конспект Термообработка
.pdf
При малых степенях переохлаждения (или малых скоростях охлаждения) возможно формирование структуры зернистого цементита = зернистого перлита = зернистых карбидов (рис. 4.10).
Рис. 4.10 Зернистый перлит. Схема
При больших степенях переохлаждения возможно выделение избыточной карбидной фазы в виде сетки по границам исходного аустенитного зерна (рис. 4.11).
Рис. 4.11 Сетки избыточного цементита и перлит. Схема
Толщина сетки избыточных карбидов значительно меньше толщины сетки избыточного феррита.
При содержании углерода свыше 0,8…0,9, при ускоренном охлаждении крупнозернистого аустенита возможно формирование видманштеттовой структуры, т.е. выделение избыточной карбидной фазы в виде игл или реек по определенным кристаллографическим плоскостям (рис. 4.12).
Рис. 4.12 Сетки избыточного цементита видманштеттов цементит и перлит. Схема
Кроме того возможно образование розеточного (друзового) (рис. 4.13), стержневого (веерного) и кольцевого перлита.
Рис. 4.13 Розеточный перлит. Схема
4.1.4 Факторы, влияющие на устойчивость переохлажденного аустенита при перлитном превращении
Устойчивость оценивается по величине инкубационного периода (рис. 4.14)
21
Рис. 4.14 С-образные кривые для сталей с разной устойчивостью переохлажденного аустенита.
инк1> инк2, чем больше инкубационный период, тем больше устойчивость переохлажденного аустенита.
a)Химический состав аустенита.
Содержание углерода
Содержание легирующих элементов
Вдоэвтектоидных сталях, чем выше содержание углерода, тем труднее происходит образование избыточной малоуглеродистой фазы (феррита), следовательно, тем выше устойчивость переохлажденного аустенита.
Взаэвтектоидных сталях – чем выше содержание углерода, тем легче образуется избыточный цементит, и тем меньше устойчивость переохлажденного аустенита.
Содержание легирующих элементов.
Все легирующие элементы, кроме кобальта, повышают устойчивость переохлажденного аустенита.
Образуя твердые растворы замещения легирующие элементы изменяют (повышают) силы связи в кристаллической решетке аустенита, таким образом, диффузионная подвижность углерода снижается, следовательно перестройка кристаллической решетки аустенита в кристаллическую решетку феррита и образование кристаллической решетки карбидной фазы замедляется.
При перлитном превращении происходит перераспределение атомов легирующих элементов между аустенитом, ферритом и карбидной фазой. Так как диффузионная подвижность атомов легирующих элементов намного ниже, чем атомов железа и углерода, то именно этот процесс перераспределения будет лимитировать перлитное превращение.
Так действуют все легирующие элементы, если они находятся в твердом растворе.
Сильные карбидообразующие элементы (V, Nb, Ti, Zr) образуют карбидные фазы типа МеС с очень высокой температурой диссоциации.
Если при нагреве в аустенитную область не происходит полного растворения этих карбидных фаз, то устойчивость переохлажденного аустенита резко снижается (перслитное превращение протекает по несамопроизвольному механизму – зародыши карбидной фазы уже существуют в аустените) (рис. 4.15).
22
Рис. 4.15 Влияние сильных карбидообразующих элементов на устойчивость переохлажденного аустенита. 1-Ti, Nb или V в виде карбидов, 2- углеродистая сталь, 3- Ti, Nb или V в твердом растворе
Для снижения температуры растворения специальных карбидов и перевода легирующих элементов в твердый раствор на основе аустенита дополнительно вводят марганец, который снижает температуру диссоциации карбидной фазы.
b) Величина аустенитного зерна
Так как перлитное превращение начинается на границах аустенитных зерен, то чем меньше размер зерна, тем больше суммарная протяженность границ зерен, тем больше мест зарождения новых фаз, следовательно, тем ниже устойчивость переохлажденного аустенита.
c) Металлургическая природа стали
Раскисление стали при выплавке может производиться марганцем, кремнием и алюминием. При раскислении алюминием образуются трудно растворимые соединения типа Al2O3. наличие трудно растворимых частиц обеспечивает наследственно мелкозернистую структуру, а следовательно меньшую устойчивость переохлажденного аустенита.
d) Наличие нерастворенных частиц вторых фаз
Присутствие в аустените нерастворенных частиц феррита, цементита, специальных карбидов, интерметаллидов, неметаллических включений ускоряет процессы распада переохлажденного аустенита по I ступени. Указанные частицы могут быть подложками для образования новой фазы и снижать работу образования зародышей новой фазы. Распад переохлажденного аустенита протекает в этом случае по несамопроизвольному механизму.
