Превращение аустенита при непрерывном охлаждении

⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 20Следующая ⇒

После рассмотрения процессов распада аустенита при постоянной температуре (и разной степени переохлаждения) перейдем к рассмотрению процесса распада аустенита при непрерывном охлаждении, когда сталь охлаждают с разной скоростью. Диаграмма изотермического распада строится в координатах температура – время. В то же время скорость охлаждения есть не что иное, как (то есть за момент времени температура изменилась на ). Если на диаграмме изотермического распада провести наклонные линии (рис. 9.3, кривые ), то они будут соответствовать различным скоростям охлажения. Причем, чем больше наклон кривой, тем выше скорость охлаждения.

Рис. 9.3. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита

(А – аустенит; Б – бейнит; П – перлит; М – мартенсит)

Линия характеризует медленное охлаждение. Аустенит, охлаждаясь со скоростью , до начала распада переохладится до температуры, соответствующей т. . В результате продуктом превращения будет перлит. При более быстром охлаждении кривые и пересекают линии диаграммы при более низких температурах (рис. 9.3, точки и ), образуя более дисперсные продукты распада.

Следовательно, чем выше скорость охлаждения, тем более дисперсными (а значит более твердыми и прочными) будут продукты превращения.

При охлаждении со скоростью аустенит переохладится до низких температур и произойдет его превращение в мартенсит. Следовательно, для закалки стали ее необходимо охлаждать с такой скоростью, чтобы не успели произойти процессы распада аустенита в верхнем районе температур. Как видно из рис. 9.3, при охлаждении со скоростями, большими, чем , образуется мартенсит (то есть происходит закалка).

Таким образом, критическая скорость охлаждения – минимальная скорость, при которой аустенит превращается в мартенсит бездиффузионным (сдвиговым) путем.

При охлаждении со скоростью, немного менее критической (кривая ), аустенит в верхнем районе температур превратится лишь частично и структура будет состоять из тростита и мартенсита.

Таким образом, необходимым (но еще недостаточным) условием мартенситного превращения является: скорость охлаждения должна быть больше, либо равна критической.

Второе условие мартенситного превращения: предположим, сталь охлаждается со скоростью выше критической (кривая ). При температуре 550 °С охлаждение останавливается. Тогда аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (тростит). Итак, для получения структуры мартенсита необходимо переохладить сталь до температуры ниже т. Мн.

Самостоятельная работа

1. Опишите, как влияет содержание углерода на температуру критических точек Мн и Мк?

2. Каков механизм промежуточного (бейнитного) превращения? Что представляет из себя бейнит и как он образуется?

9.4. Контрольные вопросы

1. Почему распад аустенита, происходящий в изотермических условиях при температурах ниже и до t = 200 °С, называют диффузионным?

2. Какие факторы влияют на скорость диффузионного превращения переохлажденного аустенита?

3. Как производится построение диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита?

4. На какие фазы распадается переохлажденный аустенит при диффузионном превращении?

Отпуск углеродистой стали

Цель: ознакомиться с практикой проведения отпуска стали. Исследовать влияние температуры нагрева при отпуске на изменение структур и свойств различных марок стали.

Отпуск и виды отпуска

Отпуском называется операция термообработки, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температур ниже , выдержке и последующем охлаждениим на воздухе.

Цель отпуска – уменьшение внутренних напряжений, возникших при закалке, повышение пластичности и ударной вязкости стали. В результате отпуска достигается требуемый уровень прочности.

При отпуске неравновесная структура закаленной стали (мартенсит) переходит в более устойчивое состояние. Этот переход связан с диффузионным распадом мартенсита и остаточного аустенита, с образованием феррито-цементитной смеси. Структурные изменения в стали и связанные с этим изменения механических свойств сильно зависят от температуры отпуска.

В практике термообработки различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий:

Низкий отпуск – нагрев до (150…200)° С, вызывает частичное выделение углерода из мартенсита, что снижает искажения в его кристаллической решетке. При этом уменьшаются внутренние напряжения и немного повышается пластичность при небольшом снижении твердости. Образующаяся структура называется отпущенный мартенсит. Низкотемпературный отпуск применяют для инструментальных сталей и для группы цементуемых (нитроцементуемых) сталей.

Средний отпуск – нагрев до (350…450)° С. При этом заканчивается выделение углерода из пересыщенного раствора, в результате мартенсит распадается на ферритно-цементитную смесь высокой степени дисперсности. Одновременно происходит распад остаточного аустенита также на ферритно-карбидную смесь. Образовавшаяся структура называется троститом отпуска. Такая структура обеспечивает высокий предел упругости стали. Средний отпуск используют для конструкционных сталей, в частности, для обработки элементов конструкций, деталей машин, у которых основным требованием является наличие высокого предела упругости (рессоры, пружины, штампы и др.).

Высокий отпуск – нагрев изделий до (550…650)° С – вызывает укрупнение частиц ферритно-цементитной смеси. Образующаяся структура получила название сорбита отпуска. Высокий отпуск почти полностью снимает внутренние напряжения и значительно повышает ударную вязкость и пластичность стали. Прочность и твердость снижаются, но остаются более высокими, чем после отжига. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, часто называется улучшением. Улучшению подвергают, главным образом, ответственные тяжело нагруженные детали машин, испытывающие знакопеременные и ударные нагрузки (зубчатые колеса, валы, шатуны и т.п.).

Таким образом, структуры тростита и сорбита могут быть получены не только из аустенита при охлаждении с различными скоростями, но и путем отпуска мартенсита.

При непрерывном охлаждении аустенита в образующейся ферритно-карбидной смеси цементит имеет пластинчатое строение, а при отпуске закаленной стали цементитные частицы имеют зернистую форму, чем объясняется различие свойств подобных структур закалки и отпуска.

Так, сорбит закалки более тверд и прочен (при тех же значениях относительного удлинения), чем сорбит отпуска и т.д.

Время нагрева до температуры отпуска определяется так же, как и для других видов термообработки (1 мин на 1 мм круглого сечения; 1, 5 мин на 1 мм – прямоугольного). Выдержку при отпуске берут 50 % от времени нагрева.

Самостоятельная работа

Отпускная хрупкость. Что это такое, вследствие чего возникает и каковы меры предотвращения?

Порядок выполнения работы

1. Закалить в воде по 3 образца стали 45 и стали У10 и замерить их твердость на приборе Роквелла алмазным наконечником.

2. Провести отпуск закаленных образцов при температурах: 200 ^оС, 400 ^оС, 600 ^оС, для чего поместить по два образца каждой стали в печи, нагретые до указанных температур, и выдержать их по 20 мин. Охлаждение образцов провести на воздухе.

3. Зачистить образцы и замерить их твердость на приборе Роквелла.

4. На основании полученных данных составить сводную таблицу и построить график изменения твердости в зависимости от температуры отпуска для каждой марки стали HRC = f(T).

Таблица 10.1

Протокол исследований

Мар-ка стали	Темпе-ратура нагре-ва при отпус-ке, ^оС	Вид отпус-ка	Время нагр. и выд. в печи	Твердость	Ми-кро-ст-рук-тура
После закалки	После отпуска
HRC	HB	HRC	HB



У10

5. По коллекции микрошлифов изучить под микроскопом и занести в таблицу микроструктуру сталей, полученных при различных видах отпуска.

6. Сделать выводы по работе и заключение по рекомендации режима (вида) отпуска для конструкционных и инструментальных сталей.

7. Оформить письменный отчет.

Содержание отчета

1. Название, цель работы.

2. Определение отпуска, цель отпуска.

3. Привести виды отпуска, температуры нагрева при отпуске, образующиеся структуры и свойства сталей.

4. Привести определение «улучшения».

5. Самостоятельно (по учебнику) обосновать, почему при некоторых видах отпуска (при каких? ) охлаждение ведется не на воздухе, а в воде (или в масле)?

6. Привести протокол исследований и построить графики HRC= f(T).

7. Сделать выводы по работе.

10.3. Контрольные вопросы

1. Что такое отпуск стали? Его цель?

