Материаловедение и технология конструкционных материалов

ШЛ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

.............. .........-...- ■ ■ |- . |.......- |.. |. |

4.1. Основы термической обработки стали

Термическая обработка заключается в следующих операци­ ях: нагрев изделий и заготовок до определенной температуры, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью с целью изменения структуры и свойств стали. Основные видь! термической обработки: отжиг, закал­ ка, отпуск и старение.

Термическая обработка влияет на прочностные и эксплуатаци­ онные характеристики многих машиностроительных материалов.

Принципиальная возможность применения того или другого вида термической обработки определяется диаграммами фазо­ вого равновесия сплавов. Основой для выбора видов и режимов термической обработки сталей является часть диаграммы Fe—F3C с содержанием углерода до 2,14 % и расположенная ниже линии солидус (рис. 4.1).

На этом рисунке показаны температурные области нагрева заготовок при различных видах термической обработки сталей.

Температуры фазовых превращений при термической обра­ ботке сталей (критические точки) определяются линиями P S K , GS и SE диаграммы состояния Fe-Fe3C. Нижняя критическая точка, соответствующая превращению аустенита в перлит при температуре PSK, обозначается А г. Верхняя критическая точ­ ка, соответствующая началу выделения феррита из аустенита или концу превращения феррита в аустенит (линия GS), обозна­ чается А 3. Температура линии выделения вторичного цементита (SE) обозначается А СТ.

Чтобы отличить критические точки при нагреве от критиче­ ских точек при охлаждении, рядом с буквой А в первом случае ставят букву «с», во втором — «г».

При термической обработке стали происходят четыре основ­ ных превращения:

1) перлита в аустенит выше точки А х:

Fea + Fe3C -» Fe^C), или П —> А;

W W 1 1

1,0 С, %

Рис. 4.1. Фрагмент диаграммы Fe-Fe3C и температурные области нагрева при термической обработке сталей

2) аустенита в перлит ниже точки А г:

Fe/C) Fea+ Fe3C, или А -н> П;

3) аустенита в мартенсит при температурах ниже температу­ ры метастабильного равновесия этих фаз:

Fe^C) -» Fea(C), или А -» М;

4) мартенсита в перлит:

Fea(C) Fea + Fe3C, или М П.

4.1.1. Превращение перлита в аустенит и рост зерна аустенита при нагреве

При нагреве сталей выше Асх происходит превращение пер­ лита в аустенит. Как правило, кристаллы аустенита (рис. 4.2, б) зарождаются на межфазных поверхностях раздела феррита с це­ ментитом; в аустените растворяется углерод распадающегося цементита.

и заэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит в структуре сохраняются соответственно феррит и цементит. В доэвтектоидных сталях при нагреве от Ас, до Ас3происходит пре­ вращение феррита в аустенит, а в заэвтектоидных при нагреве от Асхдо Асст — растворение вторичного цементита в аустените.

При нагреве выше критической точки Асхиз перлита, незави­ симо от размеров его зерен, образуются мелкие зерна аустенита, которые называют начальными зернами (рис. 4.3). Повышение температуры стали приводит к росту зерна аустенита, так как происходит процесс собирательной рекристаллизации. Скорость роста аустенитных зерен при нагреве выше температур Ас3и Асст неодинакова у разных сталей и зависит от способа их раскисле­ ния и наличия легирующих элементов. С учетом скорости роста аустенитных зерен различают стали наследственно крупнозер-

Размер

зерна

Температура, °С

Рис. 4.3. Схема наследственной зернистости и влияние температуры нагрева на величину зерна аустенита:

а — начальное зерно аустенита; б — наследственно крупнозернистая сталь; в — наследственно мелкозернистая сталь

84 Раздел I. Материаловедение

нистые и наследственно мелкозернистые. К наследственно крупнозернистым относятся стали, раскисленные ферросили­ цием и ферромарганцем. В таких сталях по мере нагрева выше температур Ас3 и Ас„ зерна аустенита быстро укрупняются.

К наследственно мелкозернистым относятся стали, допол­ нительно раскисленные алюминием, а также легированные ти­ таном, вольфрамом и ванадием. В этих сталях при нагреве до 1000-1100 °С зерна аустенита растут с малой скоростью. Такое поведение сталей объясняется тем, что присутствующие в них оксиды и нитриды алюминия, титана, ванадия, а также карби­ ды титана и ванадия располагаются по границам зерен в виде мелких включений и механически препятствуют их росту при нагреве. При температурах выше 1000-1100 °С происходит рас­ творение этих включений в аустените, в результате чего устра­ няется препятствие для роста зерен.

От размера зерна аустенита, образовавшегося при нагреве до определенной температуры и получившего название действи­ тельного, зависит степень дисперсности продуктов распада ау­ стенита. Если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада при охлаждении получаются мелкими. Действительное аустенитное зерно определяют с помощью специальных металлогра­ фических микроскопов, сравнивая его с эталоном по балльной шкале (ГОСТ 5639-82). Стали с зерном 1...5 баллов считаются крупнозернистыми, а 6. ..15 — мелкозернистыми. Размер дейст­ вительного зерна оказывает влияние на прочностные, техноло­ гические и эксплуатационные свойства стали.

4.1.2. Превращения аустенита при охлаждении

Если сталь со структурой аустенита охладить до температуры ниже А г1 у то аустенит претерпит превращение. Скорость превра­ щения и строение продуктов распада аустенита зависят от степени переохлаждения, т.е. от температуры, при которой оно проис­ ходит.

Закономерности этого процесса характеризуются диаграммой изотермического превращения переохлажденного аустенита

(рис. 4.4).

Для изучения изотермического превращения аустенита неболь­ шие образцы стали нагревают до температур выше Ас3 с целью получения стабильного аустенита, а затем быстро охлаждают до

86 Раздел I. Материаловедение

температур ниже А гх (например, до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т.д.) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита.

Превращения аустенита при постоянных температурах ниже

А гг описываются кинетическими кривыми (рис. 4.4, а), пока­ зывающими количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, прошедшего с момента начала его распада. Как видно из рисунка, после охлаждения стали до температур ниже кри­ тической точки А 1должен пройти инкубационный период 0-Н,

втечение которого сохраняется метастабильный аустенит. По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с обра­ зованием более стабильных структур. Распад аустенита закан­ чивается в момент, определяемый точкой К. Скорость распада

впроцессе выдержки при фиксированной температуре сначала быстро растет, а затем, после распада около 50 % аустенита, по­ степенно замедляется.

Кинетические кривые распада аустенита для различных тем­ ператур дают возможность построить диаграмму изотермическо­ го превращения аустенита (см. рис. 4.4, б). Для ее построения отрезки времени, соответствующие началу (Нх, Н 2, Н 3) и концу (Кг, К2, К3) распада аустенита для каждой температуры, перено­ сят на график температура — время и одноименные точки со­ единяют кривыми. Эти кривые по форме напоминают букву С, поэтому их называют С-образными кривыми. Левая кривая ха­

рактеризует начало распада аустенита, правая — время полного распада. Область, лежащая левее кривой начала распада аусте­ нита, определяет продолжительность инкубационного периода. Это область метастабильного аустенита. Устойчивость переох­ лажденного аустенита и скорость его превращения зависят от степени его переохлаждения. Как видно из диаграммы, аустенит обладает наибольшей устойчивостью при температурах немного ниже критической точки Aj и немного выше критической точки начала мартенситного превращения М н. При этих температурах левая кривая наиболее удалена от вертикальной оси. Наименее устойчив аустенит при температуре t2 = 550 °С — левая кривая наиболее близко расположена к вертикальной оси. Время устой­ чивости аустенита при данной температуре — 1,0...1,5 с.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита разли­ чают три температурные области его превращения: перлитную область, которой соответствует температурный интервал от 727

до 550 °С; область промежуточного превращения — от 550 °С до температуры начала мартенситного превращения (Мн) и мартенситную область — ниже температуры М н.

