Мартенситное (бездиффузионное) превращение

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 20Следующая ⇒

При термообработке стали нагревают до определенных температур и охлаждают с различными скоростями. Скорость охлаждения будет существенным образом влиять на кинетику превращения исходного (аустенитного) зерна, а следовательно, и на образующиеся в результате охлаждения структуры.

Рассмотрим два предельных случая:

1. Скорость охлаждения мала (охлаждение вместе с печью или на воздухе, ).

В этом случае распад аустенита идет на линии PSK в полном соответствии с диаграммой железо-цементит:

– перлитное (диффузионное) превращение.

Иными словами, из фазы с содержанием углерода 0, 8 % (аустенит), образуется смесь двух новых фаз, одна из которых содержит ~ 0, 025 % С (феррит), а другая 6, 67 % С (цементит).

Такое превращение возможно в том случае, если происходит диффузия углерода из одних участков сплава (которые в результате обедняются углеродом) к другим, которые будут обогащаться углеродом.

Таким образом, перлитное превращение по своей сути будет являться диффузионным.

2. Скорость охлаждения весьма велика ( )

Необходимые условия для протекания диффузии – высокая температура и длительное время. Если при медленном охлаждении эти условия выполняются (вследствие появления «площадки» на кривой охлаждения при температуре 727 °С), то при быстром охлаждении диффузия углерода полностью подавляется. В то же время превращение происходит полностью. В результате весь углерод, находившийся в аустените, полностью останется в решетке . Таким образом, структура стали после быстрого охлаждения будет представлять собой перенасыщенный раствор углерода в . Вследствие того, что решетка -железа будет содержать избыточное количество углерода, она искажается и возникает ее «тетрагональность» (с/а > 1, см. рис. 8.2, б), то есть параметр решетки по оси OZ будет больше, чем по осям OX и OY (сравните рис. 8.3, а и 8.3, б). Образующаяся фаза носит название «мартенсит» ( ; М).

Мартенситом называется упорядоченный пересыщенный раствор углерода в , образующийся из аустенита бездиффузионным (сдвиговым) путем.

Мартенситное превращение, в отличие от перлитного – бездиффузионное.

Тетрагональность решетки мартенсита объясняется преимущественным расположением атомов углерода по направлению OZ.

а)	б)

с/а = 1

Рис. 8.3. Кристаллические решетки феррита (о.ц.к.)

и мартенсита (о.ц.т.)

Вследствие тетрагональности решетки в ней возникают значительные внутренние напряжения, которые и приводят к увеличению прочностных свойств стали при закалке.

Практика закалки сталей

Выбор температуры нагрева при закалке рассмотрим отдельно для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей:

Доэвтектоидные стали:

Очевидно, что нагрев до температур ниже т. (727 °С) не вызовет структурных изменений в стали и после охлаждения ее структура (а значит и свойства) останутся неизменными. При нагреве стали выше т. , но ниже структура будет представлять собой аустенит и феррит. После быстрого охлаждения аустенит претерпевает мартенситное превращение, а феррит – останется в структуре. Феррит обладает низкой прочностью и твердостью (см. раздел № 5), поэтому его присутствие вызывает снижение твердости и прочности закаленной стали. Следовательно, доэвтектоидные стали при закалке целесообразно нагревать до температур на 30 – 50 °С выше т. , что даст возможность полностью избавиться от феррита.

Заэвтектоидные стали

При нагреве выше (но ниже ) в структуре стали получают аустенит и цементит. При последующем охлаждении (закалке) сталь будет иметь структуру мартенсита и цементита. Вследствие того, что цементит обладает высокой твердостью, его наличие в структуре мартенсита не вызовет снижения прочностных свойств закаленной стали.

Нагревать заэвтектоидные стали до температур выше т. нецелесообразно, поскольку:

а) это ведет к перерасходу энергетических ресурсов;

б) приводит к резкому увеличению размеров аустенитного зерна;

в) растворение цементита в аустените увеличивает количество остаточного аустенита в структуре стали, что приводит к снижению твердости.

Таким образом, закалка – это нагрев доэвтектоидных сталей до температуры + (30…50) °С, заэвтектоидных – + (30…50) °С, выдержка при этой температуре и последующее резкое (быстрое) охлаждение.

Интервал температур закалки приведен на рис. 8.4.

Общее время термообработки определяется по следующей формуле:

где – время нагрева образца до заданной температуры. На практике определяется из расчета 1 мин на 1 мм детали круглого сечения (или 1, 5 мин на 1 мм прямоугольного сечения);

– время, необходимое для завершения превращения исходной структуры в аустенит. При закалке углеродистых сталей определяется как ;

– время охлаждения образца. При закалке .

График термообработки при закалке приведен на рис. 8.4.

% С

Рис. 8.4. График термообработки при закалке

Рис. 8.5. Оптимальный интервал температур закалки углеродистых сталей

Самостоятельная работа

1. Опишите, каким образом происходит превращение перлита в аустенит при нагреве и аустенита в перлит при охлаждении? Объясните, почему эти процессы являются диффузионными?

2. Как следует выбирать температуру нагрева при закалке в случаях быстрого нагрева (например, закалка токами высокой частоты)?

8.6. Контрольные вопросы

1. Дать определение термообработки. Чем определяется выбор температур нагрева, времени выдержки и вида охлаждения?

2. Перечислите виды термообработки и их применение.

3. Назовите и покажите на диаграмме железо-цементит критические точки.

4. Что такое закалка? Какова цель закалки?

5. Объясните разницу в механизмах диффузионного и бездиффузионного превращений.

6. Что такое мартенсит, каковы его свойства, строение и тип кристаллической решетки? Чем объясняется высокая твердость и прочность мартенсита?

7. Назовите температуры нагрева под закалку доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей. Обоснуйте, почему стали необходимо нагревать именно до этих температур?

8. Как определяется время нагрева и выдержки стали в печи при закалке? Как определить суммарное время термообработки?

⇐ Предыдущая 5 6 7 8 91011 12 13 14 Следующая ⇒