ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ

Мартенсит закалки — неравновесная (метастабильная) структура, сохраняющаяся ввиду малой подвижности атомов при низких температурах. При закалке в изделиях всегда возникают большие внутренние напряжения в результате объемных изменений. Для получения более равновесного состояния после закалки изделия подвергают отпуску, нагревая до температур ниже Ас ₁. Изучая процессы, происходящие в закаленной стали при нагреве, наиболее часто пользуются прибором — дилатометром. В прибор помещают два одинаковых по размерам образца из одной и той же стали. Один из образцов находится в отожженном, другой — в закаленном состояниях. При нагреве до температур ниже Ас ₁в отожженном образце никаких превращений не происходит, его размеры изменяются только за счет теплового расширения, а в закаленном образце совершаются и структурные превращения, сопровождающиеся изменениями объема. Прибор дифференциальный, он показывает только те изменения размеров, которые происходят в закаленном образце при нагреве за счет структурных превращений. В результате получается кривая, подобная приведенной на рис. 18.

Различают четыре основных превращения, происходящих при нагреве закаленной стали. В результате изменения состава стали и времени выдержки при отпуске происходит смещение температурных интервалов этих превращений, однако сущность процессов остается неизменной.

Первое превращение происходит при температуре до 200 °С. При низких температурах — до 100 °С — скорость диффузии очень мала. Так, при 0 °С время, в течение которого половина объема мартенсита будет участвовать в начальной стадии распада, это сотни лет. При 20 °С на этот же процесс потребуется около шести лет, а при 100° С всего лишь 50 мин. Поэтому до 80 °С за время эксперимента практически никаких изменений в закаленном образце не наблюдается.

В интервале температур от 80 до 150—200 °С происходит так называемый «двухфазный» или «гетерогенный» распад мартенсита.

Рис. 18. Дилатометрическая кривая отпуска закаленной (а) и отожженной (б) углеродистой стали (1,2% С)

При этих температурах в отдельных участках исходного мартенсита выделяются тончайшие пластины карбида. Толщина таких пластинок составляет несколько атомных слоев, длина — несколько сот ангстрем. Решетка образовавшегося карбида когерентна решетке мартенсита, т. е. на их границе имеется общий слой атомов. Состав образовавшихся пластинок карбида окончательно не установлен. Известно, что он метастабилен, имеет гексагональную решетку. Его обозначают как ε-карбид или карбид Fe_xC.

В непосредственной близости от образовавшихся пластинок карбида твердый раствор обедняется углеродом, уменьшается тетрагональность мартенсита. Но при этих температурах ввиду малой скорости диффузии концентрация не успевает выравниваться, поэтому в одном зерне могут сосуществовать два твердых раствора с одинаковым типом решетки, но с разной концентрацией углерода. Поэтому такой распад мартенсита и называется «двухфазным».

Кристаллы образовавшихся карбидов при этих температурах не растут. Процесс развивается за счет выделения новых частиц карбида в тех участках мартенсита, которые имеют исходную концентрацию углерода.

В результате первого превращения при отпуске получается так называемый отпущенный или кубический мартенсит.

Отпущенный мартенсит — это гетерогенная смесь пересыщенного углеродом α-раствора неоднородной концентрации (от исходной до незначительно большей, чем в феррите) и не обособленных частиц карбида. С уменьшением тетрагональности мартенсита уменьшается объем всего образца (см. рис. 18).

Второе превращение происходит в интервале температур 200—300 °С. В этом интервале остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит. Такое превращение возможно вследствие того, что с уменьшением тетрагональности мартенсита уменьшаются сжимающие напряжения, действующие на остаточный аустенит.

Превращение остаточного аустенита сопровождается некоторым увеличением объема. Одновременно происходит уменьшение тетрагональности мартенсита и при температурах ближе к 300 °С начинаются обособление и рост частичек карбида. Внутренние напряжения уменьшаются.

Третье превращение происходит в интервале 300— 400 °С. Скорость диффузии при этих температурах заметно увеличивается, весь избыточный углерод постепенно выделяется из решетки Fe_α, карбидные частички полностью обособляются, приобретают строение Fe₃C и начинают расти. Образующаяся высокодисперсная смесь феррита и цементита называется трооститом отпуска.

Четвертое превращение — при нагреве выше 400° С. При этой температуре происходят постепенный рост частичек карбида и их коагуляция. При 550—600 °С размер частичек равен 0,1—0,2 мкм. Такая структура называется сорбитом отпуска.

В отличие от сорбита, полученного при охлаждении аустенита, цементит в сорбите отпуска имеет округлую форму. При нагреве закаленной стали до 650—700 °С получают перлит отпуска или глобулярный перлит с размером частиц —0,3—0,4 мкм.

Малая диффузионная подвижность атомов легирующих элементов оказывает существенное влияние на процессы, протекающие в закаленных сталях при отпуске (только никель и марганец не оказывают заметного влияния на эти процессы).

На первую стадию распада мартенсита (до 150 °С), когда происходит «двухфазный» распад, влияние легирующих элементов незначительно. Выделяющийся карбид железа имеет такую же концентрацию легирующих элементов, как и исходный мартенсит, и также существует когерентная связь.

При дальнейшем нагреве процесс протекает медленнее, чем в углеродистых сталях, и поэтому легированные стали сохраняют структуру отпущенного мартенсита до более высоких температур (иногда до 400— 500 °С).

Легирование оказывает существенное влияние на второе превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит. Температура этого превращения повышается. Так как в легированных сталях, как правило, сохраняется значительное количество остаточного аустенита, то превращение последнего в отпущенный мартенсит способствует сохранению твердости до более высоких температур.

Третье и четвертое превращения в легированных сталях также происходят при более высоких температурах. Поэтому после одинаковых по температуре нагревов закаленных сталей легированные стали имеют более высокую твердость и прочность.

Карбидная фаза при отпуске претерпевает специфические превращения. С повышением температуры увеличивается подвижность атомов легирующих элементов, благодаря чему становится возможным их перераспределение между цементитом и ферритом. Концентрация легирующих элементов в цементите увеличивается и при определенных значениях решетка цементита перестраивается в решетку того специального карбида, который может находиться в данной стали в равновесии с ферритом. (При сохранении легированного мартенсита до высоких температур возможно выделение специального карбида и непосредственно из мартенсита). Образовавшиеся дисперсные карбиды могут значительно увеличивать твердость.

Таким образом, выше были рассмотрены четыре основных превращения в стали, протекающие при нагреве и охлаждении: П→А, А→П, А→М и М→П. В основе всех превращений лежит стремление системы к минимуму свободной энергии. На рис. 19 приведена схема изменения свободной энергии основных структур с изменением температуры. Из этой схемы видно, что превращения М→А и П→М невозможны.

Рис. 19. Изменение свободной энергии аустенита (F_А), мартенсита (F_M) и перлита (F_П) с изменением температуры; То— температура метастабильного равновесия А—М

Практика закалки и отпуска стали

Закалка углеродистых сплавов производится в целях повышения их механических свойств: твердости, предела прочности, упругости и износостойкости.

Процесс закалки состоит из следующих этапов:

а) нагревания изделия до температуры закалки;

б) выдержки изделия в течение определенного времени при за
данной температуре;

в) охлаждения изделия с нужной скоростью.

Температура нагрева под закалку должна обеспечить в стали аустенитную структуру. На рис. 20 показан интервал температур для закалки сталей в зависимости от содержания углерода. Если доэвтектоидную сталь нагревать до аустенито-ферритной структуры, то закалка будет неполная, а твердость стали — невысокая (в структуре будет феррит). Заэвтектоидные стали рекомендуется нагревать до аустенито-цементитной структуры, т. е. производить неполную закалку, так как цементит в структуре увеличит твердость металла.

В случае нагрева выше рекомендованного интервала возможен перегрев стали и снижение ее свойств. Для контроля температуры в печи применяются пирометры. При отсутствии пирометров температуру ориентировочно можно определять по цветам каления. Цвет каления стали в зависимости от температуры, °С, изменяется следующим образом:

Рис. 20. Цвета каления (а) и побежалости (б)

Время выдержки стали при температуре закалки должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить образование однородного аустенита по всему сечению.

Время нагрева и выдержки изделий из углеродистой стали зависит от температуры нагрева, нагревающей среды и формы изделий.

В табл. 2 Приведены условия нагрева стали при термической обработке в лабораторных электрических печах.

Таблица 2

Условия нагрева стали при термообработке

Скорость охлаждения при закалке оказывает влияние на структуру и свойства стали. Для получения структуры мартенсита в углеродистых сталях необходимо охлаждение со скоростью 400—600 °С в секунду в интервале 600—400 °С. Снижение скорости приводит к появлению структуры троостита (200 °С в 1 сек) и сорбита (около 100 °С в 1 сек).

При закалке важным является медленное охлаждение стали в интервале температур, при которых происходит превращение аустенита в мартенсит (300 °С), так как непосредственный переход аустенита в мартенсит не требует больших скоростей охлаждения и, кроме того, если превращение аустенита в мартенсит будет происходить при медленном охлаждении, то изменение его объема по сечению протекает равномерно и тем самым снижаются внутренние напряжения и деформации.