Перлитное превращение переохлажденного аустенита проис­ ходит в области температур, где скорости диффузии достаточно высокие и процесс образования перлита определяется скоростя­ ми зарождения центров кристаллизации и их роста. Оба факто­ ра зависят от степени переохлаждения. Образование зародышей цементита происходит на границе зерен аустенита. При этом аусте­ нит, прилегающий к зародышам цементита, обедняется углеродом, что приводит к образованию зародышей феррита. От одного цен­ тра идет рост чередующихся пластинок цементита и феррита до их столкновения с кристаллами составляющих перлита, расту­ щими из других центров. Степень дисперсности перлитной струк­ туры зависит от температуры превращения: чем больше переох­ лаждение, тем тоньше пластины. Эта закономерность и графи­ ческое изображение структур показаны на рис. 4.4, в, а микро­ структуры сплавов — на рис. 4.5.

На рис. 4.5, а отчетливо видна структура перлита, состоящая из чередующихся участков цементита (черные) и феррита (свет­ лые), которые параллельны и находятся на одинаковом расстоя­ нии друг от друга. Структура троостита закалки (рис. 4.5, б) включает феррит и цементит, но в отличие от перлита плот­ ность цементитных пластинок очень велика, а расстояние между ними очень мало. На рис. 4.5, в области верхнего бейнита окру­ жены участками доэвтектоидного феррита (белый) и мартенсита; нижний бейнит (рис. 4.5, г) состоит из бейнитных игл и мартен­ сита (белый непротравленный фон).

Дисперсность перлитных структур принято оценивать межпластинчатым расстоянием Д0, за которое принимают среднюю суммарную толщину соседних пластинок феррита и цементита. В зависимости от дисперсности продукты распада аустенита имеют различное название: перлит, сорбит и троостит. Ос­ новные характеристики этих структур приведены в табл. 4.1.

Перлит, сорбит и троостит являются ферритоцементитными смесями, имеющими пластинчатое строение, и различаются лишь степенью дисперсности. Однако такое деление перлитных струк­ тур условно, так как дисперсность смесей монотонно увеличи­ вается с понижением температуры превращения.

В доэвтектоидных сталях при температуре ниже А г3превра­ щение аустенита начинается с выделения феррита, а в заэвтекто­ идных — вторичного цементита. Начало выделения избыточного феррита (вторичного цементита) на диаграмме характеризуется добавочной штриховой линией.

4.1.3. Мартенситное превращение

Мартенситное превращение (рис. 4.6) — это превращение переохлажденного аустенита, происходящее при его охлаждении в интервале температур от М в до Мк, где М н — температура на­ чала; Мк — температура конца мартенситного превращения.

При этих температурах диффузионные процессы становятся невозможными и перестройка решетки FeY(ГЦК) в решетку Fea (ОЦК) происходит по сдвиговому механизму без выхода атомов углерода из решетки. При этом атомы смещаются на расстоя­ ния, не превышающие межатомные, сохраняя первоначальное соседство. Образуется перенасыщенный твердый раствор внедре­ ния углерода в a -железе, называемый мартенситом. Раствори­ мость углерода в мартенсите может достигать 2,14 %, в то время как в a -железе при 727 °С в равновесном состоянии растворяется не более 0,02 % углерода. Главные особенности мартенсита — высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита тем выше, чем больше содержание в нем углерода.

Атомы углерода, внедряясь в решетку a -железа, сильно ее ис­ кажают. Такую искаженную кристаллическую решетку назы­ вают тетрагональной (рис. 4.6, а), в ней параметр с больше а, следовательно, отношение с/а > 1. При увеличении содержания углерода степень тетрагональности решетки мартенсита увели­ чивается.

Как уже отмечалось, мартенситное превращение начинается при температуре Мн и продолжается в некотором интервале тем­ ператур при непрерывном охлаждении. Если охлаждение пре­ кращается, прекращается и превращение. Этим оно отличается от перлитного, идущего при постоянной температуре. Чтобы мар­ тенситное превращение завершилось полностью, необходимо непрерывно охлаждать сталь до температуры М к. Положение точек М„ и М кне зависит от скорости охлаждения и определяет­ ся химическим составом аустенита (рис. 4.6, б).