Превращения в стали при охлаждении

Аустенит является устойчивым только при температуре выше 727°С (точка Ar₁). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния (ниже точки Ar₁), аустенит становится неустойчивым - начинается его превращение. Такое превращение может начаться только лишь при некотором переохлаждении аустенита. Для случая эвтектоидной углеродистой стали аустенит превратится в перлит, т. е. в механическую смесь феррита и цементита. При этом, с одной стороны, чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение и тем быстрее будет происходить превращение аустенита в перлит. С другой стороны, это превращение сопровождается диффузионным перераспределением углерода и чем ниже температура переохлаждения, тем медленнее протекает процесс диффузии, что в свою очередь замедляет превращение аустенита в перлит. Такое противоположное действие обоих названных факторов (переохлаждения и диффузии) приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигая при определенной величине переохлаждения максимума, а затем убывает.

Рис. 4. Диаграмма изотермического превращения эвтектоидной стали:
А – аустенит, П – перлит, С – сорбит, Т – троостит, Б – бейнит, М – мартенсит

Процесс превращения аустенита в перлит экспериментально проводят при постоянной температуре, т. е. в изотермических условиях. Для этого образцы из стали нагревают до температуры, при которой ее структура состоит из однородного аустенита, а затем быстро переносят в термостаты с заданной температурой.

Превращение аустенита при постоянной температуре обобщается и изображается наглядно в виде диаграммы изотермического превращения (рис. 4). Эта диаграмма строится на основе исследований при постоянных температурах (700, 650, 550°С и т. д.). По горизонтальной оси диаграммы наносят время в логарифмической шкале: 1, 10, 100, 1000, 10 000 и 100 000 с. Это дает возможность проследить превращения, протекающие за промежуток от долей секунды до суток и более. По вертикальной оси откладывают температуру. Далее на диаграмме проводят жирные С-образные линии, отвечающие полученным экспериментальным путем точкам изотермического превращения аустенита. В этой стали распад аустенита происходит в интервале температур от Ас₁ до М_н (температуры начала мартенситного превращения, см. гл. V). Левая кривая I соответствует началу, а правая кривая II - окончанию распада аустенита.
Стальной образец охлаждают до 700°С и выдерживают его при этой температуре. В течение некоторого промежутка времени до точки а (пересечение горизонтали, соответствующей 700°С с кривой I) в аустените превращений не происходит. Этот период времени называют инкубационным.

На диаграмме изотермического превращения в зависимости от степени переохлаждения различают три температурные области превращения: перлитную, бейнитную и мартенситную. В точке а начинается перлитное превращение. Диффузионный распад аустенита продолжается до точки b (пересечение горизонтали 700°С с кривой II), где происходит превращение аустенита в перлит. Перлит образуется при распаде аустенита при малых степенях переохлаждения в области температур от Ас₁ до 650°С. Твердость перлита НВ 160. Если охлаждать образец до 650°С, т. е. до точек начала a₁ и конца b₁ распада аустенита, то инкубационный период и период распада аустенита уменьшаются, в результате чего образуется структура сорбит.
Перлитом (рис. 5, а) называют механическую смесь кристаллов феррита и цементита; сорбитом (рис. 5, 6) - более мелкую (дисперсную), чем перлит, механическую смесь феррита и цементита. Сталь, в которой преобладает структура сорбита, обладает высокой прочностью и пластичностью.

При охлаждении образца до 500°С, до точек распада а₂ и b₂, аустенит превращается в троостит. Троостит (рис. 5, в) представляет собой очень тонкую смесь феррита и цементита; отличается от перлита и сорбита очень высокой степенью дисперсности составляющих. Сталь со структурой троостита обладает повышенной твердостью (НВ 330-400), достаточной прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью.
Таким образом, основным фактором, определяющим структуру и свойства аустенита, является температура превращения. Если на С-образную кривую нанести лучи (термические линии охлаждения), то получим следующую схему (рис. 6). При медленном охлаждении образца луч v₁, пересечет кривые I и II в точках a₁ и b₁. При этих температурах происходит превращение аустенита в перлит.
При большей скорости охлаждения луч v₂ пересечет кривые в точках а₂ и b₂ и аустенит полностью превратится в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения луч v₃ проходит через точки а₃ и b₃ и образуется новая структура - троостит.
Далее по мере ускорения процесса охлаждения лучи будут все круче (линии v₄ и v₅) и первое превращение аустенита в троостит не успеет закончиться. Оставшаяся часть переохлажденного аустенита (точки а₄ и а₅) начнет превращаться в троостит с мартенситом.

Рис. 5. Микроструктура перлита (а), сорбита (б), троостита (в) при 7500^х увеличении

Рис. 6. Кривые охлаждения стали на диаграмме изотермического распада аустенита

Наконец, при наибольших скоростях охлаждения, когда луч v_кр касается кривой I (начала распада аустенита) и пересекает горизонталь М_н, в стали получается только мартенсит. Скорость охлаждения, при которой в закаливаемой стали из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Чтобы закалить сталь, ее охлаждают со скоростью, не меньшей, чем критическая (например, v₆).
Мартенситное превращение в отличие от перлитного имеет бездиффузионный характер. Мартенсит является основной структурой закаленной стали. Он имеет высокую твердость, зависящую от содержания углерода в стали. Чем больше содержится углерода в мартенсите, тем выше твердость стали. Так, например, для стали с содержанием 0,4% углерода твердость мартенсита составляет HRC 52-54, а для стали с содержанием углерода 1,0% - HRC 62-64. Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу. При резком переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. В этом случае происходит только перестройка решетки γ-железа в решетку α-железо. Атомы углерода остаются в решетке α-железа (мартенсите) и поэтому сильно ее искажают.

Такую искаженную кристаллическую решетку называют тетрагональной (рис. 7), в которой один параметр с больше другого а и, следовательно, отношение параметров с/а>1. Степень искаженности (тетрагональности) зависит от содержания углерода в стали: она тем выше, чем больше углерода в стали. Следовательно, мартенсит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе, которое способно растворять очень небольшое количество углерода (до 0,02%), а в мартенсите углерода столько, сколько его содержится в аустените этой стали, поэтому мартенсит является α-твердым раствором, перенасыщенным углеродом.

Рис. 7. Кристаллическая ячейка мартенсита:
1 – атомы железа, 2 – атомы углерода

Рис. 8. Микроструктура мартенсита при 1000^х увеличении

Мартенсит имеет характерное игольчатое строение (рис. 8, а). Чем мельче зерна аустенита, тем мельче получаются иглы мартенсита (рис. 8, б). Такая структура характерна для правильно закаленной стали.

Для аустенитно-мартенситного превращения характерно то, что оно происходит в интервале температур. Начинается превращение при температуре М_н, а заканчивается при более низкой температуре М_к (рис. 9). Чем больше в стали углерода, тем ниже температура точек М_н и М_к. При содержании углерода более 0,6% мартенситное превращение оканчивается при температурах ниже нуля. Поэтому, для того, чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их следует охлаждать до температур ниже нуля. Однако при температуре конца мартенситного превращения (точка М_к) не происходит полного образования мартенсита. Аустенит А частично остается не превращенным в мартенсит и называется остаточным аустенитом. В конструкционных углеродистых сталях остаточный аустенит составляет ~5%. Закаленные высокоуглеродистые стали содержат большее количество остаточного аустенита - до 12%.

Рис. 9. Влияние содержания углерода на температуру начала и конца мартенситного превращения

При аустенитно-мартенситном превращении изменяется объем образующихся структур. Максимальный объем имеет структура мартенсита, меньший объем - структура троостита, еще меньший - сорбита и перлита и самый минимальный объем имеет структура аустенита.

