Минобрнауки России

Филиал ФГБОУ ВПО

«Самарский государственный технический университет»

в г. Сызрань

Кафедра общеинженерной дисциплины

Отчет по лабораторной работе №6.

«ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО РАСПАДА

АУСТЕНИТА МЕТОДОМ ПРОБНЫХ ЗАКАЛОК».

Выполнила: студентка группы МЭ-127

Диянова И.В.

Проверил: доцент кафедры

Сингеев С.А.

Сызрань 2011

Цель работы: практически освоить методику построения диаграммы изо­термического распада аустенита методом пробных закалок и научиться пользо­ваться диаграммой при решении вопросов термической обработки сталей.

Теоретические основы

Диаграмма изотермических превращений аустенита. Мартенситное превращение.

При температурах выше Ас₃ и Ас_т аустенит является устойчивым, т.е. при постоянных условиях никаких изменений с тече­нием времени в нем не происходит.

Если же этот аустенит быстро переместить в область температур ниже А_] (переохладить), то в течение определенного времени его структура изменится.

Кинетика превращений переохлажденного аустенита описывается при по­мощи диаграммы изотермического, т.е. происходящего при постоянной темпе­ратуре, распада аустенита. Рассмотрим эти превращения на примере диаграммы изотермических превращений аустенита эвтектоидной стали (0,8% С). Диа­грамма представлена двумя кривыми (их принято называть «С- кривыми»). Она составлена в координатах «время - температура изотермиче­ской выдержки». Время откладывается в логарифмической шкале (для уко­рочения последней, так как отсчет ведется в секундах).

Собственно диаграмма заключена между двумя критическими изотермами, из которых изотерма А1 соответствует равновесному превращению аустенита в перлит, а изотерма М_н - началу так называемого мартенситного превращения, о котором будет сказано позже.

Левая «С-кривая» является геометрическим местом точек начала превра­щения (распада) аустенита при соответствующих температурах его изотерми­ческой выдержки - «н». Время окончания превращения ограничивается правой «С-кривой»-«к».

Весь диапазон температур изотермических превращений можно разбить на две части, существенно отличающиеся друг от друга по составу и особенностям строения фаз, получающихся при распаде аустенита. Границей между этими частями является температура, соответствующая выступу на «С-кривых» (при­мерно 550 °С). Для уяснения характера превращений аустенита в обеих темпе­ратурных областях необходимо иметь в виду два следующих важных положе­ния:

1. Ниже точки А₁ (Аr₁) ГЦК решетка аустенита обязательно должна без- диффузионно перестроиться в ОЦК решетку феррита, способную растворить намного меньшее количество углерода. Оказавшийся «лишним» углерод дол­жен диффузионно выйти из ОЦК решетки и образовать карбиды железа.

Таким образом, интенсивность распада аустенита и характер образующих­ся при этом продуктов должны зависеть от уровня температуры, определяющей скорость диффузии углерода.

2. Основной причиной полиморфного превращения является стремление сплава обладать минимумом свободной энергии, следовательно, чем ниже тем­пература переохлажденного аустенита при изотермическом превращении, тем сильнее окажется его склонность к распаду.

Рассмотрим характер превращений аустенита в верхней области темпера­тур (выше 550 °С). Прежде всего, подчеркнем, что в этой области температур диффузионные процессы протекают достаточно эффективно. В связи с этим находившиеся ранее в ГЦК решетке аустенита атомы углерода имеют возмож­ность выходить из бездиффузионно образовавшейся ОЦК решетки, тем самым обеспечивая возможность формирования ферритной фазы с равновесным (т.е. незначительным) содержанием растворенного в ней углерода.

По этой же причине создаются благоприятные условия для образования освобождающимися из раствора атомами углерода пластинок карбидной фазы, приобретающей стабильный состав цементита Fe3С.

В связи с изложенным для всей рассматриваемой температурной области характерна такая реакция распада аустенита (Л → Ф + Ц), которая означает, что он превращается в смесь нормальных (равновесных) по составу двух фаз: Ф + Ц.

Началу распада аустенита предшествует подготовительный, или инкуба­ционный, период. При снижении температуры его продолжитель­ность уменьшается, что объясняется усилением склонности сплава к переходу в такое состояние, которое обеспечивает ему меньший запас свободной энергии.

В связи с этим не только ускоряется процесс, но и уменьшается расстояние ме­жду С-кривыми (т.е. сокращается время распада аустенита).

Таким образом, при снижении температуры изотермической выдержки, с одной стороны, ослабляется интенсивность диффузионных процессов при рас­паде аустенита, а с другой - уменьшается время, в течение которого происхо­дит распад. Оба эти фактора обусловливают уменьшение размера образующих­ся при распаде аустенита пластинок феррита и цементита (что неминуемо должно отразиться на прочности продуктов распада). Поэтому весь диапазон температур выше выступа «С-кривых» условно принято делить на три части, в каждой из которых образуются разные по свойствам продукты распада аустенита.

