Превращения в стали при охлаждении

Главной целью нагрева стали является получение аустенитной структуры. Основной целью ее охлаждения является получение структур, образующихся в результате превращений аустенита. Превращения аустенита могут быть диффузионными, приводящими к его распаду по схеме

Fe_g(C) ® Fe_a(C) + Fe₃C,

или – бездиффузионными, когда превращение происходит по схеме

Fe_g(C) ® пересыщенный Fe_a(C)

с образованием пересыщенного твердого раствора углерода в a-железе. В приведенных формулах Fe_g(C) обозначает твердый раствор углерода в g-железе, Fe_a(C) — твердый раствор углерода в a-железе.

Причем, чем выше температура превращения, т. е. чем меньше степень переохлаждения аустенита ниже А_r1, (727°С), тем более грубой будет образовываться смесь феррита и цементита. При переохлаждении аустенита эвтектоидной стали несколько ниже А_r1, продуктом распада аустенита является перлит, а при больших переохлаждениях образуются менее устойчивые, чем перлит структуры — сорбит, троостит и бейнит (игольчатый троостит).

При значительном переохлаждении аустенита диффузионные процессы полностью подавляются, происходят бездиффузионные g®a превращения, т. е. перегруппировки атомов из гранецентрированной решетки в объемноцентрированную. В результате этого превращения образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углеродов в a-железе, структура которого называется мартенситом (М) по имени немецкого ученого Мартенса.

При комнатной температуре a-железо способно растворить лишь 0,005 % углерода, в случае же образования мартенсита эвтектоидной стали решетка a-железа «насильственно» растворяет 0,8 % углерода. Это приводит к искажению кристаллической решетки мартенсита, у которой один период становится больше двух других (рисунок 2). Искаженную кубическую решетку называют тетрагональной, а отношение с:а — степенью тетрагональности. Это отношение тем больше, чем больше в стали углерода.

Рисунок 2 – Кристаллическая решетка мартенсита: · – атом углерода, o – атом железа

Под микроскопом мартенсит наблюдается в виде игл различных размеров (рисунок 3). Из-за того, что в мартенсите атомы углерода как бы заклинены между атомами железа, они вызывают большие внутренние напряжения. Твердость мартенсита эвтектоидной стали достигает 600-650 НВ. Мартенсит является хрупкой структурой. В доэвтектоидных сталях твердость мартенсита непрерывно возрастает с повышением содержания углерода (рисунок 4).

Рисунок 3 – Структура мартенсита закалки ´ 600

Рисунок 4 – Влияние углерода на твердость закаленной стали

Температуры, при которых начинается и заканчивается А®М превращение, обозначаются соответственно М_н и М_к. Их положение зависит от содержания углерода — с увеличением содержания углерода они заметно понижаются (рисунок 5). При А®М превращении не весь аустенит переходит в мартенсит. Непревращенный аустенит называют остаточным. Переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема, так как мартенсит обладает большим удельным объемом, чем аустенит, и когда в процессе превращения остаются небольшие островки аустенита, они подвергаются такому сжатию участками мартенсита, что дальнейшее превращение аустенита в мартенсит прекращается. Причем чем больше в стали углерода, тем больше при охлаждении до 0°С будет остаточного аустенита в стали.

Рисунок 5 – Влияние углерода на температуры аустенитно-мартенситных превращений М_н и М_к

Наличие большого количества остаточного аустенита является нежелательным, так как это приводит к снижению твердости после закалки. Мартенсит — неравновесная (неустойчивая) структура, его нагрев сначала приводит к уменьшению степени тетрагональности, а при дальнейшем повышении температуры — к его распаду на смеси с изменением свойств.

В технологических процессах термической обработки распад аустенита происходит либо в условиях непрерывного охлаждения, либо изотермически (при постоянной температуре). Образование неравновесных структур — сорбита, троостита и бейнита рассмотрим при изотермическом распаде аустенита.

Закалка — термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической (Ас₃ для доэвтектоидной и Ас₁ — для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь — для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также и высокой износостойкости.

Выбор температуры закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50 °С выше точки Ас₃ (рисунок 6). В этом случае сталь с исходной структурой перлит — феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит.

