Основы термической обработки

Категория:
Сплавы


Основы термической обработки

Процессы термической обработки стали и чугуна основаны на явлении вторичной кристаллизации по линиям (рис. 64) GOS (А3), SE{Acm) и РК (Л,).

Рис. 1. Микроструктура ковкого чугуна на ферритной основе (X 150)

Рис. 2. Микроструктура ковкого чугуна на перлитной основе (X 150)

Структуры, получаемые при различных скоростях охлаждения аустенита. Для простоты возьмем сначала эвтектоидную сталь.

При медленном охлаждении по линии РК (в точке А гпроизойдет полное распадение аустенита с образованием перлита. Распадение состоит из следующих этапов:
1) перегруппировка атомов из решетки гранецентрированного куба у-железа в решетку центрированного куба а-железа с одновременным смещением атомов углерода, находящихся в твердом растворе у-железа;
2) выделение из раствора мельчайших (молекулярных) частиц цементита (Fe3C);
3) образование более крупных пластинок цементита на ферритной основе; размеры этих пластинок измеряются тысячными долями миллиметра.

При увеличении скорости охлаждения до 50 град/сек третий этап распадения аустенита не успевает закончиться, и степень измельченное (дисперсности) пластинок цементита будет более высокой. Размеры этих пластинок измеряются десятитысячными долями миллиметра и различимы только при очень больших увеличениях. Такая структура называется сорбитом.

При увеличении скорости охлаждения до 100 град/сек полностью успевает завершиться лишь второй этап распадения аустенита, а третий этап останавливается в самом начале. В результате размеры пластинок цементита измеряются стотысячными и миллионными долями миллиметра. Такая структура носит название троостита. Наличие тончайших пластинок цементита можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.

При скорости охлаждения 150—200 град/сек успевает завершиться лишь перегруппировка атомов железа, поэтому углерод остается в виде твердого раствора в а-железе. Эта структура называется мартенситом.

Подводя итог сказанному, заметим, что перлит, сорбит и троостит по структуре представляют смесь двух фаз — феррита и цементита — и отличаются друг от друга только степенью дисперсности цементита, а мартенсит содержит только одну фазу — твердый раствор углерода в а-железе.

Структура перлита, получаемая при медленном охлаждении сплавов, называется равновесной, как и другие структуры диаграммы состояния. В отличие от этого структуры сорбита, троостита и мартенсита, получающиеся при повышенных скоростях охлаждения, называются неравновесными.

Сдвиг критических точек при охлаждении. Увеличение скорости охлаждения вызывает понижение критических точек по отношению к их положению на диаграмме равновесия — их сдвиг. Сдвиг увеличивается с увеличением скорости охлаждения. На рис. 81 приведена зависимость положения критических точек от скорости.охлаждения для эвтектоидной стали.

При малых скоростях охлаждения величина переохлаждения также невелика (верхние точки кривой А’г), и сталь, охлажденная при этих скоростях, имеет структуру перлита. Пластинки цементита в перлите тем мельче, чем больше скорость охлаждения, и структура перлита при дальнейшем повышении скорости охлаждения постепенно переходит в структуру сорбита.

Скорость охлаждения t>x (150 град/сек) соответствует началу появления мартенсита в структуре стали. Часть линии А“г, характеризующая превращение аустенит — мартенсит, — прямая. Это указывает на то, что данное превращение имеет место при постоянной температуре (около 240° для эвтектоидной стали) независимо от дальнейшего увеличения скорости.

Таким образом, кривая А’г характеризует распадение аустени-та в смесь двух фаз: феррита и цементита, а прямой отрезок А“г — переход аустенита в мартенсит. При скоростях охлаждения от vt до v2 охлажденная сталь содержит троостит и мартенсит (превращение происходит как по линии А’г, так и по линии А“г). При скоростях охлаждения, превышающих v2, » ниже линии А“г наряду с мартен

ситом будет присутствовать некоторое количество еще не распавшегося ,остаточчого аустенита.