1 – выделение избыточного феррита
2 – образование феррита эвтектоида e) гомогенность аустенита
различают следующие неоднородности (негомогенности) аустенита:
зональная ликвация (неустранимый брак, металл идет в переплавку) устойчивость переохлажденного аустенита различна в зависимости от положения по высоте слитка.
1. дендритная (внутризеренная) ликвация связана с тем, что диффузионные процессы выравнивания состава отстают от процессов кристаллизации.
Дендритная ликвация может быть частично или полностью устранена высокотемпературным нагревом в аустенитной области. Высокая температура аустенитизации обеспечивает повышенную диффузионную подвижность атомов легирующих элементов и выравнивание состава под действием градиента концентрации. Такой высокотемпературный нагрев называется гомогенизирующим отжигом (рис. 4.16).
23
Рис. 4.16 С-кривая для негомогенизированной (1) и гомогенизированной (2) стали с одинаковым средним составом
f) Температура аустенитизации
Чем выше температура нагрева, тем выше устойчивость переохлажденного аустенита, так как тем крупнее зерно аустенита и тем выше гомогенность аустенита.
4.1. 5 Перлитное превращение в легированных сталях
Перлитное превращение состоит в полиморфном превращении аустенита в феррит, перераспределении углерода и легирующих элементов и образовании феррито-карбидной смеси. Легирующие элементы, уменьшая диффузионную подвижность атомов углерода и железа замеляют полиморфное превращение аустенита в феррит.
Если в сталь введены сильные карбидообразующие элементы, то возможно формирование специальных карбидов на разных этапах перлитного превращения.
Если сталь легирована Ti, Nb, V, Zr то на всех этапах перлитного превращения формируется карбидная фаза типа МеС.
Специальные карбиды этих элементов выделяются из переохлажденного аустенита, из избыточного феррита и из феррита эвтектоида.
MeC+ `→ п.и. + эвт пер. э. +Fe3C
|
|
MeC+ р. э. |
MeC+ р. э. |
где п.и. – пересыщенный по углероду избыточный феррит
пер. э. - пересыщенный по углероду феррит эвтектоида
р. э. - равновесный феррит эвтектоида
Выделение специальных карбидов из переохлажденного аустенита связано с уменьшением растворимости углерода и легирующих элементов при понижении температуры. Выделение этих карбидов происходит на границах аустенитных зерен, на дефектах упаковки в объеме аустенитного зерна.
При образовании избыточного феррита в начальные моменты времени она так же пересыщена по углероду и легирующим элементам. После выделения специальных карбидов состав избыточного феррита становится равновесным.
Морфология специальных карбидов, выделяющих в избыточном феррите может быть различной. Различают непрерывные и прерывистые (нитевидные) карбиды.
24
Непрерывные карбиды образуются как правило в объеме зерен феррита, а приграничные объемы в этом случае могут быть свободны от карбидных выделений.
Прерывистые или нитевидные карбиды образуются на мигрирующей в глубь аустенитного зерна границе раздела феррит - аустенит.
Феррит эвтектоида так же пересыщен по углероду и легирующим элементам, что вызывает формирование специальных карбидов внутри пластин феррита.
Схема превращения усложняется, если аустенит легирован Cr, Mo, W.
Cr: (Fe,Cr)3C, Cr7C3, Cr23C6
Mo, W: Ме23С6, МеС, Ме2С, Ме6С
Тип образующейся карбидной фазы зависит от содержания легирующего элемента в сплаве, от условий его образования. В процессе перлитного превращения возможна смена одного типа кристаллической решетки специального карбида на другой. Перестройка карбидной фазы при легировании хромом может происходить по механизму
«in situ».
Некрабидообразующие элементы (Si, Ni, Co) практически не влияют на процессы карбидообразования при перлитном превращении и входят в состав карбидной фазы в количестве, равном их среднему содержанию в карбидной фазе
4.2 Мартенситное превращение в сталях
Наблюдается в сплавах системы железо-углерод (сталях и чугунах), других сплавах на основе железа ( Fe – Ni, Fe – Cr, Fe – Mn), в цветных сплавах (на основе Ti, Cu) и в чистых металлах (Fe, Ti, Co)
Для протекания мартенситного превращения требуется значительное переохлаждение относительно температуры T0 (рис. 4.17).
Рис. 4.17 Схема зависимости свободных энергий исходной фазы (аустенит) Fа и
мартенсита Fм от температуры
F = - f v V + S + E упр
- f v V S + E упр – необходимое условие для начала мартенситного превращения. Величина упругой деформации весьма высока, так как исходная и новая фазы отличаются по типу кристаллической решетки и по удельным объемам. (Vуд.