Рисунок 6 – Интервал рекомендуемых температур нагрева стали при закалке

критической скоростью закалки называется наименьшая скорость охлаждения V_кр, при которой в охлаждаемой стали из аустенита образуется только мартенсит. Закалку от температур, соответствующих межкритическому интервалу (Ac₁ - Ас₃) называют неполной закалкой и практически не применяют. При всех температурах нагрева в межкритическом интервале температур вследствие получения после закалки структуры мартенсита и сохранившегося при нагреве феррита твердость и прочность стали имеют более низкие значения по сравнению со значениями, полученными при закалке от температур выше Ас₃.

Заэвтектоидные стали под закалку нагревают на 30—50 °С выше точки Ас₁ (рисунок 6). При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества вторичного цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью. Цементит тверже мартенсита, поэтому неполная закалка заэвтектоидных сталей обеспечивает максимальную твердость. Верхний предел температуры закалки для большинства заэвтектоидных сталей ограничивают, так как чрезмерное повышение температуры выше Ас₁ связано с ростом зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому интервал колебания температур закалки большинства сталей невелик (15-20 °С).

Для многих легированных сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки Ас₁ и Ас₃ (на 150—250°С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита. Это повышение температуры не ведет к заметному росту зерна, так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.

Продолжительность нагрева при аустенизации стали. Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и заверше­ние фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали.

Общая продолжительность нагрева т_общ = т_сп + т_ив, где т_сп — продолжительность сквозного прогрева до заданной (конечной) температуры, обусловленная формой и размером изделия, их расположением, типом печи, составом и свойствами стали и т. д.; т_ив — продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, не зависящая от формы и размера изделия и определяемая только составом и исходным состоянием стали.

Для определения т_общ чаще пользуются опытными данными (таблица 1).

Таблица 1 Ориентировочная продолжительность нагрева изделий для закалки

Условия нагрева	Продолжительность нагрева, на 1 мм сечения (или толщины изделия), с
	круглого	квадратного	прямоугольного
В электропечи	40-50	50-60	60-75
В пламенной печи	35-40	45-60	55-60
В соляной ванне	12-15	15-18	18-22

Величина т_ив должна быть минимальной, но обеспечивать завершение фазовых превращений в стали и необходимую концентрацию углерода и легирующих элементов в аустените.

Продолжительность изотермической выдержки при заданной температуре для деталей машин часто принимают равной 15—25% от продолжительности сквозного прогрева.

Фасонный инструмент и детали машин сложных форм при нагреве под закалку для уменьшения деформации рекомендуется предварительно подогревать в печи при 400-600 °С.

Прокаливаемость и закаливаемость.

В зависимости от химического состава резко меняются прокаливаемость и закаливаемость стали. Под прокаливаемостью понимают способность стали воспринимать закалку на большую или меньшую глубину и величину зоны высокой твердости. За глубину прокаливаемости принимают расстояние от поверхности с мартенситной структурой до полумартенситной зоны, структура которой состоит из 50% мартенсита и 50% троостита. Полумартенситная зона определяется по структуре или твердости.

Закаливаемость — способность стали к повышению твердости в результате закалки.

Способы закалки. В зависимости от условий охлаждения существует несколько способов закалки (рисунок 7).

Рисунок 7 – Схемы различных способов закалки: а – в одном охладителе; б – в двух средах; в – ступенчатая; г – изотермическая

Наиболее распространена закалка в одном охладителе (рисунок 7, а). Однако в этом случае появляются значительные тер­мические и структурные напряжения из-за быстрого охлаждения деталей в большом интервале температур. Напряжения могут вызвать коробление деталей, а если они превысят предел прочности, то и появление трещин. Для уменьшения напряжений при закал­ке в одном охладителе применяют подстуживание, когда перед погружением в закалочную среду нагретую сталь охлаждают на воздухе (подстуживают) до температуры несколько выше А_r1. Это возможно для сталей, имеющих большую разницу между точками А_С3 и А_r1, (тепловой гистерезис), в частности для кремнистых, рессорно-пружинных и марганцевистых сталей.

Иногда при термообработке инструмента для уменьшения структурных напряжений применяют закалку в двух средах (рисунок 7, б), т. е. охлаждают изделия до температуры несколько выше М_н быстро в воде, а затем более медленно в масле.

Еще больший эффект дает ступенчатая закалка (рисунок 7, в), при которой нагретая до состояния аустенита сталь охлаждается в расплаве солей до температуры несколько выше М_н. При этой температуре делается короткая выдержка для выравнивания температуры по сечению детали, а затем охлаждается более медленно. В результате получается мартенситная структура, свободная от значительных структурных и термических напряжений. В соляных ваннах при температуре несколько выше М_н проводят изотермическую закалку (рисунок 7, г), только выдержку при постоянной температуре делают до полного окончания распада аустенита. В этом случае получается структура бейнита (игольчатого троостита) с твердостью 45—55 HRC, имеющего достаточною вяз­кость. Ступенчатой и изотермической закалке подвергают ста­ли с достаточно большим инкубационным периодом. К мало- и среднеуглеродистым сталям такой способ закалки применять нельзя.

1.2 Оборудование, инструмент и материалы

Для выполнения лабораторной работы используются: печи, нагретые до разных температур, образцы из стали 45, охлаждающая среда – вода, пресс роквелла, микроскоп.

1.3 Порядок выполнения работы

Образцы из стали 45 помещают в печи с температурой 650, 750, 830 и 890 °С. После соответствующей выдержки (зависящей от толщины образцов) образцы вынимаются из печи и охлаждаются в воде. После остывания и тщательной сушки образцы шлифуются, и замеряется их твердость на прессе Роквелла. Подготавливаются микрошлифы из закаленных образцов, изучаются и зарисовываются их микроструктуры.

Содержание отчета

Цель работы; стальной участок диаграммы с нанесением на нее полосы, соответствующей температурным интервалам нагрева под закалку до- и заэвтектоидной стали и линии стали 45; полученные результаты; рисунки микроструктуры закаленных сталей; выводы по работе; решение задачи.

Контрольные вопросы

1 Что такое закалка?

2 Выбор оптимальной температуры под закалку до- и заэвтектоидных сталей.

3 Закаливаемость и прокаливаемость.

4 Способы закалки.

5 Что такое троостит, сорбит, бейнит, мартенсит?

6 Что такое критическая скорость закалки?

7 Микроструктура стали 45 при закалке с температур 650, 750, 830 и 890 °С ?

Рабочая программа для студентов ФБО по курсу

«Материаловедение»

Приводятся наименование разделов, тем, их содержание.

1.1 Введение. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии науки материаловедение. Железнодорожный транспорт и транспортное машиностроение – крупнейшие потребители конструкционных металлических и неметаллических материалов. Роль данных дисциплин в инженерной и технологической подготовке специалистов железнодорожного транспорта в повышении эффективности и качества подвижного состава, строительных и дорожных машин.

1.2 Строение и кристаллизация металлов. Классификация металлов. Черные и цветные металлы: тугоплавкие, легкие, легкоплавкие, благородные и др. Металлы, являющиеся основой сплавов, применяемых в технике. Особенности атомного строения и свойства металлов. Полиморфные превращения в металлах. Анизотропия металлов. Строение реальных кристаллов. Понятие о теории дислокаций. Несовершенства кристаллического строения: точечные, линейные, поверхностные дефекты. Зерна, фрагменты, блоки. Кристаллизация металлов. Особенности жидкого состояния. Кривые охлаждения чистых металлов. Образование и рост кристаллических зародышей. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации и величину зерна. Строение слитка и дендрита. Кристаллическая, химическая и физическая неоднородность слитка. Внутрикристаллитная дендритная ликвация.

1.3 Механические свойства и конструкционная прочность металлов.Основные показатели механических свойств металлов: твердость, свойства при статическом растяжении, ударная вязкость, выносливость. Понятие о конструктивной прочности. Свойства, определяющие надежность и долговечность металлов. Влияние низких температур, ударных нагрузок на надежность металлов и сплавов. Триботехнические и теплофизические свойства металлов. Явление ползучести. Виды разрушения. Хрупкое и вязкое разрушение. Явление усталости.