Изотермическое распадение аустенита. Наблюдениями над охлажденным аустенитом установлено, что и скорость, и характер распадения аустенита зависят от степени его переохлаждения.

На рис. 82 приведена диаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной углеродистой стали. Диаграмма построена в координатах температура — время, причем время откладывается на неравномерной (логарифмической) шкале, что дает возможность проследить превращения, протекающие за промежуток времени от долей секунды до суток и более.

Предположим для простоты, что за время 0,5 сек. удается охладить образец из состояния аустенита до любой температуры: отточки Агх до 0° и ниже. Охлаждая образец до температуры 700° и выдерживая его при этой температуре, мы заметим, что в течение времени до точки нх в аустените никаких превращений не происходит. В точке начинается распадение аустенита. Период времени до точки нх называется инкубационным периодом. Распадение аустенита заканчивается полностью в точке /с1( и весь аустенит переходит в перлит.

Рис. 3. Зависимость положения критических точек эвтектоидной стали от скорости охлаждения

Наблюдая за образцом, охлажденным из состояния аустенита до температуры 650°, и нанося точки начала (н2) и конца (к2) распадения аустенита на диаграмму, мы заметим, что как инкубационный период, так и период распадения аустенита уменьшились, а в результате распадения получился сорбит.

В образце, охлажденном до температуры 500°, получим, соответственно, точки н3 и к3 распадения аустенита и структуру троостита, как результат распадения.

При увеличении числа подобных опытов будем иметь ряд точек начала и окончания превращений аустенита.

При охлаждении образцов по линии Мн начинается превращение аустенита в мартенсит; превращение всего аустенита в мартенсит происходит только при дальнейшем понижении температуры, и окончание этого превращения для эвтектоидной углеродистой стали наступит лишь при температуре — 50° С.

Рассмотрев диаграмму, отметим в итоге следующее. Верхняя часть диаграммы характеризует изотермический процесс распадения аустенита в смесь фаз феррита и цементита. Левее кривой I находится переохлажденный аустенит, между кривыми I н II протекает процесс распада переохлажденного аустенита, правее кривой II находятся продукты распада аустенита: перлит, сорбит и троостит. Инкубационный период распадения аустенита изменяется в зависимости от степени переохлаждения последнего и вначале уменьшается до некоторой критической величины, а затем вновь увеличивается; этот период для каждой температуры определяется абсциссой кривой I начала распадения аустенита. Кривая II показывает, что длительность превращения также зависит от температуры переохлаждения.

Прямая Мн является границей между верхней и нижней частями диаграммы. Эта прямая характеризует начало мартенситного превращения аустенита и соответствует прямому участку кривой А“г.

Нижняя часть диаграммы показывает, что для перевода всего остаточного аустенита в мартенсит необходимо понижать температуру стали до линии Мк (конец мартенситного превращения). Кривые изотермического распадения аустенита имеют форму буквы С и называются С-образными кривыми. Форма этих кривых установлена в результате трудов проф. С. С. Штейнберга и других советских ученых.

У доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей С-образные кривые смещены влево по сравнению с кривыми эвтектоидной стали, а прямые Мн и Мк у первой расположены выше, а у второй ниже, чем у эвтектоидной стали.

Рис. 4. Диаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной стали

Свойства структур мартенсита, троостита, сорбита и перлита. Сначала рассмотрим свойства структур эвтектоидной стали.

Мартенсит — самая твердая и самая хрупкая структура. Плотность мартенсита меньше, чем плотность других структур, и составляет 7,75 г/см3. В связи с увеличением объема стали при мартенситном превращении возникают напряжения, особенно при неравномерном охлаждении детали. Мартенсит магнитен и обладает наибольшей способностью сохранять в себе остаточный магнетизм, поэтому магниты при их изготовлении закаливают на мартенсит.

Троостит и сорбит являются промежуточными структурами между перлитом и мартенситом, поэтому их свойства будут средними между свойствами перлита и мартенсита. На рис. 83 приведены кривые изменения твердости (НВ), предела прочности (оПч) и относительного удлинения (б) эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум