Превращение аустенита в мартенсит

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 13Следующая ⇒

При очень высоких степенях переохлаждения аустенита резко снижается диффузионная подвижность атомов. (В частности, у эвтектоидной стали она близка к нулю при температуре 240°С). При таких температурах g-железо превращается в a-железо, а весь растворенный в g-железе углерод не успевает покинуть раствор и перенасыщает a-железо. Перенасыщенный раствор углерода в a-железе называют мартенситом.

Мартенсит - неравновесная фаза. В равновесии a-железо растворяет максимум 0, 006% углерода, а мартенсит может содержать углерода столько, сколько его было в исходном аустените. В результате этого решетка a-железа теряет кубичность и становится тетрагональной. Из-за этого появляются избыточные внутренние напряжения, и мартенсит оказывается очень твёрдой и хрупкой фазой.

Мартенситное превращение наблюдается при скоростях охлаждения аустенита выше критической (v_кр). При таких скоростях охлаждения удаётся обойти зону перлитного превращения 3 и попасть в зону мартенситного превращения 5 (рис. 7.2.).

Мартенситное превращение начинается при температуре М_Н и заканчивается при температуре М_К. Его особенностью является то, что оно идёт только при непрерывном охлаждении. Остановка в охлаждении приводит к стабилизации аустенита, и последующее охлаждение уже не приводит к его распаду. Превращение имеет бездиффузионный, сдвиговый характер. Поэтому кристаллическая решетка мартенсита оказывается строго ориентированной по отношению к решетке исходной фазы - аустенита. Превращение идёт с большой скоростью (≈ 1000 м/с). Зёрна мартенсита растут до пересечения с границами зёрен аустенита, а последующие его пластины вырастают под углом 60° или 120° к первоначальным.

Превращения при отпуске закалённых сталей

Структура стали после закалки является неравновесной. Она содержит метастабильную фазу – мартенсит, для которого характерна искажённая кристаллическая решётка и избыточные внутренние напряжения. При отпуске, предполагающем нагрев закалённых сталей, структура становится более равновесной.

Отпуск проводят при температурах ниже температур фазовых превращений. При нагреве закалённых сталей до температур порядка 200°С избыточный углерод частично выходит из мартенсита и образуются необособленные карбиды. В результате тетрагональность решётки мартенсита уменьшается и получается мартенсит отпуска. Он отличается меньшей твёрдостью и большей пластичностью. При температуре нагрева стали порядка 400°С избыточный углерод полностью покидает мартенсит и образует цементит. В результате формируется структура троостита отпуска (т.е. мелкозернистая смесь феррита с цементитом). При нагреве закалённых сталей до температур порядка 600°С наблюдается укрупнение (путём объединения) зёрен образующего цементита, в результате формируется структура сорбита отпуска. Сорбит и троостит отпуска отличаются от обычного пластинчатого сорбита и троостита зернистым строением. Такая структура обеспечивает сталям более высокую вязкость и пластичность.

Отжиг и нормализация сталей

Отжиг состоит в нагреве сталей до определённых температур с последующей выдержкой и медленным охлаждением их в печи. В результате отжига сталь приобретает равновесную структуру, свободную от остаточных напряжений.

Различают отжиг первого и второго рода.Отжиг первого рода не связан с фазовыми превращениями в сталях. В зависимости от назначения отжиг первого рода может быть либо диффузионным, либо рекристаллизационным, либо отжигом для снятия внутренних напряжений.

Диффузионный отжиг применяют для устранения неоднородности слитков стали по химическому составу. С этой целью образец нагревают до температур порядка 1000°С и выдерживают при данной температуре до тех пор, пока диффузионные процессы в образце не приведут к выравниваю химического состава слитка (т.е. к устранению ликвации).

