Материаловедение и технология конструкционных материалов

(,°С

727

Мартенсит

Рис. 4.6,. Мартенситное превращение:

а — механизм превращения и строение кристаллической решетки; б — влияние содержания углерода на положение мартенситных точек; в — микроструктура крупноигольчатого мартенсита и остаточного аустенита в стали

Чем больше в стали углерода, тем ниже температура начала и конца мартенситного превращения. При содержании в сталях более 0,6 % углерода превращение завершается при температу­ рах ниже нуля. Если такие стали охлаждать до 0 °С, то это при­ водит к сохранению некоторого количества непревращенного (остаточного) аустенита (Аост). Увеличение содержания угле­ рода в стали ведет к росту Аост — в структуре высокоуглероди­ стых сталей после их закалки в воде сохраняется значительное количество остаточного аустенита, что уменьшает твердость стали.

По морфологии мартенсит разделяют на пластинчатый и ре­ ечный. Пластинчатый мартенсит состоит из широких и тон­ ких пластин, которые на шлифе имеют вид игл, расположенных параллельно друг другу или под углом (рис. 4.6, в). Он характе­ рен для высокоуглеродистых сталей. Чем мельче зерна исходно­ го аустенита, тем мельче пластины мартенсита, образующиеся из него. Реечный мартенсит наблюдается в закаленных низко- и среднеуглеродистых сталях. Кристаллы такого мартенсита имеют вид тонких реек, собранных в пакеты. В одном зерне аустенита может быть несколько таких пакетов.

Превращение аустенита в мартенсит связано с изменением объема. Все структуры стали можно расположить в ряд по мере увеличения объема: аустенит —>перлит —> сорбит —» троостит —> мартенсит.

Промежуточное превращение переохлажденного аустенита протекает в температурной области между перлитным и мартенситным превращениями с образованием структуры, называемой бейнитом (см. рис. 4.5, в, г). Бейнит состоит из перенасыщен­ ного твердого раствора С в Fea и цементита. Различают верхний и нижний бейнит. Верхний бейнит образуется в интервале тем­ ператур 550...350 °Си имеет строение, напоминающее строение перлита. Нижний бейнит образуется обычно в интервале тем­ ператур от 350 °С до точки Мн и имеет игольчатое строение, по­ хожее на строение мартенсита.

Бейнитное превращение начинается с диффузионного перерас­ пределения углерода в аустените. При этом в обедненных углеро­ дом зернах аустенита инициируется мартенситное бездиффузионное превращение, так как для этих зон повышается температура начала мартенситного превращения (Ми). В объемах аустенита, обогащенного углеродом, выделяются частицы карбидов (цемен­ тита), соседствующие с зонами зерен, в которых происходит мар­ тенситное превращение. Мартенситные кристаллы перенасыщены углеродом, что в сочетании с высокой температурой и благопри­ ятными условиями для протекания диффузионных процессов создает условия для распада мартенсита и образования карбидов.

В верхнем бейните диффузия идет быстрее и цементит в основ­ ном выделяется из аустенита, в нижнем бейните — из мартен­ сита. Верхний бейнит имеет твердость и прочность примерно такие же, как у троостита, но более низкую пластичность. Сни­ жение, пластичности связано с выделением сравнительно грубых

карбидов по границам ферритных зерен. Нижний бейнит имеет высокую твердость и прочность при сохранении высокой пла­ стичности.

4.1.4. Превращения мартенсита при нагреве

Мартенсит и остаточный аустенит являются неравновесными фазами, которые при нагреве могут переходить в более устойчи­ вое состояние и распадаться с образованием структур, состоящих из феррита и цементита. Распад этих фаз идет по диффузионному механизму, скорость которого зависит от температуры нагрева. При нагреве мартенсит начинает распадаться в первую очередь.

Как было отмечено выше, структурные превращения сопро­ вождаются изменением удельного объема стали. В частности, при распаде мартенсита происходит уменьшение объема, а при распа­ де аустенита— увеличение. Поэтому для изучения структурных превращений при нагреве закаленной стали пользуются дилато­ метрическим анализом, суть которого заключается в точной фик­ сации изменений длины закаленных образцов. В соответствии с характером изменения длины закаленных образцов в углероди­ стой стали различают четыре стадии превращения при нагреве.

На первой стадии превращения в интервале температур 80...200 °С из мартенсита выделяется углерод в виде Е-карбида, стехиометрический состав которого приближенно соответствует Fe2C. Выделение углерода из мартенсита снижает степень тетрагональности кристаллической решетки, в результате чего длина образца уменьшается. Дисперсные кристаллы е-карбида когерент­ но связаны с кристаллической решеткой исходной мартенситной фазы, которая поэтому сохраняет высокую твердость.