В верхней части формируется наиболее крупнопластинчатая, грубодис- персная смесь (Ф + Ц), обладающая наименьшей твердостью. Ее называют соб­ственно перлитом (П). Образующийся в средней части сорбит (С) состоит из более мелких пластинок феррита и цементита. Он более тверд. В нижней части образуется самая мелкопластинчатая, тонкодисперсная смесь, называемая трооститом (Т) и обладающая еще более высокой твердостью.

Распад аустенита в области температур ниже выступа происходит при явно недостаточной скорости диффузионных процессов. Это в данной области явля­ется доминирующим обстоятельством, предопределяющим характер формиро­вания образующихся при распаде продуктов, называемых бейнитами в честь американского ученого Бейна, впервые исследовавшего изотермические пре­вращения аустенита (другое название - троостит игольчатый). Скорость ра­боты механизма формирования новых фаз в этих условиях полностью зависит от интенсивности диффузии. При температуре М_н диффузия прекращается пол­ностью.

Сказанное проявляется, прежде всего, в увеличении продолжительности инкубационного периода и постепенном увеличении расстояния между нижни­ми ветвями «С-кривых».

По вышеуказанным причинам образующиеся при изотермическом распаде аустенита в этой области фазы Ф' и Ц' отличаются от Ф и Ц и создают структу­ры, отличающиеся от П, С и Т. С понижением температуры распада твердость бейнита возрастает, так как больше углерода остается в пересыщенном феррите (Ф').

Таким образом, при распаде аустенита в нижней температурной области диаграммы изотермических превращений образуется смесь пере­сыщенного твердого раствора углерода в Fe_a и специфического карбида железа:

Ф' + Ц', тем более отличающаяся от смеси Ф + Ц, чем ниже температура пре­вращения.

Рис.1. Схема кристаллической решетки

Если переохладить аустенит до точки Мн, то начнется так называемое мартенситное превращение, происходящее при непрерывном охлаждении в интервале температур от точки М_н до точки М_к. Суть его состоит в том, что в этих условиях происходит только бездиффузионное полиморфное превращение

Fe_y в Fe_a.

Что касается растворенных в аустените атомов углерода, то вследствие отсутствия диффузион­ных процессов они не могут выйти из образовавшейся новой решетки и поэтому остаются в ней, внося в нее существенные изменения и внут­ренние напряжения. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в Fea - мартенсит (М), который представляет со­бой неравновесный (неустойчивый) твердый раствор внедрения и имеет иголь­чатую микроструктуру.

Важнейшим условием превращения аустенита в мартенсит является не­прерывное охлаждение аустенита в интервале от Мн до Мк . При остановках ох­лаждения превращение аустенита в мартенсит прекращается.

В связи со значительной пересыщенностью элементарная ячейка кристал­лической решетки мартенсита оказывается несколько вытянутой по оси oz, и из кубической превращается в тетрагональную при с/а > 1 (рис.1).

Атомы растворенного в мартенсите углерода размещаются в октаэдриче- ских порах ячеек, как показано на рис.1. Отношение с/а называется степенью тетрагональности мартенсита. Оно тем больше, чем больше углерода растворе­но в мартенсите.

Согласно современным взглядам на электронное строение кри­сталлической решетки мартенсита, находящийся в ней атом углерода двумя из четырех своих валентных электронов образует ковалентные связи с двумя бли­жайшими атомами железа (см. рис.1). Остальные же два валентных электро­на переходят в электронный газ, образуя металлическую связь между атомами решетки.

Образующиеся в мартенсите трехцентровые ковалентные связи Fe—С—Fe почти на порядок сильнее металлических. К тому же они являются очень жест­кими связями, допускающими лишь небольшие упругие деформации, превы­шение которых влечет за собой полное скачкообразное исчезновение взаимо­действия. Эти особенности межатомного взаимодействия в мартенсите, соче­тающие металлическую и ковалентную связи в его кристаллической решетке, являются основной причиной, предопределяющей его очень высокие твердость и хрупкость.

Имеются и другие факторы, которые вносят важный вклад в формирование вышеупомянутой специфики свойств мартенсита, в частности высокий уровень остаточных внутренних напряжений и большая плотность дислокаций.

В заключение напомним, что образование пересыщенного твердого рас­твора углерода в Fe_a происходит и при бейнитном превращении аустенита на­чиная с выступа «С-кривых». Но в бейните в связи с образованием карбидной фазы не весь углерод оказывается растворенным в Fe_a, поэтому данное превра­щение называют промежуточным. Превращение же в интервале температур М_н - М_к, когда образуется только одна фаза, содержащая весь растворенный в аустените углерод, является истинно мартенситным.

Диаграммы изотермического распада аустенита доэвтектоидной и заэвтек- тоидной сталей будут аналогичны диаграмме для эвтектоидной стали, с той лишь разницей, что превращение аустенита начинается для доэвтектоидной стали с выделения из него феррита в диапазоне температур Ar₃ - Ar₁, а для заэв- тектоидной стали - с выделения избыточных кристаллов цементита вторичного в диапазоне температур Аr_т - Ar₁.