Рекристаллизационный отжиг производят с целью устранения наклёпа в деформированных сталях. Как известно, в ходе холодной пластической деформации сталей развивается наклёп. Зёрна материала вытягиваются в направлении деформации, твёрдость и прочность стали возрастает, а её пластичность снижается. При нагреве деформированных сталей до температур рекристаллизации наблюдается процесс образования новых округлых зёрен взамен старых вытянутых зёрен. В ходе рекристаллизации твёрдость и прочность сталей уменьшается, а пластичность возрастает, приобретая значения, близкие к тем, которые были до деформации. Температуры, при которых наблюдается рекристаллизация сталей, превышают 400°С.

Отжиг для снятия внутренних напряжений применяется с целью устранения в сталях механических напряжений, возникших в результате обработки давлением, резанием, плавлением и так далее. Нагрев в данном случае осуществляется до относительно невысоких температур, не превышающих температур фазовых превращений. По термическому режиму данный отжиг похож на отпуск, но имеет иное назначение.

Отжиг второго рода, напротив связан с фазовыми превращениями в сталях, поэтому его называют также фазовой перекристаллизацией. Он может быть полным и неполным. Полный отжиг заключается в нагреве стали до температур на 30-50°С выше линии GSE диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 7.3). Неполный – заключается в нагреве стали до температур на 30-50°С выше линии PSK. После медленного охлаждения с печью сталь при полном отжиге приобретает структуру мелкозернистой смеси феррита с цементитом. Полному отжигу обычно подвергают доэвтектоидные стали с целью измельчения зерен материала и улучшения его пластических свойств. Полный отжиг приводит к улучшению обрабатываемости доэвтектоидных сталей резанием, поэтому относится к подготовительным операциям. Неполному отжигу обычно подвергают инструментальные заэвтектоидные стали. В ходе такого отжига исчезает сетка вторичного цементита, который приобретает округлую зернистую форму. Это благоприятно отражается на механических свойствах сталей, в частности, повышается их ударная вязкость. Такую термическую операцию называют сфероидизирующим отжигом.

Если после нагрева и выдержки сталей охлаждение производится не вместе с печью, а на воздухе, то такую операцию называют нормализацией. В ходе нормализации исчезают внутренние напряжения, а структура сталей становиться более мелкозернистой, т.е. «нормальной». Нормализация более дешёвая операция, чем отжиг. В то же время для низкоуглеродистых сталей нет различий в свойствах между отожжённым и нормализованным состояниями. Различия в структуре и свойствах начинают проявляться только с увеличением содержания углерода. Поэтому низкоуглеродистые стали лучше подвергать нормализации, вместо отжига.

Рис. 7.3. Температуры нагрева при отжиге и закалке сталей.

Нормализация и отжиг обычно первичные операции. Их основное назначение – устранить последствия предыдущих технологических операций (ковки, литья) и подготовить сталь к обработке резанием, давлением, а также к окончательным операциям термообработки (закалке и отпуску).

Закалка сталей

Закалка заключается в нагреве сталей до температур выше фазовых превращений с выдержкой и последующем охлаждении их со скоростью выше критической. Критическая скорость охлаждения (v_кр) определяется по диаграмме изотермического распада аустенита. Линия охлаждения, соответствующая критической скорости, является касательной к С-образной кривой (рис. 7.2). После закалки сталь приобретает неравновесную структуру, содержащую мартенсит. В результате твёрдость стали существенно повышается, что и является основной целью закалки. Для охлаждения стали со скоростью выше критической применяют различные охлаждающие среды (воду, растворы солей и щёлочей, минеральное масло, воздух и др.). Наивысшая скорость охлаждения достигается в растворе NaOH, чуть меньше в растворе поваренной соли, ещё меньше в воде, затем в масле и на воздухе.

Различают полную и неполную закалку. При полной закалке сталь нагревают до температур на 30-50° выше линии GSE (рис. 7.3). При этом сталь приобретает структуру аустенита. В процессе быстрого охлаждения стали практически весь аустенит (А) превращается в мартенсит (М), что обеспечивает сталям повышенную твёрдость.