1.4 Основы теории сплавов. Понятия: сплав, компонент, фаза, структура. Виды взаимодействия компонентов: твердые растворы, механические смеси, химические соединения. Виды твердых растворов. Методы построения диаграмм состояний. Четыре типа диаграмм состояний двойных систем. Вторичная кристаллизация. Связь между строением сплавов (диаграммой состояний) и их свойствами (закон Н. С. Курнакова). Определение химического состава и количественного соотношения фаз, находящихся в равновесии.

1.5 Железоуглеродистые стали. Железо и его свойства. Аллотропия, или полиморфизм, железа. Строение и свойства фаз и структурных составляющих системы железо-углерод. Диаграмма состояний железо-цементит. Роль Д. К. Чернова в разработке этой диаграммы. Углеродистые стали. Влияние углерода и постоянных примесей, а также кислорода, азота, водорода и неметаллических включений на структуру и свойства стали. Классификация углеродистых сталей по способу производства, качеству, степени раскисления и применению. ГОСТы на углеродистые стали. Маркировка сталей. Особые технические условия (ТУ) на углеродистые стали для ответственных деталей подвижного состава, машин, механизмов и сооружений железнодорожного транспорта. Понятие о чугунах. Назначение чугунов. Ковкий и высокопрочный чугун.

1.6 Основы теории термической обработки стали.Превращения в стали при нагреве. Наследственное зерно. Баллы величины зерна. Влияние величины зерна на механические и технологические свойства. Превращение переохлажденного аустенита. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении. Превращение аустенита в мартенсит. Особенности мартенситного превращения. Строение и свойства мартенсита. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали. Особенности диаграмм для до- и заэвтектоидной сталей. Изотермическая закалка стали. Теория упрочнения сплавов путем закалки и старения. Напряжение и деформация. Влияние температуры и скорости нагружения на сопротивление деформации. Применение поверхностной пластической деформации для упрочнения деталей подвижного состава.

1.7 Технология термической обработки стали. Классификация основных видов термической обработки. Окисление и обезуглероживание стали при нагреве. Защитные среды для термообработки. Отжиг стали и его разновидности. Нормализация стали. Влияние отжига и нормализации на структуру, механические свойства и обрабатываемость резанием. Закалка стали. Выбор температуры закалки. Закаливаемость и прокаливаемость стали. Внутренние напряжения (термические и структурные), возникающие при закалке. Способы закалки. Структура и свойства закаленной стали. Обработка холодом, ее назначение. Поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты – (ТВЧ) (В. П.Вологдин). Особенности структуры и свойств стали, закаленной индукционным нагревом. Детали подвижного состава, подвергаемые закалке с нагревом ТВЧ. Газоплазменный нагрев под закалку. Отпуск закаленной стали и его виды. Улучшение стали. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали. Наклеп и рекристаллизация. Термомеханическая, механотермическая обработка стали (ВТМО и НТМО).

1.8 Технология и оборудование термической обработки. Нагревательные устройства и печи для закалки. Химическое взаимодействие металлов с печной средой. Способы охлаждения нагретых металлов. Механизация и автоматизация ТО, применение робототехнических устройств. Охрана труда в термических цехах.

1.9 Химико-термическая обработка стали. Сущность и цели химико-термической обработки. Физико-химические основы химико-термической обработки стали. Цементация стали, ее виды, химизм процесса. Варианты термической обработки цементированной стали. Азотирование стали. Химизм процесса, структура и свойства азотированной стали. Детали подвижного состава, подвергаемые цементации и азотированию. Нитроцементация (цианирование) конструкционной и инструментальной сталей. Сульфоцианирование, алитирование и хромирование стали. Борирование стали.

1.10 Основы легирования стали. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа. Диаграммы состояний железо – легирующий элемент с открытой и закрытой областью. Карбидообразующие и не карбидообразующие элементы. Влияние легирующих элементов на основные превращения в стали (распад аустенита, мартенситное превращение, превращение при отпуске). Отпускная хрупкость 1-го и 2-го рода. Влияние марганца, хрома, кремния, никеля, молибдена, вольфрама на превращения, структуру и свойства сталей. Цели добавления и количество вводимых в сталь титана, ванадия, алюминия, бора, меди, серы, свинца, селена, азота и редкоземельных элементов (РЗМ).