2. Какие превращения происходят при отпуске? Какие структуры образуются?

3. Какой вид отпуска применяется: для инструментальных, рессорно-пружинных сталей, конструкционных сталей, работающих в условиях динамических нагрузок? Почему?

4. Что называется отпускной хрупкостью? Причины и методы предотвращения отпускной хрупкости?

Прокаливаемость сталеЙ

Цель работы: ознакомиться с понятием прокаливаемости и ее практическим определением, исследовать влияние легирующих элементов и углерода на прокаливаемость.

Теоретическая часть

1.1. Понятие прокаливаемости.
Факторы, влияющие на прокаливаемость

Под прокаливаемостью понимают способность стали закаливаться на определенную глубину.

Прокаливаемость не следует путать с закаливаемостью (то есть способностью стали упрочняться при ТО). Прокаливаемость измеряется в мм, а закаливаемость – в единицах твердости (HRC, HB).

Несквозная прокаливаемость стали объясняется тем, что при закалке (даже в сильно охлаждающей среде) скорость реального охлаждения любой детали на поверхности больше, чем в сердцевине. Так, например, в цилиндрическом образце (рис. 11.1) скорости охлаждения от поверхности к сердцевине изменяются по параболической кривой от до .

Рис. 11.1. Схема, объясняющая неполную прокаливаемость углеродистых сталей

В то же время каждая сталь, как известно, имеет свое определенное значение критической скорости ( ) и структура мартенсита при закалке образуется только при условии, если . В нашем случае лежит между и , поэтому в заштрихованном слое, где при закалке образуется структура мартенсита.

Для более глубинных слоев, где , образуются структуры ферритно-карбидных смесей: тростит, сорбит, перлит, т.е. эти слои не закалились на мартенсит и соответственно будут иметь меньшую твердость и прочность.

Практически за глубину прокаливаемости принимают расстояние от поверхности изделия до слоя, имеющего 50 % мартенсита и 50 % тростита (полумартенситная зона).

На величину прокаливаемости стали влияют несколько факторов и прежде всего – химический состав.

С увеличением содержания углерода и легирующих элементов (Mn, Cr, Ni, Mo, W, V, Ti) увеличивается устойчивость переохлажденного аустенита – правее расположены линии диаграммы изотермического распада (рис. 11.2). Следовательно, уменьшается значение и больше будет величина прокаливаемости.

а)	б)

Рис. 11.2. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита углеродистой (а) и легированной стали (б)

Большей прокаливаемости способствует также более сильно охлаждающая среда, например, одна и та же сталь при охлаждении в воде закалится на большую глубину, чем при охлаждении в масле.

Характеристикой прокаливаемости служит критический диаметр , то есть наибольший диаметр цилиндрического прутка, который в результате закалки в данной охлаждающей среде получил мартенситную или полумартенситную структуру в центре образца. В случае, если в центре образца получена полумартенситная структура, критический диаметр обозначается . Однако часто важно знать значение диаметра, где содержание мартенсита выше – 95 % или 99, 5 %. В этом случае критический диаметр обозначается или .

Чтобы не ставить прокаливаемость в зависимость от закалочной среды, введено понятие – идеальный критический диаметр .

Это диаметр максимального сечения, прокаливающегося насквозь в идеальной жидкости (то есть жидкости, отнимающий тепло с поверхности с бесконечно большой скоростью). Значения и определяют методом торцовой закалки (см. пункт 1.2)

Углеродистые стали имеют , а легированные значительно больший – (10…200) мм.

Прокаливаемость – важная характеристика сталей, она имеет большое практическое значение, так как является одним из главных критериев при выборе той или иной марки стали для изготовления конструкций, деталей машин, инструментов, штампов и т.д.

Следует отметить, что прокаливаемость одной и той же стали может колебаться в значительных пределах в зависимости от колебаний химического состава, величины зерна, размера и формы изделия и многих других факторов. Поэтому обычно прокаливаемость стали характеризуют не кривой, а так называемой «полосой прокаливаемости».

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 111213 14 15 16 Следующая ⇒