При неполной закалке нагрев осуществляют до температур на 30-50° выше линии PSK (рис. 7.3). При этом доэвтектоидные стали в нагретом состоянии имеют структуру аустенита и феррита, а у заэвтектоидных сталей в структуре наблюдается аустенит и цементит вторичный. В процессе быстрого охлаждения сталей аустенит превращается в мартенсит, поэтому доэвтектоидные стали после охлаждения состоят из феррита и мартенсита, а в структуре заэвтектоидных сталей наблюдается мартенсит и цементит вторичный. Наличие зёрен мягкого феррита в структуре доэвтектоидных сталей после закалки приводит к снижению их твёрдости и таким образом цель закалки полностью не достигается. В тоже время наличие в структуре заэвтектоидных закалённых сталей твёрдого вторичного цементита напротив полезно. Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно проводить полную закалку, а для заэвтектоидных – неполную закалку.

Наиболее благоприятная структура у заэвтектоидных закалённых сталей достигается тогда, когда вторичный цементит имеет зернистую (т.е. сферическую) форму, а не форму сетки. Поэтому закалке заэвтектоидных сталей должен предшествовать сфероидизирующий отжиг.

Способы закалки

Для достижения максимальной твёрдости при закалке стремятся получить мартенситную структуру. Это возможно только тогда, когда сталь охлаждают со скоростью выше критической. Из диаграммы изотермического распада аустенита следует, что быстрое охлаждение необходимо сталям только в области максимальной неустойчивости аустенита, примерно при 500 - 650°С (рис. 7.3). Высокая скорость охлаждения необходима здесь для того, чтобы предотвратить превращение аустенита в феррито-цементитную смесь. При температурах ниже 300°С, наоборот, целесообразно проводить медленное охлаждение, чтобы избежать избыточных внутренних напряжений, способных вызвать коробление или растрескивание деталей. Таким образом, идеальная кривая охлаждения при закалке должна характеризоваться максимальной скоростью вначале охлаждения, при прохождении интервала наибольшей неустойчивости аустенита, и минимальной скоростью в конце охлаждения, при мартенситном превращении.

Скорость охлаждения определяется видом охлаждающей среды. В газовой среде скорость охлаждения значительно меньше, чем в жидкости. При охлаждении в жидких средах различают три периода охлаждения, характеризующихся различной скоростью:

1. Период плёночного кипения, когда вокруг закаляемой детали образуется так называемая паровая рубашка, из-за чего скорость охлаждения сравнительно невелика.

2. Период пузырчатого кипения, при котором рубашка разрушается и скорость охлаждения резко возрастает.

3. Период конвективного теплообмена, когда температура детали ниже температуры кипения жидкости, а скорость охлаждения резко падает.

Наибольшая скорость охлаждения наблюдается в водном растворе щёлочи NaOH и соли NaCl (v_max » 1200 -1100°С). Далее следует чистая вода (v_max » 600°С) и минеральное масло (v_max » 100°С). Анализ показывает, что нет идеальной закалочной среды, удовлетворяющей условию оптимальности скорости охлаждения в различных температурных интервалах. Как правило, высокая скорость в начальный период охлаждения сопровождается также повышенной скоростью охлаждения на этапе мартенситного превращения.

Выбор способа охлаждения закаляемой стальной детали зависит от её формы и размеров, а также от химического состава стали.

Наиболее простым и дешёвым способом закалки сталей является закалка в одном охладителе, при котором нагретая деталь погружается в охлаждающую жидкость и остаётся там до полного охлаждения. Для крупногабаритных изделий из углеродистых сталей таким охладителем может быть вода, для более мелких образцов, а также образцов из легированных сталей - минеральное масло. Недостатком этого способа закалки является слишком высокая скорость охлаждения в момент мартенситного превращения, что приводит к возникновению значительных внутренних напряжений и, как следствие, к короблению или растрескиванию детали.