Бейнитное (промежуточное) превращение при изотермической выдержке углеродистых сталей происходит в интервале температур ~500-250°С с образованием структуры, называемой бейнитом. Это превращение характеризуется сочетанием как перлитного (диффузионного), так и мартенситного (бездиффузионного) превращения. Начинается бейнитное превращение с перераспределения углерода в аустените. Благодаря этому в аустените образуются обогащенные и обедненные углеродом участки. Цементит выделяется в участках, обогащенных углеродом, в результате чего образуются участки аустенита, обедненные углеродом. В этих участках, а также в уже имеющихся участках, обеднениях углеродом, идет мартенситное превращение, а затем распад цементита, в результате чего образуется ферритоцементитная смесь.

При температуре изотермической выдержки более 350°С образуется верхний бейнит (~НВ 450) с перистым строением, напоминающим строение перлита, при температуре изотермической выдержки менее 350°С образуется нижний бейнит (~НВ 550), имеющий игольчатое строение, похожее на строение мартенсита.

Отжиг

Отжиг - процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.

В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига (рис. 39): 1 - диффузионный; 2 - полный; 3 - изотермический; 4 - неполный; 5 - сфероидизирующий; 6 - рекристаллизационный.

Рис. 10. Режимы различных видов отжига

Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) применяют для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой температуры, при которой атомы элементов приобретают большую подвижность. Благодаря этому происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией.

Для обеспечения необходимой скорости диффузии атомов отжиг стали проводят при высокой температуре (1100-1200°С) с выдержкой 10-20 ч (рис. 10, кривая 1).
Полный отжиг (рис. 10, кривая 2) применяют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Это достигается нагревом стали на 30-50°С выше верхней критической точки Ас₃ и медленным охлаждением.

При нагреве стали выше температуры Ас₃ перлит превращается в аустенит. При небольшом превышении температуры Ас₃ (на 30-50°С) образовавшиеся кристаллики аустенита остаются еще мелкими. В дальнейшем, при охлаждении ниже температуры Ас₁ образуется однородная мелкозернистая структура ферритно-перлитного типа.

Температуру нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграмме состояния (рис. 11), а для легированных сталей - по положению их критической точки Ас₃, имеющейся в справочных таблицах.
Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева детали, и времени, нужного для окончания структурных превращений.

Рис. 11.а Диаграмма состояния с интервалами нагрева углеродистой стали для отжига, нормализации, закалки и отпуска

Рис. 11.б Диаграмма состояния железо - углерод для определения температуры нагрева сталей при термической обработке.

Изотермический отжиг (полный отжиг) заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас₃ (конструкционные стали) и выше точки Ас₁ на 50-100°С (инструментальные стали). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже точки Аг₁ (680-700°С, см. рис. 11). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки небольших по размерам изделий из легированных сталей в 2-3 раза по сравнению с полным отжигом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется большое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.

Сфероидизирующий отжиг (низкий отжиг) (рис. 10, кривая 5) обеспечивает превращение пластинчатого перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатывамость сталей резанием. Отжиг на зернистый перлит производят по режиму: нагрев стали немного выше точки Ас₁ с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550-600°С и далее на воздухе. Сфероидизирующий отжиг применяют для сталей, содержащих более 0,65% углерода, например шарикоподшипниковые стали типа ШХ15.

Рекристаллизационный отжиг (рис. 10, кривая 6) применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепом называют упрочнение металла, появляющееся в результате холодной пластической деформации металла.
При холодной прокатке, штамповке, волочении зерна металла деформируются, дробятся. Это повышает твердость металла, снижает его пластичность и вызывает хрупкость. В этом и заключается сущность наклепа.

Рекристаллизационный отжиг выполняют путем нагрева до температуры ниже Ас₁ (650-700°С), выдержки и последующего замедленного охлаждения. При нагреве металла до 650-700°С (рекристаллизационный отжиг) возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичное кристаллизационные процессы (рекристаллизация). На границах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформированных зерен вырастают новые равноосные зерна и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.

Поиск по сайту: