Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и методы технологического воздействия на среду и объекты с помощью термической обработки материалов в сельскохозяйственном производстве. Учебно.pdf
Рис. 1.3. «Стальная» часть диаграммы железо – цементит
При нагреве стали превращение П–А начинается при температуре Ас1 и заканчивается при температурах, соответствующих линии
Ас3. При температуре Ас1 на границах между ферритом и цементитом
образуются зародыши зерен аустенита. При дальнейшем нагреве они
растут, растворяя распадающийся цементит и феррит. К температуре
Ас3 этот процесс заканчивается, а при больших температурах (t > Ас3)
идет рост зерен аустенита. По скорости роста зерен аустенита при
нагреве до 930 °С стали делятся на природно-мелкозернистую и природно-крупнозернистую. К первым относится большинство легированных сталей и хорошо раскисленных сталей, в которых мало FeO.
Сталь, раскисленная Fe-Mn, Fe-Si – наследственно-крупнозернистая. Наблюдается большой рост зерна при перегреве выше А1.
Сталь, раскисленная V, Ti, Al – наследственно-мелкозернистая.
Рост наблюдается при Т > 1000 °С.
При нагреве могут быть перегревы и пережоги. Пример: если
сталь с содержанием 0,6 % углерода нагреть выше А3 на 50 °С
и выдержать длительное время, то получается крупное зерно. Такой
11
нагрев называют перегревом стали. Отжиг не позволяет исправить
структуру. Перегрев стали (крупнозернистая структура) – брак, который можно исправить повторным правильным нагревом.
Если нагреть сталь на 200 °С выше А3 (до температуры около
1000 °С) и выдержать 1–2 часа, то вокруг зерен образуются оксиды, а сами зерна становятся крупнозернистыми. Пережог (крупные
окисленные по границам зерна) – брак неисправимый (деталь следует отправить в металлолом), и возникает он при температурах нагрева лишь на 100–200 °С меньше температуры плавления стали.
Величина зерна имеет влияние на свойства стали. Стали с мелким зерном хуже прокаливаются, но имеют повышенную прочность,
повышенные механические свойства. Сталь с крупным зерном
склонна к закалочным трещинам, короблению и имеет пониженную
прочность.
Для того, чтобы определить склонность стали к росту зерна аустенита, проводится стандартная технологическая проба – нагрев до
930 °С и выдержка 8 часов в среде карбюризатора с целью науглероживания (цементации). Если после выдержки и охлаждения сохраняется мелкое зерно, то такая сталь имеет мелкозернистое строение.
1.2.2 Перлитное превращение аустенита (А→П)
При эвтектоидном превращении образуются фазы, резко отличающиеся по составу аустенита: феррит, почти не содержащий углерода (0,2 % С при 727 °С) и цементит, содержащий 6,67 % С. Поэтому
распад аустенита на ферритно-цементитную смесь сопровождается
диффузией, перераспределением углерода и железа. Время устойчивости аустенита и скорость его превращения зависят от степени
переохлаждения. Этот процесс протекает при относительно небольших скоростях охлаждения, позволяющих аустениту распадаться
при температурах 700–550 °С и не ниже, так как скорость диффузии
резко уменьшается с понижением температуры. При этом образуется
механическая смесь кристаллов феррита и цементита, дисперсность
которой возрастает по мере снижения температуры превращения.
Чем больше переохлаждение, тем меньше сумма толщин двух пластинок феррита и цементита. Максимальная скорость превращения
соответствует переохлаждению ниже температуры А1 на 150–200 °С,
то есть соответствует минимальной устойчивости аустенита.
12
При образовании перлита из аустенита ведущей фазой является
цементит, зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен. Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита. Эти пластинки растут как
по толщине, так и по длине. Рост образовавшихся колоний перлита
продолжается до столкновения с кристаллами перлита, растущими
из других центров.
Как отмечалось выше, перлит растет из отдельных центров
в виде пластин (рис. 1.4). Зародышем перлитных пластин обычно
является цементит (рис. 1.4 а), зарождение которого облегчено на
границе аустенитных зерен. При утолщении цементитной пластины
вблизи нее аустенит обедняется углеродом и создаются условия для
зарождения путем полиморфного γ–α-превращения ферритных пластин, примыкающих к цементитной пластине (рис. 1.4 б).
При утолщении же ферритной пластины (малое содержание
углерода) он оттесняется в аустенит, в результате чего создаются
благоприятные условия для появления новых цементитных пластин.
Кроме бокового (рис. 1.4 а, б, в) при превращении А→П имеет место
и торцевой рост пластин феррита и цементита (рис. 1.4 г, д).
В зависимости от степени переохлаждения аустенита образуются разные структуры феррито-цементитной смеси.
При температуре 650–700 °С образуется собственно перлит.
В результате образования пластинок цементита соседние участки
аустенита обедняются углеродом, что в свою очередь приводит к образованию пластинок феррита.