Для уменьшения внутренних напряжений применяется закалка в двух охладителях, при которой деталь сначала охлаждают в воде до 300 – 400 °С, а затем в масле. Недостатком этого способа является трудность регулирования времени выдержки детали в первой охлаждающей среде.

Точное регулирование времени выдержки детали в первой охлаждающей жидкости достигается при ступенчатой закалке. В этом способе деталь быстро охлаждают в соляной ванне до температуры на 30 – 50 °С выше температуры начала мартенситного превращения и выдерживают при этой температуре некоторое время. Затем осуществляют окончательное охлаждение на воздухе. В результате мартенситное превращение происходит при медленном охлаждении, что резко снижает внутренние напряжения. В тоже время из-за относительно высокой температуры ванны скорость охлаждения в данном способе оказывается недостаточно высокой, что не позволяет закалять массивные изделия, внутренняя часть которых остаётся незакалённой.

При изотермической закалке образец охлаждают до температуры чуть выше М_н и длительное время выдерживают, пока не произойдёт распад аустенита в феррито-цементитную смесь. В результате мартенситного превращения не происходит, а образуется бейнит, придающий стали достаточную твёрдость и пластичность.

Отпуск закалённых сталей

Сталь после закалки имеет повышенную твёрдость, но одновременно и повышенную хрупкость. Поэтому после закалки сталь всегда подвергают отпуску, с целью придания ей более равновесной структуры и более высокой пластичности. Различают отпуск низкий, средний и высокий.

При низком отпуске сталь нагревают примерно до двухсот градусов. При этом мартенсит превращается в мартенсит отпуска. Твёрдость стали несколько снижается, а пластичность и ударная вязкость возрастает. Низкому отпуску обычно подвергают инструмент.

Средний отпуск производят при температурах порядка четырехсот градусов. При этом сталь приобретает структуру троостита отпуска. Средний отпуск производят тогда, когда необходимо сочетать достаточную твёрдость, пластичность и вязкость.

Высокий отпуск производят при температурах порядка шестьсот градусов. При этом сталь приобретает структуру сорбита отпуска. Получается оптимальное сочетание твёрдости, прочности и вязкости.

Термическую обработку, заключившуюся в сочетании закалки с высоким отпуском, в ходе которой происходит оптимизация структуры и свойств стали называют улучшением.

Поверхностная закалка

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали до температур выше фазовых превращений с последующим его быстрым охлаждением. В ходе такой закалки поверхностный слой изделия приобретает повышенную твёрдость, а сердцевина остаётся вязкой.

Нагрев под закалку обычно производят токами высокой частоты (ТВЧ). Иногда также используют плазменные горелки или лазерное излучение. При нагреве токами высокой частоты стальную деталь помещают в так называемый индуктор, представляющий собой катушку из медной трубки, внутри которой циркулирует охлаждающая вода. При прохождении по индуктору переменного тока в детали возникает переменное магнитное поле, вызывающее вихревые токи. Эти токи протекают в основном по поверхности детали и разогревают только поверхностный слой. Глубина разогреваемого слоя зависит от частоты тока. Чем выше частота тока, тем меньше глубина.

Для ТВЧ-закалки используют генераторы переменного тока с частотой от 500 Гц до одного МГц. При этом толщина закалённого слоя меняется в пределах от 10 мм до десятых долей миллиметра. После разогрева поверхностный слой охлаждают, распыляя на его с помощью специального устройства охлаждающую жидкость.

ТВЧ-закалку обычно применяют для обработки различных валов и шестерён, где необходима твёрдая поверхность и вязкая сердцевина.

Иногда термообработку сочетают с насыщением поверхностного слоя детали каким либо химическим элементом. Такой способ обработки называют химико-термической обработкой.

53. Химико-термическая обработка стали.

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.

В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,

Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.

В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Например,

Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

· цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

· азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

· нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);

· диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