Вторая стадия превращения связана с протеканием одновре­ менно нескольких процессов. Распад остаточного аустенита, про­ дуктом которого являются мартенсит и дисперсные карбиды, происходит в температурном интервале 200...300 °С. Одновре­ менно продолжается выделение углерода из мартенсита, что со­ провождается дальнейшим уменьшением степени тетрагональности его решетки, которая к завершению второй стадии становится почти кубической (содержание углерода равно 0,1 %). Такой мартенсит называется отпущенным (рис. 4.7). Показанная на рисунке структура получена в результате следующей термооб­ работки: 790 °С в течение 20 мин, охлаждение в воде; 200 °С

в течение 2 ч, охлаждение на воздухе. Около 250 °С начинается карбидное превращение, при котором ранее выделившийся е-кар- бид превращается в цементит. Это превращение приводит к на­ рушению когерентности решеток твердого раствора и карбида железа. В результате превалирования процесса распада аусте­ нита на второй стадии происходит увеличение длины закален­ ного образца.

'Ш

Рис. 4.7. Отпущенный мартенсит (при травлении окрашивается в темный цвет, многочисленнее выделения карбидов светлые)

На третьей стадии в интервале температур 300...400 °С выделение углерода из мартенсита завершается полностью, что приводит к формированию ферритоцементитной смеси, иденти­ фицируемой как троостит.

На четвертой стадии при дальнейшем повышении темпера­ туры до 600 °С происходит рост кристаллов цементита за счет их коагуляции и образование более грубой ферритоцементитной смеси — сорбита.

Основные виды термической обработки стали

Термическая обработка позволяет значительно изменить мно­ гие свойства металлов, особенно механические.

В машиностроении термической обработке подвергается бо­ лее половины объема выпускаемой номенклатуры деталей — от

деталей приборов, разнообразных деталей машин до крупных элементов металлургического и энергетического оборудования.

Основными факторами воздействия при термической обра­ ботке являются температура и время. Изменяя температуру и скорость нагрева или охлаждения, можно целенаправленно изменять структуру и свойства стали в зависимости от требова­ ний, предъявляемых к изделиям. Выбор вида термической обра­ ботки определяется характером требуемых структурных изме­ нений в металле.

4.2.1. Отжиг сталей

Отжиг является весьма распространенной операцией терми­ ческой обработки сталей и чугунов. В зависимости от назначения отжига режимы его могут быть различными. При отжиге сталь нагревают ниже или выше температур критических точек, вы­ держивают при этой температуре и затем медленно охлаждают (обычно вместе с печью). В результате получается стабильная структура. Отжиг применяют для устранения неоднородности микроструктуры литых деталей, для снятия наклепа в мате­ риале после прокатки, ковки и других видов обработки, а также для подготовки детали к последующей технологической опера­ ции (резанию, закалке и т.д.). Температурные области нагрева для диффузионного, рекристаллизационного отжига и отжига для снятия остаточных напряжений в соответствии с диаграм­ мой состояния Fe-Fe3C указаны на рис. 4.1.

Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют для уст­ ранения дендритной ликвации в стальных слитках и отливках. Его также назначают для повышения пластичности и вязкости легированных сталей, что достигается за счет более благоприят­ ного распределения избыточных карбидов в результате их час­ тичного растворения и коагуляции. Схема технологического процесса включает нагрев до температуры примерно 1100 °С, длительную выдержку (в течение 8...20 ч) и медленное охлаж­ дение. Однако из-за высоких температур гомогенизации про­ исходит рост зерна стали. Для устранения этого недостатка требу­ ется дополнительно проводить полный отжиг или нормализацию.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия на­ клепа и повышения пластичности холоднодеформированной стали. Схема технологического процесса включает нагрев до тем­

ператур, превышающих порог рекристаллизации (650...760 °С), выдержку в течение 0,5... 1,5 ч и последующее медленное охла­ ждение. В процессе такого отжига вытянутые в результате дефор­ мации зерна феррита становятся равноосными, а также происхо­ дит коагуляция и сфероидизация частиц цементита, в результате чего повышается пластичность сталей.

Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для стальных изделий после литья, сварки или механической обра­ ботки. Остаточные напряжения возникают из-за неравномерного охлаждения, неоднородности пластической деформации и могут вызывать изменение размеров, коробление изделий в процессе обработки, эксплуатации или хранения. Схема технологического процесса включает нагрев до 160...700 °С, выдержку в течение 2...3 ч и последующее медленное охлаждение. Выбор темпера­ туры зависит от вида предшествующей обработки: после реза­ ния — при 570...600 °С, сварки — при 650...700, шлифования — при 160... 180 °С.

Для получения равновесной структуры с целью снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали, улучше­ ния обрабатываемости, измельчения зерен отжиг проводят при температурах выше точек Ас3 или Асг и подразделяют на пол­ ный, неполный и изотермический.