мартенсита > V уд. )
Наличие когерентной связи на межфазной границе аустенит – феррит мартенсита. Кристаллические решетки аустенита и мартенсита отличаются не только по типу (ГЦК и ОЦТ), но и по параметрам, поэтому в зане сопряжения возникает упругая энергия деформации.
Температура, ниже которой возможно развитие мартенситного превращения называется мартенситной точкой или температурой начала мартенситного превращения – Мн (Ms). Величина Мн зависит от состава сплава.
25
4.2.1 Механизм и кристаллография мартенситного превращения
Мартенситное превращение отличается упорядоченным, кооперативным взаимосвязанным перемещением больших групп атомов на расстояния много меньше межатомных. Так как диффузионная подвижность атомов практически полностью подавлена, то при превращении не происходит обмена атомов местами и соседи любого атома в аустените остаются соседями того же атома в мартенсите.
Когерентность – упругое сопряжение фаз на границе раздела, обуславливает чрезвычайно быстрое перемещение границы в сторону матрицы при очень низких температурах (скользящие границы, не требуют для своего движения диффузии).
С ростом мартенситного кристалла на когерентной границе накапливается энегрия упругой деформации, и если это напряжение (энергия) превысит предел текучести, то произойдет разрыв когерентности.
При разрыве когерентности на границе раздела расположение атомов становится неупорядоченным, а следовательно дальнейшее движение скользящей границы не возможно, так как прорастание мартенситного кристалла по диффузионному механизму невозможно, то рост кристалла прекращается.
Дальнейшее развитие мартенситного превращения происходит путем образования и роста новых мартенситных кристаллов.
Таким образом, при мартенситном превращении
Скорость роста кристалла мартенсита чрезвычайно высока
Наблюдается быстрое прекращение роста кристалла мартенсита
Мартенситное превращение всегда сопровождается появлением рельефа на полированной поверхности образца.
Мартенситное превращение происходит в результате деформации Бейна, которая сжимает кристаллическую решетку феррита мартенсита по оси с и растягивает по оси а.
Если в ГЦК решетке атомы углерода распределены равномерно по всем трем направлениям, то в кристалле мартенсита атомы углерода расположены только в направлении [001].
Такое положение атомов углерода препятствует деформации Бейна превратить ОЦТ решетку мартенсита в ОЦК решетку.
Степень тетрагональности мартенсита зависит от содержания углерода (рис. 4.18-4.19)
Рис. 4.18 Расположение атомов углерода в ячейке мартенсита
26
Рис. 4.19. Зависимость периодов решетки мартенсита (а) и их соотношения (б) от содержания углерода в стали
4.2.2 Микроструктура мартенсита
Выделяют несколько классификационных признаков мартенсита
По типу кристаллической решетки ( м- ОЦТ, м- ГПУ)
По кинетике превращения
Мартенсит может быть атермическим или изотермическим
По форме кристаллов
Пластинчатый, пакетный, баттерфляй.
По легированию
Углеродистый, легированный
По температуре образования: низкотемпературный, высокотемпературный Чаще всего мартенсит классифицируют по морфологическим признакам.
Выделяют два основных типа мартенсита: пластинчатый и пакетный Пластинчатый мартенсит наблюдается в высокоуглеродистых сталях и сплавах на основе
железа с высоким содержанием 2-го компонента. Пластинчатый мартенсит иногда называют игольчатым, низкотемпературным, двойникованным.
Кристалл пластинчатого мартенсита выглядит как тонкая двояковыпуклая линза, а при пересечении с плоскостью шлифа – иглы, расположенные под углами 30о, 60о или 120о друг относительно друга.
Размер мартенситных кристаллов зависит от величины аустенитного зерна. Максимальный размер соответствует диаметру аустенитного зерна (рис. 4.20).
Рис. 4.20 Структура пластинчатого мартенсита В мелкозернистом аустените возможно формирование чрезвычайно
мелкоигольчатого мартенсита, который называется бесструктурным.
27
В поперечной области мартенситного кристалла имеется область повышенной травимости, которая называется мидрибом – область с повышенной плотностью двойниковых прослоек (рис. 4.21).
Рис. 4.21 Область мидриба пластинчатого мартенсита
Остальная часть кристалла имеет дислокационную структуру с плотностью 109-1010
см-1.
Пакетный мартенсит наблюдается в низко- и среднеуглеродистых сталях, в легированных сталях, в сплавах на основе железа с меньшей концентрацией второго компонента. Пакетный мартенсит иногда называют массивным, высокотемпературным, недвойникованным.