1.11 Конструкционные легированные и инструментальные стали. Требования к конструкционным и инструментальным сталям. Классификация и маркировка. ГОСТы на легированные конструкционные и инструментальные стали. Цементируемые улучшаемые легированные стали; их состав, термическая обработка, свойства и применение в транспортном и строительно-дорожном машиностроении. Хладостойкие стали для машин, работающих в условиях низких температур. Рессорно-пружинные стали для подвижного состава. Стали для измерительного инструмента. Стали для режущего инструмента. Быстрорежущие стали, их состав, структура, термическая обработка и свойства. Металлокерамические твердые сплавы. Стали для подшипников подвижного состава.

1.12 Стали и сплавы с особыми свойствами. Виды коррозии сплавов. Нержавеющие хромистые и хромоникелевые аустенитные стали, их термическая обработка. Экономно легированные нержавеющие стали для вагоностроения. Износостойкость. Марганцовая сталь для крестовин стрелочных переводов и ее термическая обработка. Понятие о высокопрочных мартенситостареющих сталях. Теплостойкие и жаропрочные стали и сплавы. Стали для деталей клапана и форсунки дизеля. Сплавы для нагревательных элементов. Реостатные сплавы. Магнитомягкие и магнитотвердые стали и сплавы, их применение в локомотивах.

1.13 Цветные металлы и сплавы. Алюминий и сплавы на его основе. Деформируемые алюминиевые сплавы. Жаропрочные алюминиевые сплавы. Литейные алюминиевые сплавы. Термическая обработка алюминиевых сплавов. Применение алюминиевых сплавов в локомотивах и вагонах. Медь и сплавы на ее основе. Латуни и бронзы. Медные сплавы на основе никеля. Титан и его сплавы. Перспективы применения титановых сплавов. Магний и сплавы на его основе. Области применения магния на транспорте. Антифрикционные сплавы на оловянной, свинцовой и цинковой основах; их применение на подвижном составе и в строительно-дорожных машинах.

1.14 Конструкционные пластические массы. Классификация полимеров. Структура и свойства полимеров. Состав и свойства пластических масс. Термопластичные и термореактивные материалы. Пластмассы с порошковыми, волокнистыми и слоистыми наполнителями. Газонаполненные пластмассы. Технология и оборудование для переработки пластмасс. Композиционные и слоистые материалы, металл-полимерные композиты. Области рационального применения пластмасс, полимерных защитных покрытий и композиционных материалов на транспорте.

1.15 Экономическая эффективность применения различных материалов и процессов. Сравнительные данные о стоимости углеродистых и легированных сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов, пластических масс. Технологическая оценка применения различных видов термической и химико-термической обработки.

ПРЕДМЕТНЫЙ АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

Аустенит  38 Графит Излом 25  вязкий (волокнистый) 26  камневидный 28  крупнозернистый 27  межкристаллический 27  мелкозернистый 27  нафталинистый 28  смешанный 27  транскристаллический 27  усталостный 29  хрупкий (кристаллический) 26  черный 29  шиферный (слоистый) 28 Излом с закалочной трещиной 30 Излом с флокенами 29 Ледебурит 39 Линия  вторичной кристаллизации 40  ледебуритного превращения 39  ликвидус (первичной кристаллизации) 39  перлитного превращения 41  эвтектического превращения 39 Лупа Бринелля 13 Макроскопический анализ 24 Макрошлиф 32 метод определения твердости  по Бринеллю 6  по Польди 15  по Роквеллу 17

Очаг разрушения 29 Перлит 38  зернистый 38  пластинчатый 38 Сталь 41, 43  доэвтектоидная 41, 50  заэвтектоидная 41, 53  легированная 475  углеродистая 44, 54  эвтектоидная 41, 52 Твердость 5 темплет 32 Феррит 38 Цементит 38  вторичный 65  первичный 65  третичный 65 Чугун 41, 57  антифрикционный 67  белый 58  высокопрочный 66  довтектический 41, 58, 59  заэвтектический 41, 58, 60  ковкий 64  легированный 67  половинчатый 61  серый 61  эвтектический 41, 58, 60