Полный отжиг применяют для перекристаллизации всей структуры доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна ферритной и перлитной составляющих и снятия остаточных на­ пряжений. Схема технологического процесса включает нагрев стальных деталей на 30...50 °С выше точки Ас3, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение вместе с печью (рис. 4.8, а). При этом образуется мелкозернистый ау­ стенит, обусловливающий получение перлита с мелким зерном, что обеспечивает высокую вязкость и пластичность стали.

Разновидностью полного отжига является нормализационный (нормализация). Отжиг в этих случаях обязательно сопровож­ дается ос у-фазовыми превращениями.

Нормализационный отжиг применяется для получения мел­ козернистой однородной структуры, устранения цементитной сетки в структуре заэвтектоидной стали, частичного снятия внутренних напряжений и наклепа, улучшения штампуемости и обрабатываемости резанием. Схема технологического процес­ са включает нагрев на 30...50 °С выше Ас3для доэвтектоидных

1Ф + П |—*4а М Ф + II

Рис. 4.8. Режим отжига стали:

а — полный; б — нормализационный

или выше Асст для заэвтектоидных сталей, выдержку в течение 0,5...3,0 ч с последующим охлаждением на воздухе (рис. 4.8, б). Нормализация — более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как ускоренное охлаждение на воздухе приводит к сокращению времени, затрачиваемого на охлаждение деталей. Кроме того, нормализация приводит к получению сталей более высокой прочности, так как распад аустенита происходит при более низких температурах, что повышает дисперсность ферри­ тоцементитной смеси. Эту особенность охлаждения на воздухе используют для среднеуглеродистых сталей, чтобы заменить улучшение (для изделий неответственного назначения). Нормали­ зацию с последующим высоким отпуском (600...650 °С) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, что обеспечивает повышение произво­ дительности.

Неполный отжиг применяется для улучшения обрабатывае­ мости резанием и получения зернистого перлита в структуре за­ эвтектоидных сталей. Схема технологического процесса включает

охлаждают на воздухе. Стали со структурой зернистого перлита лучше обрабатываются резанием, так как имеют более низкую твердость (160...180 НВ), чем стали с пластинчатым перлитом (180...250 НВ). Так как при этом виде отжига получается зер­ нистая (сфероидальная) форма частичек цементита, его называ­ ют сфероидизирующим.

Изотермический отжиг применяется для измельчения зерна, снижения твердости и снятия внутренних напряжений. При этом в 2...3 раза сокращается длительность технологического процесса, что особенно важно при отжиге больших поковок из легирован­ ных сталей. Схема технологического процесса включает нагрев деталей до температур выше точки Ас3на 20...30 °С, выдержку и последующее сравнительно быстрое охлаждение до температур 680...620 °С (ниже температуры точки Агхна 50...100 °С) и вы­ держку при этой температуре до полного распада аустенита, после чего детали охлаждают на воздухе.

Для ускорения процесса отжига температуру изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной устой­ чивости переохлажденного аустенита в перлитной области. Это приводит к получению более однородной ферритно-перлитной структуры, так как при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение по всему объему детали происходит при одинаковой степени переохлаж­ дения.

4.2.2. Закалка сталей

Закалка является основным видом упрочняющей термиче­ ской обработки сталей и чугунов. При закалке детали нагревают выше критических температур, а затем охлаждают со скоростью, превышающей критическую. Под критической скоростью закал­ ки понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечиваю­ щую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Это позволяет получить неравновесную структуру с высокой твер­ достью, износостойкостью и прочностью. После закалки стали обычно следует отпуск, позволяющий снять термические на­ пряжения и оптимизировать ее свойства.

Температуру закалки (рис. 4.10, а) выбирают в зависимости от температуры критических точек с учетом химического состава сталей. Для углеродистых сталей температура закалки определя-

Рис. 4.10. Температурные области нагрева (а), схемы закалки и структуры доэвтектоидной (б) и заэвтектоидной (в) сталей

ется по левой нижней части диаграммы Fe—Fe3C. В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке изделия нагревают на 30...50 °С выше линии Ас3, а при неполной — на 30...50 °С выше линии Acv Перегрев выше указанных температур приводит к ухудшению структуры углеро­ дистых сталей из-за роста аустенитного зерна. Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, нагрев ведут на 150...250 °С выше критических точек для полного растворения карбидов перед закалкой.

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной за­ калке (Ас3 + 30...50 °С), так как при этих температурах обеспе­ чивается полное превращение ферритно-перлитной структуры в структуру мелкозернистого аустенита, а соответственно, после охлаждения — мелкокристаллического мартенсита (рис, 4.10, б):

д ф нагрев А з ^ ^ охлаждение ^ э д

Неполная закалка с межкритических температур приводит к сохранению в структуре закаленной стали кристаллов доэвтектоидного феррита:

Из-за низкой твердости феррита твердость стали после закалки будет неоднородна (рис. 4.11) и существенно понижена, поэтому неполная закалка доэвтектоидных сталей применяется редко.