустенита. Легирующие элементы, уменьшающие силы связи в кристаллической решетке аустенита, облегчают сомодиффузию железа, а следовательно повышают склонность к росту аустенитного зерна при нагреве.

3.Барьерный механизм. Легирующие элементы образуют карбидные, нитридные, карбонитридные и интерметаллидные частицы. Эти частицы являются эффективным препятствием для движения высокоугловых границ. При повышении температуры нагрева выше температуры растворения частиц 2-х фаз, легирующие элементы переходят в твердый раствор, и их действие определяется первыми двумя

факторами.

Фазовая перекристаллизация в доэвтектоидных сталях. Рассмотрим схему изменения размера зерна перлита в зависимости от нагрева в аустенитной области (рис. 3.4)

Рис. 3.4 Схема изменения размера зерна перлита в зависимости от нагрева в аустенитной области

14

В этом случае при нагреве выше Ас1 происходит неполная фазовая перекристаллизация: размер аустенитного зерна измельчается, но сохраняется выделения избыточного феррита по границам исходного крупного аустенитного зерна.

Повышения пластичности и ударной вязкости не происходит.

Для полной фазовой перекристаллизации необходим нагрев, обеспечивающий растворение выделений избыточного феррита по границам исходных крупных зерен при сохранении мелкого аустенитного зерна.

Повышение температуры аустенитизации, вызывающее интенсивный рост аустенитного зерна называется перегревом.

Пережог – оплавление границ зерен при нагреве выше температуры солидус.

3.3 Структурная наследственность

Образование аустенита может протекать по двум механизмам:

1.Упорядоченному

2.Не упорядоченному

При реализации неупорядоченного механизма образующийся аустенит имеет отличное от и сходной структуры форму, размеры и ориентировку зерен.

Реализация того или иного механизма зависит от исходной структуры.

Если исходная структура кристаллографически не упорядочена (т.е. образовалась по диффузионному механизму – перлит, сорбит, троостит), то образование аустенита идет только по неупорядоченному механизму (диффузионному) и во время образования аустенита происходит фазовая перекритсаллизация.

При исходной кристаллографически упорядоченной структуре (сформировавшейся по сдвиговому механизму: мартенсит, бейнит) возможна реализация и неупорядоченного и упорядоченного механизма образования аустенита. В этом случае решающую роль будет играть уровень легирования и скорость нагрева.

При определенных условиях сталь теряет способность к фазовой перекристаллизации при образовании аустенита.

Образующиеся в этом случае зерна аустенита имеют ту же форму, размеры, ориентировку, что и исходная структура. Это явление называется структурной наследственностью.

По степени проявления структурной наследственности стали условно можно разделить на 3 группы (рис. 3.5):

1.Легированные стали. Структурная наследственность проявляется при всех скоростях нагрева.

2.Низколегированные стали. Структурная наследственность проявляется при высоких и низких скоростях нагрева.

3.Углеродистые стали структурная наследственность проявляется при очень высоких скоростях нагрева (около 1000 град/сек)

15

процессов. Превращение в данной области называется бейнитным или превращением по типу II ступени.

Ас1

I

диффузия

550 –

500

II

диффузия + сдвиг

Мн

III

сдвиг

Рис. 4.1 Температурные области превращений переохлажденного аустенита. Схема

4.1 Перлитное превращение.

Исходный аустенит характеризуется высокой степенью однородности, кристаллическая решетка – ГЦК.

Продукт превращения аустенита при перлитном превращении – феррито-карбидная смесь, которая характеризуется неоднородным распределением углерода между ферритом и карбидной фазой и типом кристаллической решетки, отличным от исходной (для феррита характерна решетка ОЦК). А(0,8%(C) (0,02%C) + Ц(6,67 %C) – эвтектоидный распад переохлажденного аустенита

Экспериментально установлено, что перлитное превращение всегда начинается на границах зерен. Для образования зародышей феррита и карбида необходимо создание микрообъемов с различной концентрацией углерода. Вследствие повышенной диффузии по ВУГ возникают микрообъемы аустенита с повышенной концентрацией углерода. Если размер этого объема превысит критический, то он закрепится в качестве зародышевого центра карбидной фазы. Прилегающие к зародышу карбида объемы практически свободны от углерода. В этих микрообъемах облегчено протекание полиморфного превращения аустенита в феррит (рис. 4.2)

Рис. 4.2 Схема зарождения и роста перлитных колоний (Р.Мэйл и У.Хагель)

Зародышевым центром перлита считается феррито-цементитная пара.После образования зародыша начинается рост: Краевой рост – рост феррито-цементитных пластин вглубь аустенита. Образование новых феррито-цементитных пар.

Колония – феррито-цементитные пары, имеющие примерно одинаковую ориентировку. Рост колонии продолжается до столкновения с другими колониями. Если состав сплава отличается от эвтектоидного, а в результате распада переохлажденного аустенита

17

выделения избыточных фаз не происходит, то формирующаяся феррито-карбидная смесь называется квазиэвтектоидом.

4.1.1 Кинетика распада переохлажденного аустенита по I ступени

При переохлаждении аустенита ниже температуры Ас1 распад начинается после некоторого инкубационного периода. Это время, необходимое для перераспределения атомов в кристаллической решетке аустенита и создания микрообъемов с повышенным и пониженным содержанием углерода (для образования зародыша феррито-цементитной пары) (рис. 4.3) .

Рис. 4.3 Кинетические кривые (а) и диаграмма (б) изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (схема). 1-начало распада, 2-конец распада

С понижением температуры превращения инкубационный период уменьшается (снижается критический размер зародыша). При дальнейшем понижении температруы инкубационный период повышается, т.к. снижается диффузионная подвижность атомов, участвующих в перераспределении.

Скорость перлитного превращения зависит от скорости образования зародышей и от скорости роста образующихся фаз. В изотермических условиях при достаточном времени перлитной превращение протекает до полного исчерпания исходной фазы (аустенита).

Каждая кинетическая кривая характеризуется временем начала и окончания превращения. (рис. 4.3, а)

1 – линия начала превращения

2 – линия окончания превращения обобщение кинетических кривых позволяет построить изотермическую диаграмму

распада переохлажденного аустенита по I ступени (рис. 4.3, б).

4.1.2 Основные типы изотермических диаграмм распада переохлажденного аустенита в углеродистых сталях

На рис. 4.4 схематически приведены основные типы изотермических диаграмм распада переохлажденного аустенита в углеродистых сталях.

Линии на диаграммах обозначают 1- начало образования ФКС, 3- окончание превращения, 3 – начало выделения избыточного феррита, 4- начало выделения избыточного цементита

18