ЛЕКЦІЇ Матеріалознавство / ЛЕКЦІЯ Тема7

4

Тема 7.Теоретичні основи термічної обробки сталі (2 год)

План

1. Загальні відомості. Види термічної обробки

2. Утворення аустеніту в процесі нагрівання сталі залежно від концентрації вуглецю

3. Поняття про структурну спадковість. Явища перегріву і перепалювання.

4. Перетворення аустеніту в процесі охолодження. Характеристика дифузійного (перлітного), бездифузійного (мартенситного) і проміжного (бейнітного) перетворень.

5. Перетворення мартенситу і залишкового аустеніту при нагріванні

–1–

Термічна обробка –це технологічний процес теплової обробки сплавів з метою зміни їх структури і властивостей.

Складається з таких операцій: нагрівання до заданої температури з швидкістю нагрівання (V_н), витримування протягом часу (τ) й охолодження із швидкістю (V_ох).

Види ТО: 1) відпалювання –нагрівання вище температури фазових перетворень, витримування при цих температурах і повільне охолодження разом із піччю; 2) нормалізація нагрівання вище температури фазових перетворень, витримування і повільне охолодження на повітрі; 3) гартування – нагрівання вище температури фазових перетворень, витримування і швидке охолодження; 4) відпускання – нагрівання до температури нижче за температуру фазових перетворень (нижче 727 ⁰С) і повільне або швидке охолодження; 5) старіння – різновид відпуску.

– 2–

Значення температур, при яких відбуваються перетворення називають критичними точками. Французький учений Ф. Осмонд позначив великими літерами А з індексами:

A₁ — для лінії PSK – евтектоїдне перетворення;

А₃ — для лінії GS – гранична розчинність фериту в аустеніті;

А_ст — для лінії SE гранична розчинность вторинного цементиту в аустеніті.

До індексів додають r при охолодженні, с — нагріванні.

2.1. Перетворення в доевтектоїдній сталі (від 0,02 до 0,8%С)

При нагріванні, меншому за А_С1 структура сталі залишається незмінна: ферит і перліт. Нагрівши до А_С1, перліт перетворюється в аустеніт, тому вище Ас₁ структура ферит і аустеніт, в інтервалі температур Ас₁ – Ас₃ ферит поступово розчиняється в аустеніті, а при Ас₃ зникає і вище Ас₃ (лінія GS) однорідна структура аустеніту.

2.2. Перетворення в евтектоїдній сталі (0,8%С)

При нагріванні евтектоїдної сталі вище Ас₁ (727 ⁰С) на межі суміші фериту і цементиту перетворюється α→γ-залізо з утворенням аустеніту, який розчиняє цементит (рис. 2, б, в). Швидкість перетворення α→γ більша, ніж розчинення цементиту, тобто в момент перетворення в аустеніт всього фериту, в структурі залишається нерозчиненою частина цементиту (рис. 2, д), тому перетворення триває поки не розчиниться весь цементит.(рис. 2, е).

Рис. 2. Утворення аустеніту під час перетворення

перліту при нагріванні сталі

2.3. Перетворення в заевтектоїдній сталі (0,8–2,14%С)

У заевтектоїдній сталі при Ас₁ перліт перетворюється в аустеніт, а в інтервалі Ас₁…Ас_ст вторинний цементит поступово розчиняється в аустеніті. Вище температури А_ст (крива SE ) розчинення цементиту закінчується і утворюється однорідний аустеніт.

Результатом перетворень у сталях є сформована однофазова аустенітна структура.

– 3–

Початкові зерна аустеніту дрібні, але з підвищенням температури вони починають рости. Явище росту відбувається через різницю запасу вільної енергії в дрібнозернистій (більше енергії) і крупнозернистій структурах.

Найменш схильні до росту розмірів зерен аустеніту заевтектоїдні сталі. Якщо при невеликому перегріві зерна аустеніту починають – це спадково крупнозернисті сталі. Якщо ж ріст зерен аустеніту починається тільки при великих перегрівах – спадково дрібнозернисті сталі.

У випадку, коли сталь нагріти значно вище А_с3 виникає явище перегріву, при якому інтенсивно збільшуються розміри зерен аустеніту та погіршуються властивості сталі. Наслідки перегріву усувають повторним нагрівом до оптимальної температури і повільного охолодження.

Якщо температура нагріву наближається до температури плавлення виникає явище перепалу, при якому окислюються границі зерен і різко зменшується міцність сталі. Наслідки перепалу неможливо усунути, тому така сталь належить до браку.

Елементи V, Ті, Mo, W, A1 сприяють зменшенню росту зерна, a Mn, P — зростанню розміру.

• 4 –

Види перетворення аустеніту: 1) перлітне, яке відбувається завдяки дифузії (727–550 ⁰С); 2) проміжне або бейнітне (менше 550 ⁰С); 3) мартенситне без дифузії (300 – 200 ⁰С).

При повільному охолодженні аустеніту нижче Аr₁ (727 °С) (PSK) .у дифузія вуглецю і заліза перетворює його на перліт (ферит і цементит).

Етапи процесу перетворення аустеніту:

• Fe_γ→Fe_α;

• зародження центрів кристалізації цементиту (Fе₃С);

• ріст зерен Fе₃С.

Основний чинник перетворення швидкість охолодження,°С/с. Залежно від її значення та завершеності трьох етапів перетворення з аустеніту одержують сімейство двофазових структур (ферито-цементитних сумішей), що відрізняються ступенем дисперсності (подрібнення), зокрема:

1) V_ox < 30 та пройдені всі етапи –утворюється перліт;

2) V_ox до 50, пройдені 1, 2 етапи і частково 3 – утворюється сорбіт гартування (зерна 0,25…0,3 мкм);

3) V_ох = 100 °С/с проходить 1 етап і частково 2, а третій зупиняється на початку перетворення – утворюється троостин гартування (0,1…0,15 мкм);

При дуже високій швидкості охолодження (V_ох= 150...200,°С/с) на епати2 і 3 невистачає часу, тому проходить лише 1 бездифузійний епат поліморфного перетворення γ – заліза в α – залізо без виділення вуглецю з ТР, що утворює структуру пересиченого твердого розчину вуглецю в α – залізі – мартенсит (голчасті пластини 0,1…0,001 мкм). У мартенситному перетворенні решітка ОЦК перетворюється на тетрагональну.

Швидкість охолодження ν_кр, при якій в структурі сталі утворюється мартенсит, називають критичною швидкістю гартування.

Атоми вуглецю деформують решітку α – заліза, збільшуючи міжатомні відстані, збільшується об’єм та виникають внутрішні напруження.

Зі зниженням температури та при швидкому охолодженні розпад аустеніту сповільнюється в структурі сталі залишається частина не перетвореного аустеніту (залишковий аустеніт), який спричиняє неоднорідність властивостей загартованої сталі.

Структура мартенситу є результатом гартування сталей.

–5–

Перетворення мартенситу в перліт

Залежно від величини нагріву сталі відбуваються такі процеси:

1. До 200 ⁰С перетворення мартенситу на мартенсит відпуску. Відбувається перерозподіл вуглецю в структурі мартенситу, у результаті на ділянках збагачених вуглецем виникають ε-карбіди поблизу пластинок карбідів вміст вуглецю зменшується, а на віддалених ділянках залишається незмінним. Структура мартенситу з нерівномірним розподілом вуглецю називається мартенсит відпуску.

2. До 300 ⁰С перетворення залишкового аустеніту на збіднений вуглецем залишковий мартенсит і карбід лише у високовуглецевих сталях із залишковим аустенітом.

3. До 400 ⁰С перетворення ε-карбіду на цементит (Fe₃C) та утворення двофазної ферито-цементитної структури трооститу відпуску (ферит +цементит) (0,1…0,15 мкм). Мартенсит повністю розпадається. Форма частинок карбідів наближається до сферо подібної.

4. 550-600 ⁰С утворення ферито-цементитної суміші з дрібними зернами карбідів сорбіту відпуску. Форма частинок карбідів стає сфероподібна або зерниста (зерна 0,25…0,3 мкм).

5. 650 – 700 ⁰С утворення перліту відпуску (зерна 0,3...0,4 мкм)