4.2.3 Кинетика мартенситного превращения
Различают три типа кинетики мартенситного превращения:
1.Атермическая кинетика – характерна для сталей и сплавов с температурой Мн выше 100 оС
2.Взрывная кинетика – характерна для сплавов с температурой Мн ниже комнатной
3.Изотермическая кинетика - характерна для Fe – Ni – Mn и Fe – Ni – Cr сплавов с
температурой Мн ниже комнатной.
Наиболее характерной является атермическая кинетика.
Для атермической кинетики характерно плавное нарастание степени превращения с понижением температуры (рис. 4.22).
Рис. 4.22 Мартенситная кривая атермического превращения в углеродистой стали (Г.В. Курдюмов
28
Мартенситному превращению не предшествует инкубационный период Развитие мартенситного превращения возможно только в условиях постоянного
понижения температуры.
Каждой температуре ниже Мн соответствует определенная степень мартенситного превращения. При достижении некоторой температуры мартенситное превращение прекращается. Эта температура – Мк – температура условного окончания мартенситного превращения. При переохлаждении ниже этой температуры степень превращения не увеличивается.
Мартенситное превращение никогда не идет до полного исчерпания исходной фазы (аустенита). В структуре всегда остается некоторая часть аустенита, который называется остаточным.
Мартенситное превращение всегда идет с положительным объемным эффектом, и последние микрообъемы аустенита испытывают напряжение всестороннего сжатия со стороны ранее образовавшихся мартенситных кристаллов. Эти напряжения препятствуют перестройке кристаллической решетки аустенита в мартенсит по сдвиговому механизму.
Количество остаточного аустенита зависит от состава и может колебаться от 3 до 70%. Остаточный аустенит имеет повышенную плотность дефектов кристаллического строения по сравнению со стабильным аустенитом.
Взрывная кинетика. Происходит резкое, скачкообразное повышение количества мартенсита при температурах чуть ниже Мн. Дальнейшее понижение температуры вызывает незначительное увеличение полноты превращения (рис. 4.23).
Рис. 4.23 Мартенситные кривые двух образцов стали 35Н24Х со взрывным превращением (А.Ф. Щербакова)
Мартенситное превращение сопровождается звуковым эффектом и временным повышением температуры (быстрое выделение скрытой теплоты превращения).
Изотермическая кинетика. Характерна для сплавов с чрезвычайно низкой температурой Мн. Она имеет все черты нормального диффузионного превращения (рис.
4.24).
Характерной чертой кинетики мартенситного превращения вне зависимости от его типа является автокаталитичность, т.е. появление первых мартенситных кристаллов облегчает образование рядом с ними новых мартенситных кристаллов. На кромке растущего мартенситного кристалла формируется поле упругих напряжений, которое способствует образованию мартенсита.
На кинетику мартенситного превращения большое влияние оказывает скорость охлаждения в интервале температур Мн – Мк и длительность изотермической выдержки в этом интервале температур. Чем ниже скорость охлаждения, больше изотермическая выдержка, тем меньше степень распада по мартенситному механизму.
Этот эффект торможения мартенситного превращения называется термической стабилизацией аустенита.
29
Рис. 4.24 Изотермическое образование мартенсита
Причины термической стабилизации. Закрепление дислокаций примесными атомами (C, N). Следовательно скользящее движение межфазной границы «мартенсит – аустенит» будет затруднено.
Образование атмосфер примесных атомов на дефектах кристаллической решетки, которые могли бы выступать в качестве зародышей мартенсита.
Релаксация упругих напряжений на кромке растущего кристалла мартенсита, т.е. уменьшение автокаталитичности мартенситного превращения.
4.2.4 Влияние пластической деформации на мартенситное превращение
Мд это температура, при которой начинается мартенситное превращение в деформированном аустените. При деформации аустенита уровень свободной энергии системы повышается и мартенситное превращение может начинаться при более высоких температурах (рис. 4.25).
Если температура Мд лежит ниже Т0, то произойдет мартенситное превращение. Если Мд лежит выше Т0, то при деформации мартенситного превращения не будет, мартенситное превращение произойдет при последующем охлаждении, при этом меняется кинетика превращения. Если деформация в упругой области, то образующийся мартенсит называется мартенситом напряжений, если в пластической области, то образуется мартенсит деформации.
Рис.4.25 Влияние пластической деформации при +100 оС на кинетику образования мартенсита в стали Х17Н9 при -75оС (Г.В. Курдюмов, О.П. Максимова)
30