В табл. 3 приведены скорости охлаждения, получаемые в некоторых наиболее распространенных охлаждающих средах.

Важное значение при закалке имеет способ погружения изделия в охлаждающую жидкость (рис. 21).

Неправильное погружение приводит к, неравномерному распределению в металле внутренних напряжений, что может вызвать коробление изделий, а также недостаточную твердость его отдельных частей. Изделия, имеющие несквозные отверстия, следует погружать в охлаждающую жидкость закрытой стороной, чтобы воздух и пар могли выйти в отверстия, а вода проникла в него. Детали, имеющие вогнутую поверхность, нельзя погружать вогнутой поверхностью вниз, так как образующаяся паровая рубашка не даст этому месту закалиться. При закалке изделий, имеющих неодинаковые сечения, сначала погружают в жидкость наиболее массивные их части. Изделия плоской формы следует погружать в охлаждающую среду узкой стороной.

Отпуск стали проводится после закалки, чтобы уменьшить хрупкость, ослабить напряжения и получить требуемые механические свойства.

Таблица 3 Скорость охлаждения стали в охлаждающих средах

Рис. 21 Способ погружения изделия в охлаждающую жидкость

Температура нагрева стали зависит от вида отпуска.

Время выдержки зависит от размеров изделия и температуры нагрева (табл. 2).

Большое применение имеет отпуск по цветам побежалости, которые зависят от температуры нагрева, °С:

Метастабильные структуры

К метастабильным (неустойчивым) структурам относятся мартенсит, троостит, сорбит и аустенит.

Мартенсит имеет игольчатое строение. Размеры игл зависят от температуры, закалки и от размеров зерен аустенита, из которых они образовались, и их количества. Лучшими механическими свойствами обладает мелкоигольчатый мартенсит. В металломикроскопе мартенсит наблюдается в виде игл, расположенных под углом 60, 90 и 120° друг к другу.

Троостит является продуктом распада аустенита при закалке, а при среднем отпуске — продуктом распада мартенсита. Троостит травится реактивами интенсивнее мартенсита, поэтому под микроскопом он выглядит темным.

Сорбит образуется при высоком отпуске закаленной на мартенсит стали. Сорбит виден под микроскопом в виде светлых участков — зерен цементита в феррите.

Аустенит наблюдается в виде светлых полей или светлого фона. Остаточный аустенит бывает только в высокоуглеродистых и некоторых легированных сталях после закалки.

Вопросы для самопроверки:

1. От чего зависят свойства сплава?

2. Назовите основные виды термической обработки?

3. Как различают разновидности отжига I рода?

4. Что понимают под отжигом II рода?

5. Дайте определение закалки?

6. Дайте определение отпуска?

7. Что понимают под химико-термической обработкой?

8. Что понимают под термомеханическойобработкой?

9. Что лежит в основе всех превращений, которые совершаются в стали при нагреве?

10. Поясните влияние скорости нагрева на продолжительность превращения?

11. Как различают величину зерна наследственного и действительного?

12. Какие происходят превращения в стали при охлаждении?

13. Как можно легко обнаружить превращение аустенита?

14. Какие превращения происходят в закаленной стали?

15. Какие применяются виды закалок?

16. Какой интервал температур применяется при закалке?

17. Какие применяются виды отпусков?

18. Какие интервалы температур применяются при отпуске?

Литература:

1. Блинов И.С. Справочник технолога механосборочного цеха судоремонтного завода. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1979. – 704 с.

2. Иваней А.А. Электронный конспект лекций.

3. Конструкционные материалы: Справочник /Под общ.ред.Б.Н.Арзамосова.-М.:Машиностроение,1990.-688с.

4. Марочник сталей и сплавов /Под ред. В.Г.Сорокина.-М.:Машиностроение,1989.-640с.

5. Солнцев Ю.П. Оборудование пищевых производств. Материаловедение: Учеб. для вузов.- СПб.: Изд-во «Профессия», 2003.- 526с.

6. Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. и др. Материаловедение и технология металлов. – М.: Высш. шк., 2000. – 638 с.

Форма отчета

Практическая работа №5.

« ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ »

1. По таблице заданий найти свой вариант.

2. Изучить теоретические сведения термической обработки сталей.

3. Определить режим закалки образца стали в соответствии с заданием.

4. Определить режим низкого, среднего и высокого отпуска образцов стали в соответствии с заданием.

5. Указать твердость образцов после закалки.

6. Указать твердость образцов после отпуска.

7. Охарактеризовать структуру стали после выполненных различных видов термической обработки.

8. Сделать анализ влияния термической обработки стали на ее механические свойства.

Протокол испытаний

Таблица заданий

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: