![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Превращения, происходящие в стали при нагреве и охлаждении
Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки Ас1 (см. рисунок 7.3) представляет собой смесь перлита и феррита. В точке Ас1 начинается фазовая перекристаллизация перлита, т. е. превращение его в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве (от точки Ас1 до точки Ас3, ) избыточный феррит растворяется в аустените, при достижении точки Ас3, (линия GS) этот процесс заканчивается. Выше точки Ас3 структура стали становится аустенитной. При нагреве заэвтектоидной стали выше температуры точкиАс1 в аустените начинает растворяться избыточный цементит. Выше точки Аст (линия ES) сталь состоит только из аустенита, неоднородного по химическому составу. В тех местах, где был цементит, аустенит богаче углеродом, а там, где был феррит, — беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава аустенита сталь нагревают до температуры, немного выше верхней критической точки Ас3, и выдерживают при этой температуре. При повышении температуры выше точки Ас3 мелкие зерна аустенита соединяются между собой, размеры их увеличиваются. Весьма ответственной характеристикой структуры стали является размер зерна аустенита. При охлаждении стали аустенит испытывает превращения и формирование новой структуры, что существенно зависит от размера зерна аустенита. Чем меньше зерна аустенита, тем меньше будут размеры зерен феррита и перлита, а в закаленных сталях меньше размеры кристаллов мартенсита. Мелкозернистый аустенит способствует улучшению механических свойств стали. Увеличивается сопротивление хрупкому разрушению. Снижается температурный порог хрупкости Т50. В закаленных сталях со структурой мартенсита сопротивление хрупкому разрушению увеличивается при уменьшении размеров кристаллов мартенсита. Размер зерна аустенита в сталях может быть от миллиметра до микронов. Его определяют различными способами, но в основном металлографическим анализом. ГОСТ 5639-82 регламентирует размеры зерен, которые характеризуются его номером: -3, -2, -1, 0, 1, 2... 14. Чем больше номер, тем мельче зерно. Например: средний диаметр зерна номера -3 составляет 1, 000 мм, номера 7 — 0, 031 мм, номера 14 — 0, 0027 мм. Крупными зернами считаются с номерами от -3 до 5, мелкими — с номерами от 6 до 14. При скорости нагрева в промышленных термических печах начальное зерно аустенита имеет номера 8-10. При нагреве концентрированными потоками энергии (лазер, электронный луч, ТВЧ и др.) начальное зерно получается более мелким — вплоть до номера 14. Аустенит устойчив только при температурах выше 727 °С (см. рисунок 9.3, точка Аr1). При охлаждении стали, нагретой до аустенитного состояния, ниже точки Ап начинается распад аустенита. Как уже было сказано (см. диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов), при медленном охлаждении эвтектоидной углеродистой стали (0, 81 % углерода) при температуре, соответствующей линии PSK происходит превращение аустенита в перлит. Кристаллическая решетка γ -железа перестраивается в α -железо, выделяется цементит. Изучение процесса превращения аустенита в перлит проводится при постоянной температуре (в изотермических условиях) и непрерывном охлаждении. На рисунке 9.4 показана диаграмма изотермического превращения аустенита при постоянной температуре. По оси ординат указана температура, по оси абсцисс — время. Для удобства построения диаграммы время распада обычно дают по логарифмической шкале, так как оно может колебаться в широких пределах — от долей секунды до десятков минут и даже часов. Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, т. е. выше критической точки, а затем быстро охлаждают, например до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т. д., и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от 727 до 250 °С (температуры начала мартенситного превращения Мн).
Рисунок 7.4 – Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0, 8 % углерода
На диаграмме видны две С-образные кривые. Кривая I указывает время начала превращения, кривая II — время конца превращения переохлажденного аустенита. Период времени до начала распада аустенита называют инкубационным. При 700 °С превращение аустенита начинается в точке а и заканчивается в точке b, в результате этого процесса образуется перлит (рисунок 7.5, а). При 650 °С распад аустенита происходит между точками а1 и b1. В этом случае образуется сорбит — тонкая (дисперсная) механическая смесь феррита и цементита (рисунок 7.5, б). Сталь, в которой доминирует структура сорбита, имеет твердость 30-40 HRCэ. Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью. Устойчивость аустенита в значительной мере зависит от степени переохлаждения. Наименьшую устойчивость аустенит имеет при температурах, близких к 550 °С. Для эвтектоидной стали время устойчивости аустенита при 550-560 °С — около 1 с. По мере удаления от температуры 550 °С устойчивость аустенита возрастает. Время устойчивости при 700 °С составляет 10 с, а при 300 °С — около 1 мин. При охлаждении стали до 550 °С (точки начала и конца распада — а2 и b2 соответственно, аустенит превращается в троостит — смесь феррита и цементита, которая отличается от перлита и сорбита высокой степенью дисперсности составляющих и обладает повышенной твердостью (40-45 HRCэ), прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью. Ниже температуры 550 °С в результате промежуточного превращения аустенита (в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенситного превращения) образуется структура бейнита, состоящая из смеси перенасыщенного углеродом феррита и карбидов (цементита). Различают верхний бейнит перистого строения, появляющийся при 500-350 °С, и нижний (пластинчатого, игольчатого строения), образующийся при 350-250 °С.