а б в г д
Рис. 1.4. Схема зарождения и роста перлитных колоний
13
При увеличении переохлаждения увеличивается количество
зародышей новой фазы. Естественно, что с ростом числа чередующихся пластин феррита и цементита уменьшаются их размеры
и расстояния между ними. Другими словами, с понижением температуры растет дисперсность (степень измельчения) продуктов распада аустенита. Под степенью дисперсности понимают расстояние
между соседними пластинками феррита и цементита. При температуре 600–650 °С образуется структура сорбит, а при 550–600 °С –
тростит.
Перлит, сорбит, тростит являются структурами одной при-
роды – механической смесью феррита и цементита и отличаются
друг от друга лишь степенью дисперсности.
С увеличением степени дисперсности ферритно-цементитных
структур твердость, предел прочности и предел текучести повышаются.
Перлитное превращение с образованием структур перлита, сорбита и троостита носит диффузионный характер и происходит в сталях при невысоких скоростях охлаждения.
Если скорость охлаждения велика, то диффузионное перераспределение углерода невозможно и процесс превращения аустенита
носит бездиффузионный характер. При этом меняется только тип
решетки γ на α, а весь углерод, содержащийся в аустените, остается
в решетке феррита, несмотря на то, что в феррите при комнатной
температуре может содержаться только 0,006 % С. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Такая
структура называется мартенсит.
1.2.3 Изотермическое превращение
При температуре А1 наблюдается равновесие свободной энергии аустенита и перлита, поэтому необходимо переохлаждение.
Распад аустенита с образованием перлита является диффузионным процессом. Перед распадом углерод диффундирует внутрь
аустенита и скапливается в определенных местах. Начинает выделяться пластинка цементита, она растет, что связано с обеднением γ-железа и переходом его в α-железо, т.е. образуется пластинка
феррита и т.д.
14
1 – линия начала распада аустенита; 2 – линия конца распада аустенита;
Мн – линия (температура) начала мартенситного превращения; Мк – линия
(температура) конца мартенситного превращения; V1, V2, V3, V4 – скорости
непрерывного охлаждения; VКР – критическая скорость закалки (минималь-
ная скорость охлаждения, при которой получается структура «мартенсит»)
Рис. 1.5. Диаграмма изотермического превращения
переохлажденного аустенита стали с 0,8 % С
На рисунке 1.5:
А
– аустенит устойчивый при t > А1 (727 °С);
уст
А
– аустенит неустойчивый, стремящийся при t < А1 изме-
неуст
нить свое строение и изменяющий его настолько, насколько позволяет скорость охлаждения V;
V1 < V2 < V3 < V4 < Vкр – скорости охлаждения аустенита;
Мн, Мк – температуры и время начала и конца превращения
А→М;
15
Н, К – температуры и время начала и конца изменения строения;
I – перлитное превращение;
II – промежуточное (бейнитное) превращение;
III – мартенситное превращение.
На диаграмме применяют логарифмическую шкалу времени, чтобы можно было показать и быстро протекающие процессы,
и медленно протекающие (от секунд до суток).
Левый максимум на диаграмме показывает время до начала
распада аустенита при разных температурах, правый – время до конца распада.
Горизонтальная линия Мн – начало мартенситного превращения.
На диаграмму с некоторыми допущениями могут быть нанесены скорости охлаждения.
Горизонтальная линия Мн показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита.
Ниже линии Мн, отвечающей температуре мартенситной точки,
происходит бездиффузионное мартенситное превращение аустенита.
Р.S. при скоростях охлаждения V
> Vкр – также получается
охл
структура «мартенсит».
Рассмотрим процесс распада аустенита на примере эвтектоидной стали. Это превращение состоит из трех этапов.
1. Перегруппировка атомов из решетки аустенита (ГЦК) в ре-
шетку феррита (ОЦК).
2. Выделение мельчайших частичек цементита.
3. Рост частиц цементита пластинчатой формы в феррите.
Таким образом, при медленном охлаждении эвтектоидной
стали формируется структура пластинчатого перлита. Увеличение
скорости охлаждения приводит к понижению критических точек
по сравнению с равновесной диаграммой – распад аустенита будет
происходить не при температуре 727°, а несколько ниже. При этом
скорость диффузии уменьшается, частички цементита не успевают вырасти, твердость повышается. Структуры с более мелкими
частичками цементита (по сравнению с цементитом перлита) называются сорбитом и трооститом. Условия образования продуктов
распада аустенита и их свойства условно можно представить в следующем виде.
16
Таблица 1.1 – Характеристики ферритно-цементитных структур
Скорость
охлаждения,
°/сек
< 50 Перлит 1–9∙10
50–100 Сорбит 1–9∙10
100–150 Троостит 1–9∙10
Получаемая
структура
Примерный
размер частичек
цементита, мм
–3
–4
–5
Твердость, НВ
< 260
260–300
350–400
Таким образом, при сравнительно медленных скоростях охлаждения формируются структуры перлита, сорбита и троостита,
состоящие из феррита и цементита, которые различаются только
размером частичек цементита и твердостью. Причем величина зерна
и величина пластин феррита и цементита внутри зерна тем меньше,
чем больше скорость охлаждения. Разумеется, чем они мельче, тем
больше прочность и твердость структуры.
В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях распад аустенита
протекает аналогично с той лишь разницей, что до начала образования перлита выделяется избыточный феррит или цементит соответственно.
Ниже линии Мн, отвечающей температуре мартенситной точки,
происходит бездиффузионное мартенситное превращение аустенита.
1.2.4 Мартенситное превращение
Мартенситное превращение происходит при скоростях охлаждения V ≥ Vкр и непрерывном охлаждении в интервале температур
Мн и Мк (рис. 1.5).
Если скорость охлаждения аустенита настолько велика, что
даже мельчайшие частицы цементита не успевают выделяться, получается принципиально новый тип структуры – мартенсит.
А→ М
В этом случае происходит только перестройка решетки ГЦК
в решетку ОЦК. Весь углерод остается в решетке Feα и искажает ее.
Решетка становится не кубической, а тетрогональной (см. рис. 1.6).
Степень искаженности решетки мартенсита зависит от содержания
17
в ней углерода. Чем больше углерода, тем больше искажения решетки и выше твердость. Например, у стали У8 твердость мартенсита
около 60НRC (600НВ).
Мартенсит – это перенасыщенный твердый раствор внедрения
углерода в α-железе.
Степень тетрагональности с/а прямо пропорциональна содержанию углерода в стали.
Рис. 1.6. Тетрагональная объемно-центрированная кристаллическая
решетка мартенсита. Отношение с/а > 1 – степень тетрагональности
Мартенситное превращение от других фазовых превращений
отличается рядом особенностей.
1. Мартенсит имеет характерное игольчатое строение. Размер
игл (кристаллов) определяется размером исходного аустенитного
зерна (первые иглы мартенсита проходят через все зерно). Поэтому
чем мельче исходное зерно аустенита, тем мельче кристаллы мартенсита и выше свойства.
2. Мартенсит образуется бездиффузионным путем за счет
сдвига решеток. Игла мартенсита растет практически мгновенно со
скоростью распространения звука в упругой среде (7000 м/с). Состав
исходной фазы (А) и конечной фазы (М) одинаков.
18
3. Образование мартенсита сопровождается некоторым увеличением объема, что приводит к возникновению значительных внутренних напряжений, которые могут привести к деформациям и трещинам.
4. Образование мартенсита происходит не при одной какойто температуре, а в интервале температур (Мн – температура начала образования мартенсита, Мк – конец образования). На положение
этого интервала сильно влияет состав стали и особенно содержание
углерода (см. рис. 1.7). Повышение содержания углерода снижает Мн
и Мк, одновременно расширяя интервал. Наиболее важным является
то, что в сталях с содержанием углерода более 0,6 % конец образования мартенсита смещен ниже комнатной температуры (–70, –100).
Поэтому при закалке таких сталей часть аустенита остается не-
превращенной. Такой аустенит называют остаточным аустенитом
А
. Чтобы перевести А
ост
в мартенсит, требуется охлаждение до низ-
ост
ких температур, т.е. обработка холодом.
В заключение отметим, что мартенситное превращение происходит только тогда, когда высокотемпературная фаза быстро переохлаждена до низких температур, и вследствие этого превращение
диффузионным механизмом становится невозможно.
Рис. 1.7. Зависимость интервала образования мартенсита
от содержания углерода в охлаждаемом аустените
19
Мартенсит обладает высокой твердостью и прочностью. В стали с содержанием 0,6–0,7 % С твердость мартенсита составляет
65 HRC, а временное сопротивление достигает 2000–2300 Н/мм2.
Вместе с тем мартенсит характеризуется высокой хрупкостью и низкой вязкостью.
Таким образом, структура «мартенсит» очень твердая, износостойкая, но неустойчивая, потому что имеет огромный запас свободной энергии (энергия внутренних напряжений) и стремится от него
избавиться.
1.2.5 Бейнитное превращение аустенита
В температурной области между перлитным и мартенситным
превращением протекает промежуточное (бейнитное) превращение.
При этом образуется бейнит, состоящий из несколько пересыщенного α-твердого раствора и частиц карбидов. Бейнитное превращение
протекает при температурах, когда самодиффузия железа и диффузия легирующих элементов практически невозможны, скорость диффузии углерода еще достаточно высока.
Различают структуру верхнего и нижнего бейнита. Верхний
бейнит образуется в интервале температур от 500 °С до 350 °С.
Нижний бейнит образуется в интервале температур от 350 °С
до точки Мн.
Бейнитное превращение происходит при таких скоростях охлаждения, когда часть углерода успела выйти из кристаллической
решетки ОЦК α-железа, а часть осталась в ней, получающаяся
структура состоит из малоуглеродистого мартенсита и цементита.
По сравнению со структурами перлитного типа нижний бейнит имеет более высокую твердость и прочность при высокой пластичности
и вязкости, поэтому закалку на нижний бейнит широко используют
для упрочнения деталей машин.
1.3 Отпуск сталей
Превращение мартенсита и остаточного аустенита при отпуске
носит диффузионный характер. Распад мартенсита и аустенита зависит от температуры нагрева и начинается при комнатной температуре, который может длиться несколько лет.
20