а — перлит; б — сорбит; в — троостит Рисунок 7.5 – Микроструктура, полученная с помощью электронного микроскопа (X 7500)
Верхний бейнит имеет пониженную прочность, невысокую пластичность и вязкость, твердость его 43-46 HRCэ. У нижнего бейнита показатели прочности, пластичности и вязкости более высокие, твердость 52-55 HRCэ. Превращения аустенита при температурах Аr 550 °С называют перлитными, при температурах 550 °С – Мн – промежуточными и при температурах Мн — Мк — мартенситными. Если на диаграмму изотермического распада переохлажденного аустенита нанести кривые охлаждения, то можно проследить превращение аустенита при непрерывном охлаждении. При медленном охлаждении аустенит превратится в перлит. При большей скорости охлаждения переохлажденный аустенит полностью перейдет в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения образуется новая структура — троостит. По мере ускорения охлаждения лучи будут становиться все круче, поэтому превращение аустенита в троостит не закончится. Кроме троостита в структуре стали появится мартенсит. При наибольших скоростях охлаждения образуется только мартенсит (рисунок 7.6), т. е. пересыщенный твердый раствор углерода в α -железе. При образовании мартенсита происходит перестройка гранецентрированной решетки аустенита в объемно-центрированную решетку α -железа. Избыточное количество углерода, находящегося в α -железе, искажает эту решетку и превращает ее в тетрагональную, в которой отношение параметров с/а не равно единице (рисунок 7.7), как у куба. Степень тетрагональности тем выше, чем больше углерода в стали. Скорость охлаждения, при которой из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. При закалке стали ее охлаждают со скоростью больше критической. Мартенситное превращение протекает при непрерывном охлаждении аустенита ниже точки Мн. По достижении определенной температуры (точка Мк) превращение аустенита в мартенсит заканчивается. Температуры в точках Мн и Мк зависят от химического состава стали. Углерод и легирующие элементы (за исключением кобальта и алюминия) понижают эти температуры. Мартенсит обладает самой высокой твердостью наряду со значительной хрупкостью. Он имеет пластинчатое строение, но в плоскости микрошлифа пластинки приобретают вид игл, поэтому мартенсит часто называют игольчатым.
Рисунок 7.6 – Микроструктура мартенсита
У многих сталей температура в точке Мк ниже комнатной, поэтому распад аустенита не заканчивается, если сталь охлаждается только до комнатной температуры. Аустенит, который сохраняется в структуре стали при комнатной температуре, наряду с мартенситом называют остаточным. Закаленные высоколегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низкоуглеродистые его почти не имеют. Мартенсит, получаемый при закалке стали, представляет собой неустойчивую структуру, стремящуюся к превращению в более равновесное состояние. Нагрев ускоряет этот переход, так как подвижность атомов при этом сильно возрастает.
Рисунок 7.7 – Элементарная ячейка кристалличекой решетки мартенсита Отжиг
Отжигом называется процесс термической обработки, при котором металл сначала нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре, а затем медленно охлаждают, чаще всего вместе с печью. В результате отжига в стали образуются равновесные структурные составляющие (диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов, рисунок 9.3). Для получения мелкозернистой структуры проводят полный отжиг. Отжигу подвергают изделия (чаще всего из конструкционной стали), перегретые при обработке давлением или при термической обработке, а также с полосчатой структурой (поковки, прокат, фасонное литье). При измельчении зерна снижается твердость стали, повышаются ее вязкость и пластичность, снимаются внутренние напряжения, улучшается обрабатываемость резанием. Изделия из такой стали реже выходят из строя при эксплуатации. Мелкое зерно образуется при перекристаллизации стали, т. е. при получении аустенита мелкозернистой структуры в процессе нагрева стали. Скорость нагрева в среднем составляет 100 °С/ч, продолжительность выдержки — от 0, 5 до 1 ч на 1 т нагреваемого металла. Из предыдущего известно, что в стали, нагретой выше критической температуры Ас3, мелкозернистый аустенит получается даже в том случае, если исходная структура крупнозернистая. Отжиг осуществляют следующим образом. Изделие нагревают до температуры Ас3 = 30 + 40 °С, с тем чтобы иметь однородный по составу аустенит. После определенной выдержки при указанной температуре изделие охлаждают вместе с печью до 200-500 °С. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры можно производить на воздухе. Температурные интервалы различных видов отжига и нормализации представлены на рис. 8.8.
Рисунок 8.8 – Температурный интервал отжига и нормализации углеродистой стали
У стальных отливок процесс перекристаллизации протекает труднее, чем у кованой и катаной стали, поэтому выдержка стальных отливок при температуре отжига должна быть более длительной. Охлаждение их производится со скоростью 80-120 °С/ч, т. е. несколько медленнее, чем кованых и катаных изделий, которые можно охлаждать со скоростью 100-200 °С/ч. Если при таких условиях не удается получить мелкозернистую структуру, применяют двойной отжиг, причем первый отжиг выполняют при повышенной температуре (950 °С), а второй — при температуре Ас3 = 30 ÷ 40 СС. Особенно благоприятное влияние отжиг оказывает на ударную вязкость стали. На рисунке 9.9 представлена микроструктура стали 35Л до и после отжига. При неполном отжиге (рис 9.3, 9.8) сталь нагревают до температуры выше точки Ас1 и ниже точки Ас3 или Аст, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают вместе с печью. В процессе отжига происходит в основном перекристаллизация перлита, избыточные фазы (феррит в доэвтектоидных и цементит в заэвтектоидных сталях) распадаются лишь частично. Неполный отжиг применяют преимущественно для заэвтектоидных сталей. Для доэвтектоидных сталей его используют реже (для снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием). а — до отжига; б — после отжига Рисунок 8.9 – Микроструктура литой стали 35Л
Изотермический отжиг, основанный на способности переохлажденного аустенита претерпевать превращения при постоянной температуре, дает возможность в три раза ускорить процесс получения мелкозернистой структуры. При таком отжиге изделия нагревают до требуемой температур (Ас3 = 20 ÷ 30 °С) и после некоторой выдержки охлаждают с печью до 680 - 700 °С либо переносят в другую печь (или соляную ванну) с той же температурой. При температуре 680 - 700 °С изделия выдерживают столько времени, сколько необходимо для полного превращения аустенита в перлит. Время выдержки устанавливают по диаграмме изотермического превращения аустенита. Обычно оно составляет от 2 до 5 ч. По окончании выдержки изделия вынимают из печи и охлаждают на воздухе. Изотермический отжиг позволяет снять напряжение, снизить твердость стали, обеспечивает однородность ее структуры, хорошую обрабатываемость резанием. Стали (в основном инструментальные) подвергают отжигу для получения зернистого цементита (сфероидизация). За счет изменения формы цементита (создание зернистой формы вместо пластинчатой) удается уменьшить твердость стали и, следовательно, облегчить ее обработку на станках, повысить режущую способность инструмента из этой стали, так как при зернистой форме цементит более равномерно распределяется в структуре закаленной стали. Сталь с зернистым цементитом менее склонна к перегреву, трещинам и короблению при закалке.
Отжиг для получения зернистого цементита: сталь нагревают до температуры Ас1 = 20 ÷ 40 °С (примерно 770 °С), выдерживают при этой температуре в течение 4 - 10 ч, а затем очень медленно (со скоростью не более 40 - 50 °С/ч) охлаждают вместе с печью до 600 - 650 °С. Дальнейшее охлаждение стали до комнатной температуры можно производить на воздухе. При обработке стали давлением в холодном состоянии происходит ее наклеп. В стали образуются значительные внутренние напряжения, она становится весьма прочной, твердой, но хрупкой. Структура наклепанной стали представляет собой вытянутые в одном направлении зерна, кристаллическая решетка ее искажена. Для того чтобы исключить вредное состояние наклепа, необходимо изменить структуру стали, устранить искажение кристаллической решетки и вместо вытянутых зерен получить равноосные зерна (примерно с одинаковыми осями вдоль и поперек зерна). Такой процесс восстановления структуры стали называется рекристаллизацией, а вид термической обработки, при помощи которой этот процесс осуществляется, — рекристаллизационным отжигом. Такого рода отжиг выполняют при температурах 450-700 °С. После непродолжительной выдержки при указанных температурах (для прогрева по всему сечению) изделие охлаждается на воздухе. В результате уменьшаются твердость и прочность стали, но вместе с тем повышаются ее вязкость и пластичность. Крупные слитки легированной стали, претерпевающие при затвердевании значительную ликвацию, подвергают отжигу для устранения химической неоднородности. Ликвация — неоднородность стали по химическому составу — может быть зональной (в отдельных частях слитка) и внутрикристаллической, или дендритной (внутри отдельных кристаллов). Она неблагоприятно сказывается на свойствах стали, особенно ударной вязкости в поперечных сечениях. Зональную ликвацию практически устранить невозможно. Внутрикристаллическая ликвация может быть значительно ослаблена отжигом: нагрев до 1100-1200 °С, выдержка при этой температуре 10-15 ч и медленное охлаждение вместе с печью до 200 °С. Дальнейшее охлаждение производят на воздухе. На весь процесс затрачивается 80-100 ч. При высокой температуре атомы серы, углерода и других элементов медленно перемещаются от зон, где они содержатся в большом количестве, к зонам, где их меньше, т.е. происходит диффузии, в результате чего и выравнивается химический состав стали. Поэтому такой отжиг называют еще и диффузионным. В результате длительной выдержки при высокой температуре сталь приобретает крупнозернистое строение, что легко устраняется в процессе дальнейшей ковки или прокатки слитка. Если химическая неоднородность стали не очень значительна, она может быть устранена при горячей обработке слитка давлением без предварительного его отжига. Диффузионный отжиг применяют в основном для стальных слитков, после диффузионного отжига они должны пройти повторный отжиг для получения мелкозернистой структуры.
|