Влияние термической обработки на свойства углеродистых сталей
Цель работы: изучить технологию термической обработки углеродистой стали, определить влияние скорости охлаждения на твердость стали после термической обработки.
Теоретические сведения
Термической обработкой стали называется технологический процесс, заключающийся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем охлаждении с заданной скоростью. При термической обработке необходимые свойства стали получают, изменяя ее структуру без изменения химического состава.
При нагреве и охлаждении при определенных температурах в стали наблюдаются фазовые превращения. Такие температуры называются критическими точками. Их принято обозначать буквой А. Критическая точка А1 лежит на линии PSK (727 °С) диаграммы «железо – углерод» и соответствует превращению перлита в аустенит (рису-
нок 13.1). А3 соответствует линиям GS и SE. На линии GS начинается выделение феррита из аустенита при охлаждении или завершается превращение феррита в аустенит при нагреве. На линии SE начинается выделение вторичного цементита из аустенита при охлаждении или заканчивается его растворение в аустените при нагреве.
Рисунок 13.1 – Обозначение
критических точек стали
При термической обработке стали различают четыре основных превращения:
1. При нагреве выше АС1 перлит (ферритно-цементитная смесь) превращается в аустенит. Выше АС3 сталь находится в однофазном аустенитном состоянии. При этом чем выше температура нагрева, тем крупнее получается зерно аустенита.
2. При охлаждении ниже АС1 аустенит превращается в перлит. Превращение наблюдается как в изотермических условиях, так и при непрерывном охлаждении. Следует отметить, что чем выше скорость охлаждения, чем ниже температурный интервал распада аустенита, тем дисперснее получается смесь феррита и цементита. Продукты распада аустенита (перлит, сорбит, троостит) имеют пластинчатое строение. Твердость их зависит от степени дисперсности (рису-
нок 13.2).
Рисунок 13.2 – Влияние скорости охлаждения аустенита
на характер образующихся продуктов
3. При охлаждении со скоростью выше критической (vк) аустенит превращается в мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Мартенсит имеет игольчатую структуру и тетрагональную объемно-центрированную решетку. Твердость мартенсита лежит в пределах 55…65 HRC (см. рисунок 13.2).
4. При нагреве ниже АС1 мартенсит превращается в перлитные структуры.
Основными факторами термической обработки являются температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить в виде графика в координатах «температура – время» (рисунок 13.3). Этап АВ характеризует скорость нагрева сплава, этап ВС – выдержку при данной температуре, v1, v2, v3 – скорость охлаждения. Изменяя скорость охлаждения сплава, нагретого до определенной температуры, можно получить разные структуры и свойства, т.е. произвести различную термообработку.
Стали подвергаются следующим основным видам термической обработки: отжигу, нормализации, закалке, отпуску.
Отжиг. Это процесс нагрева стали до заданной температуры, выдержки и медленного охлаждения (с печью). Он относится к предварительной термической обработке.
Отжигом достигаются следующие цели:
1) снятие внутренних напряжений;
2) получение минимальной твердости;
3) исправление структуры кованой, литой и перегретой стали;
4) устранение дендритной ликвации (химической неоднородности) в пределах каждого зерна.
Рисунок 13.3 – График термической обработки
Различают отжиг I и II рода.
Проведение отжига I рода не связано с фазовыми превращениями. В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отжига:
Диффузионный отжиг (гомогенизация). Он применяется с целью устранения в легированной стали дендритной ликвации. При таком отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000 – 1100 о С и подвергается длительной выдержке (18 – 24 ч).
Рекристаллизационный отжиг, который производится с целью устранения наклепа металла после холодной пластической деформации. Температура нагрева при этом виде отжига выбирается на 150 – 250 о С выше температуры рекристаллизации (Тр) обрабатываемого сплава. Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали осуществляется при температуре 600 – 700 о С.
Низкий отжиг. Температура нагрева – ниже нижней критической точки на 100 – 50 о С:
Нагрев не сопровождается фазовыми превращениями, поэтому структура таким отжигом не исправляется. Применяется для снятия внутренних напряжений.
Отжиг II рода связан с фазовой перекристаллизацией и может быть неполным и полным.
Неполный отжиг проводится при температуре выше АС1:
Нагрев сопровождается частичной фазовой перекристаллизацией и приводит к исправлению перлитной составляющей, феррит (цементит) не претерпевает изменения. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяется редко, в заэвтектоидных – приводит к образованию зернистого перлита.
Полный отжиг. Температура нагрева – выше АС3:
Нагрев приводит к полной фазовой перекристаллизации и, следовательно, исправлению структуры:
Полный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей. С помощью полного отжига достигаются 1 – 3-я цели.
Нагрев на 30 – 50 о С выше критических точек приводит к образованию мелкого зерна аустенита. Последующее охлаждение обеспечит образование мелкозернистой структуры с хорошими механическими свойствами. Перегрев приводит к образованию крупного зерна и впоследствии – видманштеттовой структуры (рисунок 13.4).
Рисунок 13.4 – Схема изменения зерна перлита
в зависимости от температуры нагрева аустенитного зерна
Нормализация.Это нагрев стали выше верхней критической точки (АС3или АСm), выдержка до полного образования аустенита и последующее охлаждение на спокойном воздухе (кривая охлаждения v2 на рисунке 13.3). От полного отжига нормализация отличается ускоренным охлаждением. В этом случае распад аустенита происходит в более низком температурном интервале, поэтому зерно получается мельче, чем после отжига. Твердость нормализованной стали выше твердости отожженной стали.
Закалка. Это термическая обработка, состоящая в нагреве стали выше критической точки АС3 или АС1, выдержке до полного образования аустенита и последующем быстром охлаждении со скоростью выше критической. Цель закалки – получить мартенситную структуру, обладающую высокой твердостью.
Доэвтектоидные стали подвергаются полной закалке:
Заэвтектоидные стали подвергаются неполной закалке:
Скорость охлаждения выбирается в соответствии с диаграммой изотермического превращения аустенита так, чтобы весь аустенит переохладился до мартенситной точки Мн. Для этого скорость охлаждения должна быть выше критической (v4 > vк на рисунке 13.2). Чем устойчивее аустенит в стали, тем меньше значение vк, тем с меньшими скоростями можно охлаждать сталь при закалке. В качестве охлаждающих сред обычно применяют воду, масло или растворы солей.
Закаленная сталь со структурой мартенсита обладает высокой твердостью, хрупкостью и пониженной вязкостью. Поэтому после закалки сталь всегда подвергают отпуску.
Отпуск. Нагрев закаленной стали до температуры ниже АС1 ивыдержка с последующим охлаждением на воздухе называется отпуском. Его цель – снять напряжения, возникшие при закалке; получить структуру с заданным комплексом механических свойств.
Применяются три вида отпуска.
Низкий отпуск проводят при температуре 150 – 200 °С с получением структуры мартенсит отпуска (58 – 60 HRC). Применяется в основном для инструментальных сталей.
Средний отпуск проводят при температуре 350 - 450 °С на структуру троостит отпуска. Применяется для пружинных сталей.
Высокий отпуск – при температуре 550 - 650 °С на структуру сорбит отпуска. Применяют для конструкционных сталей, так как зернистая структура сорбита отпуска обладает хорошим комплексом механических свойств (прочность, пластичность, вязкость). Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением стали.
Закалка в сочетании с отпуском является окончательным видом термической обработки изделий.
Материалы и принадлежности
· Образцы углеродистой стали в отожженном состоянии – 3 шт. (сталь 40, 45 или У10, У12).
· Лабораторные печи для термической обработки.
· Приспособления для загрузки (выгрузки) образцов в печь.
· Закалочный бак с холодной водой.
· Твердомер ТК (Роквелл) с шариком и алмазным наконечником.
Порядок проведения работы
13.3.1 Получить образцы для работы и ознакомиться с маркой стали, химическим составом, критическими точками (таблица А.4). Измерить и записать размеры образцов и их твердость на приборе Роквелла по шкале В (HRB). Посмотреть и зарисовать микроструктуру исходного образца (отожженного).
13.3.2 Подсчитать время нагрева (τн) и время выдержки (τв) образцов в печи. Время нагрева подсчитывается из расчёта 1 мин. на 1 мм минимального сечения образца, а время выдержки τв = 0,5τн. Общее время нахождения образца в печи τ = τн + τв.
Загрузить образцы (два) в нагретую печь, выдержать τ минут. Один образец охладить на воздухе, второй – в воде. Термическую обработку третьего образца (отжиг) предварительно выполняет лаборант.
Термически обработанные образцы зачистить на наждаке до металлического блеска.
13.3.3 Измерить твёрдость термически обработанных образцов на приборе Роквелла: отожженный и нормализованный образцы – по шкале В (HRB), закаленный – по шкале С (HRC).
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА СТАЛИ
В результате термической обработки существенно изменяются механические свойства сталей. В отожженном состоянии структура стали состоит из Ф и Ц пластинчатой формы. Феррит обладает низкой прочностью и высокой пластичностью, цементит - высокой твердостью (НВ800) и нулевой пластичностью. С увеличением цементитной составляющей sв, повышается (при увеличении содержании С) и снижается пластичность.
При одном и том же содержании углерода прочностные характеристики (НВ, sв) стали возрастают с увеличением дисперсности карбидной составляющей.
Повышение температуры отпуска ведущее к укрупнению карбидных частиц обуславливает снижение твердости.
Высокая твердость мартенситной структуры закаленной стали обуславливается созданием структурных напряжений, вызванных искажением кристаллической решетки. Наряду с твердостью большое значение имеет пластичность. Чем выше твердость стали, тем обычно ниже пластичность, но при одинаковой твердости можно получить термической обработкой различную пластичность и вязкость стали. Вязкость и пластичность стали в значительной мере зависят от размера мартенситных игл и продуктов его распада. Для получения высокого комплекса механических свойств закаленной стали следует стремиться к получению мелкоигольчатой структуры мартенсита, что достигается мелкозернистой структурой аустенита.
Отпуск существенно изменяет свойства закаленной стали. Нагрев до 100° С сопровождается слабым повышением твердости на 1-2 ед. в высокоуглеродистых сталях). С повышением температуры отпуска твердость и прочность падают, тогда как повышаются вязкость и пластичность. Закаленная и отпущенная сталь имеет более высокие механические свойства, чем отожженная и нормализованная, что объясняются различным строением сорбита отпуска и закалки, (пластинчатой в первом случае и зернистого во втором). Закалка и высокий отпуск называются улучшением, так как существенно улучшают механические свойства и получается оптимальное сочетание прочностных и пластинчатых свойств стали.
ПРАКТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ.
Температуру закалки углеродистых сталей можно определить по диаграмме железо-углерод . Для доэвтеиктоидной она на 30-50° С выше Ас3 и заэвтектоидной на 30-50° С выше Ас1
При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше Ас1, но ниже Ас3 в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии, ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной и обуславливает брак деталей . Для заэвтектодных сталей наоборот оптимально проведение закалки с температур между Ас1 и Ас3.
Наличие в структуре стали избыточного цементита повышают износоустойчивость стали. Нагрев выше Ас3 снижает твердость вследствие растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита, а также вызывает рост зерна аустенита оптимального для доэвтектоидной стали. Закалка с температур Ас3 + 30° = 50° С, зaэвтектоидной Ас1 + 30° = 50° С.
Повышение температуры закалки выше этих температур приводит к браку называемому перегревом (рост зерна аустенита), который обнаруживается крупноигольчатой структурой мартенсита, крупнокристаллическим изломом и снижением ударной вязкости и пластичности стали.
Общее время нагрева складывается из времени нагрева детали до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре.
Величина tнд углеродистых сталей -1 мин./мм для закалки углеродистых сталей и 2-3 мин/мм для легированных сталей. Время выдержки равно 1/3 времени нагрева при закалке.
Время нагрева детали фактически отсчитывается с момента достижения температуры печи с деталями. При нагреве деталей обязательно должен соблюдаться перепад температур не выше = 10° Сповсему рабочему пространству печи. Необходимо иметь равномерный нагрев и производить периодическую проверку температуры печей по площади и высоте печи.
Детали должны загружаться в печь в специальной таре поддонах или спецприспособлениях с тем, чтобы обеспечить равномерное омывание деталей горячим воздухом. Печи камерные и шахтные. В шахтные печи загрузка производится в сетчатых корзинах или специальных приспособлениях, разрабатываемых индивидуально на деталь.
Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали на ее структуру
Термической обработкой называется технологический процесс, включающий нагрев стали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с необходимой скоростью. Целью термической обработки является получение заданных свойств стали путем изменения ее структуры без изменения формы и размеров деталей.
Термическая обработка вызывает изменения в структуре материала в том случае, если сплав претерпевает превращения, вызванные полиморфизмом, диффузией или изменением растворимости одного компонента в другом. Часто эти процессы могут накладываться друг на друга и оказывать влияние на свойства материалов.
В исходном состоянии углеродистая сталь может иметь различную структуру в зависимости от содержания углерода: доэвтектоидная – феррит и перлит; эвтектоидная – перлит; заэвтектоидная – перлит и цементит вторичный.
Рассмотрим процесс нагрева эвтектоидной стали выше критической температуры Ас1, когда структура состоит из перлита (рис. 10.1). Это превращение можно записать согласно диаграмме «Железо – цементит»:
где Ф (феррит) содержит 0,02 % углерода, Ц (цементит) – 6,67 % углерода и А (аустенит) – 0,8 % углерода.
Когда сталь переходит критическую температуру А1, превращение сопровождают два параллельно идущих процесса: полиморфное превращение Feα (ОЦК) → Fеγ (ГЦК) и растворение цементита в Fеγ.
Растворение цементита не может начаться, пока сохраняется кристаллическая решетка феррита. Как известно, углерод в ней может максимально растворяться в количестве 0,02 %, поэтому вначале происходит зарождение кристаллов аустенита на межфазной поверхности раздела феррита и цементита. Зарождение сопровождается образованием центров кристаллизации аустенита, и, следовательно, происходит измельчение зерна. Только после образования Fеγ возможно дальнейшее растворение углерода в аустените.
Полиморфное превращение происходит с более высокой скоростью, чем процесс растворения цементита, поэтому первоначально аустенит сохраняет неоднородность по углероду и за образованием зародыша аустенита следует его насыщение углеродом.
Начальная величина зерна аустенита зависит от количества зародышей, возникающих в данном объеме в единицу времени, и скорости их роста. Чем дисперснее структура перлита, тем мельче начальное зерно аустенита, т. к. у такой структуры больше поверхность раздела между ферритной и карбидной фазами, где и идет образование зародышей.
К окончанию превращения всего перлита в аустенит сталь состоит из большого количества мелких аустенитных зерен. Дальнейший нагрев или выдержка после окончания превращения ведет к их росту. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к уменьшению свободной энергии за счет сокращения поверхности зерен. Он происходит в результате увеличения одних зерен за счет других, более мелких.
Чтобы охарактеризовать поведение стали при нагреве в отношении изменений размера зерна, рассмотрим понятие о зерне аустенита, которое может быть:
· начальным зерном – размер аустенитного зерна в момент окончания перлито-аустенитного превращения;
· действительным зерном – зерном аустенита, полученным в данных конкретных условиях нагрева;
· наследственным зерном аустенита, характеризующим склонность зерна к росту при высоких температурах.
Склонность стали к росту зерна зависит от ее состава и раскисления. Стали, раскисленные только марганцем или марганцем с кремнием, относят к наследственно-крупнозернистым. Стали, раскисленные и модифицированные дополнительно алюминием, титаном, церием и другими элементами в количестве 0,05–0,1 %, относят к группе наследственно-мелкозернистых.
Переход через критическую точку А1 сопровождается резким уменьшением размеров зерна. При дальнейшем нагреве зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет до весьма высоких температур, после чего начинает быстро расти. В крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна, который начинается сразу после перехода через критическую точку (рис. 7.1). Наследственно-мелкозернистая сталь при достаточно высокой температуре может иметь более крупное зерно аустенита, чем наследственно-крупнозернистая сталь, поэтому различают еще действительное зерно, полученное в стали при данной температуре нагрева. Размер действительного зерна аустенита определяется температурой нагрева, длительностью выдержки и склонностью данной стали к росту зерна.
Известно, что мелкозернистая сталь имеет более высокие механические свойства, поэтому природную зернистость сталей оценивают баллами специально разработанной шкалы зернистости (ГОСТ 5639-82).
Рис. 7.1. Схема роста зерна аустенита в наследственно-мелкозернистой
и наследственно-крупнозернистой эвтектоидной стали
Нагрев доэвтектоидной стали до температуры, значительно превышающей А3 (1100–1200 °С), и последующее охлаждение приводят к образованию структуры, состоящей из крупных игл избыточного феррита, прорезающих крупные зерна перлита. В честь австрийского ученого
А. Б. Видманштетта такая структура была названа видманштеттовой структурой (рис. 7.2).
Рис. 7.2. Схема (а) и фотография (б) микроструктуры Видманштетта
Еще более высокий нагрев стали, при котором по границам зерна появляются участки оплавления и происходит их окисление, вызывает пережог стали. При пережоге излом стали становится камневидным и является неисправимым браком.
Выше (в гл. 5) рассматривались фазовые превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении из аустенитного состояния. Увеличивая скорость охлаждения или вводя легирующие элементы, можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, т. е. понизить температуру его превращения. От степени переохлаждения аустенита зависят механизм и кинетика превращения, структура и свойства продуктов превращения. Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяют на диффузионное (перлитное), промежуточное (бейнитное) и бездиффузионное (мартенситное).
Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше А3 (для доэвтектоидной стали), или выше Аст (для заэвтектоидной стали), или выше А1 (для эвтектоидной стали), переохлаждать до температуры ниже А1 с различными скоростями, вызывая тем самым различную степень переохлаждения, то можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.
Рассмотрим превращение переохлажденного аустенита на примере эвтектоидной стали (0,8 % углерода). Во время охлаждения ниже критической температуры А1 происходит превращение его в почти чистое Feα и цементит.
Процесс образования перлита – это зарождение центров перлита и рост перлитных кристаллов. Этот процесс происходит во времени и может быть изображен в виде кинетической кривой превращения (рис. 7.3), показывающей количество перлита в зависимости от времени.
Рис. 7.3. Кинетическая кривая превращения аустенита в перлит
Начальный период характеризуется малой скоростью превращения и имеет инкубационный период 0а. Длительность инкубационного периода зависит от степени переохлаждения аустенита. При снижении температуры, т. е. увеличении степени переохлаждения, скорость превращения возрастает, а продолжительность инкубационного периода и всего превращения сокращается.
Для изучения изотермического (при постоянной температуре) превращения аустенита образцы стали нагревают до стабильного аустенита, а затем переохлаждают аустенит до температур ниже А1 (700, 600, 500 °С и т. д.) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита, фиксируя начало и окончание превращения.
Рис. 7.4. Построение диаграммы изотермического превращения
переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (0,8 % углерода)
Пусть эти температурные значения будут t1 > t2 > t3 (рис. 7.4,а), тогда построение диаграммы изотермического превращения аустенита будет выглядеть так, как показано на рис. 7.4,б. Горизонтальная линия МН показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения, МК – его окончания.
Превращения, которые совершаются при разных степенях переохлаждения выше и ниже пика С-образной диаграммы, отличаются по кинетике превращений и по форме продуктов распада. Условно они разделены на три зоны: перлитное, бейнитное и мартенситное превращения.
Перлитное превращение переохлажденного аустенита является диффузионным. Вначале на границе аустенитного зерна образуется зародыш цементита. Объем вблизи его обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное (γ→α) превращение. Кристаллы феррита зарождаются на границе с цементитом. В результате происходит совместный рост кристаллов феррита и цементита, образуются так называемые перлитные колонии. Чем больше переохлаждение, тем мельче получается феррито-цементитная смесь и тем прочнее и тверже она становится.
При высоких температурах превращения (650–700 ºС) и малых степенях переохлаждения получается грубая смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом. При более низких температурах (550–600 ºС) и, следовательно, больших степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает и твердость продуктов повышается до 2500–3500 НВ
(≈25 HRC). Перлит более тонкого строения получил название сорбит (от фамилии английского ученого Г. К. Сорби).
При еще более низкой температуре (550 ºС) дисперсность феррито-цементитной смеси еще более увеличивается и получается структура, называемая троостит (по фамилии французского ученого А. Ж. Труста),
с твердостью 3500–4500 НВ (≈35 HRC).
Таким образом, перлит, сорбит и троостит – это структуры с одинаковой природой (феррит + цементит), отличающиеся между собой степенью дисперсности частиц феррита и цементита. Перлит может иметь зернистое и пластинчатое строение. Однородный аустенит образует пластинчатый перлит. Неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения превращается в зернистый перлит.
В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях сначала выделяется избыточная фаза – феррит или избыточный цементит, в остальном все происходит как в эвтектоидной стали.
Мартенситное превращение аустенита происходит в том случае, когда аустенит переохлажден до низких температур, при которых исключена диффузия.
Мартенсит (по фамилии немецкого ученого А. Мартенса) – упорядоченный перенасыщенный твердый раствор углерода в Feα. Мартенситное превращение состоит в перестройке γ-решетки в α-решетку без диффузии углерода. Г. В. Курдюмов дал очень понятное определение мартенситному превращению: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные».
Образовавшиеся кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы. Сдвиг атомов образует игольчатый микрорельеф на поверхности металлического шлифа, поэтому мартенсит называют мелкоигольчатым, скрытокристаллическим, реечным и т. д., в зависимости от исходной структуры аустенита. Аустенит и мартенсит имеют разную кристаллическую решетку и разный удельный объем, поэтому происходит рост упругих напряжений во всей детали. Это необходимо учитывать при их термической обработке, т. к. объем мартенсита больше объема аустенита.
Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку
(рис. 7.5), параметры которой (c и а) зависят от количества растворенного в нем углерода. Твердость мартенсита будет тем больше, чем больше углерода в стали (табл. 7.1).
| Твердость, НRС | |||||||
| Содержание С, % | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,8 | 1,0 |
Мартенситное превращение протекает в интервале температур от МН до МК. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо сталь непрерывно охлаждать. Если охлаждение прекратить в интервале между МН и МК, то это приведет к стабилизации аустенита. В закалённой стали, имеющей точку МК ниже +20 °С (а именно – в углеродистых сталях, содержащих углерода более 0,5–0,6%, или легированных), всегда присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температуры точек МН и МК, т. е. чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов.
Рис. 7.5. Тетрагональная кристаллическая решетка мартенсита
Температурное значение точек МН и МК не зависит от скорости охлаждения, а обусловлено химическим составом стали. С повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали (кроме кобальта и алюминия) значения температур МН и МК понижаются. Размеры кристаллов мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита.
Следует помнить, что мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения, искусственно полученная неравновесная структура и при определенных условиях она может превращаться в более равновесные структуры. Для структуры мартенсита характерна высокая прочность, твердость, износостойкость, кроме того, она имеет наибольший удельный объем в сравнении с другими структурами.
Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита протекает между перлитным и мартенситным превращением и сочетает в себе диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и бездиффузионное (сдвиговое) мартенситное превращение при перестройке кристаллической решетки Fеγ → Fеα. Бейнит (по имени американского металлурга Э. Бейна) представляет собой двухфазную структуру, состоящую из кристаллов феррита и цементита. Особенность этого превращения заключается в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму. Бейнит, образующийся в интервале температур 550–350 ºС, называют верхним бейнитом, а образующийся при 350–240 ºС – нижним бейнитом.
Превращение переохлажденного аустенита можно осуществить в изотермических условиях, т. е. при постоянной температуре. Такое превращение аустенита описывается диаграммами изотермического превращения и редко используется в практике термической обработки сталей. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении описываются термокинетическими диаграммами.
Такие диаграммы строят в координатах «Температура – Время» на основе анализа серии кривых охлаждения, на которых отмечают температуры начала и конца перлитного и бейнитного превращений. Термокинетические диаграммы имеют сложный вид, поэтому для упрощения будем рассматривать диаграмму изотермического превращения с наложенными на нее кривыми охлаждения (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Наложение кривых охлаждения на диаграмму
изотермического распада аустенита
На диаграмме отражены все ее особенности:
· при малых скоростях охлаждения (V1, V2, V3) в стали протекает только диффузионный распад аустенита с образованием феррито-цементитной смеси различной степени дисперсности (перлит, сорбит, троостит);
· при охлаждении со скоростью VКР – критической скорости закалки – или большей (V4) переохлажденный аустенит превращается в неравновесную фазу – мартенсит.
В зависимости от скоростей охлаждения превращение аустенита может быть диффузионным и бездиффузионным. Критерием превращения является критическая скорость охлаждения VКР. Это наименьшая скорость охлаждения, при которой подавляется диффузия атомов углерода.
Влияние термической обработки на свойства углеродистых сталей
В результате термической обработки существенно изменяются свойства стали. Наибольшее значение имеют механические свойства.
В отожженном, нормализованном или отпущенном состоянии сталь состоит из пластичного феррита и включений карбидов (цементита). Феррит обладает низкой прочностью и высокой пластичностью, цементит же при нулевом значении
удлинения и сужения имеет высокую твердость (около ). Более высокое значение прочности и меньшая пластичность сплавов с содержанием углерода выше очевидно, объясняется упрочняющим действием карбидных включений. Поскольку пластической деформации (при том или ином виде нагружения) может подвергаться только феррит, упрочняющее действие твердых карбидных включений можно представить следующим образом.
При малом количестве цементитных включений (рис. 221, а) пластическая деформация развивается относительно беспрепятственно, и свойства материала характеризуются невысокой твердостью.
Рис. 221. Влияние твердых частиц на твердость и пластичность
Рис. 222. Твердость стали в зависимости от содержания углерода и температуры закалки: 1 — нагрев выше ; 2 — нагрев только выше (770 °С); 3 — микротвердость мартенсита
Если таких частиц будет больше, например если при термической обработке измельчаются частицы цементита (рис. 221, б), то вокруг этих частиц возникает искажение кристаллической решетки, что препятствует движению дислокаций, и сталь упрочняется. Наоборот, в результате укрупнения этих частиц (рис. 221, в) освободятся некоторые объемы феррита для движения дислокаций, и способность стали к пластической деформации увеличится.
Таким образом, твердость (прочность) феррито-цементитной (или другой двухфазной) смеси будет складываться из природной твердости основы плюс приращение твердости за счет объемов металла с искаженной решеткой, которое в первом приближении пропорционально поверхности раздела фаз, т. е. , где — число твердости сплава и основы соответственно; — поверхность раздела фаз; а — коэффициент.
Если твердость выражать в единицах Бринелля, а поверхность раздела фаз в (подсчитывается, исходя из среднего размера частиц и их количества в ), то для стали с зернистыми включениями цементита а для стали с пластинчатыми включениями (пластинчатый перлит) — твердость чистого железа, равная
Таким образом объясняется изменение твердости в отожженной (нормализованной) или отпущенной стали, имеющей структуру ферритоцементитной смеси разной дисперсности. Но объяснить так высокую твердость мартенсита нельзя. Высокая твердость мартенсита объясняется тем, что элементарные кристаллические ячейки его искажены, вследствие чего пластическая деформация затруднена и образование сдвигов в мартенсите почти невозможно. Чем больше углерода в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки
мартенсита и больше его твердость. Твердость мартенсита зависит в первую очередь от содержания в мартенсите (в стали) углерода. Мартенсит в стали, содержащей , имеет твердость примерно При твердость мартенсита достигает максимального значения и при дальнейшем увеличении содержания углерода она существенно не увеличивается (рис. 222, кривая 2). Впрочем, эта кривая не характеризует твердость закаленной стали, так как сталь, кроме мартенсита, содержит то или иное количество остаточного аустенита. Если нагрев под закалку был произведен выше точки и весь углерод был переведен в твердый раствор, то твердость закаленной стали при увеличении содержания углерода свыше снижается из-за возрастания количества остаточного аустенита (рис. 222, кривая 1).
Нагрев под закалку до обычных температур, т. е. до переводит в раствор у всех заэвтектоидных сталей одинаковое количество углерода (в соответствии с линией диаграммы железо—углерод) и поэтому фиксируется одинаковое количество остаточного аустенита. Твердость в этом случае для всех заэвтектоидных сталей получается одинаковая (рис. 222, кривая 2).
Кроме твердости, большое значение имеет пластичность (вязкость) стали. Чем выше твердость, тем, как правило, ниже пластичность и вязкость. Однако и при одинаковой твердости показатели пластических и вязких свойств могут сильно колебаться в зависимости от структуры и размеров пластин мартенсита. Обычно с укрупнением структуры пластические и вязкие свойства снижаются.
Описанный в этой главы механизм мартенситного превращения — бездиффузионность и ориентированность — обусловливает большую зависимость структуры мартенсита от исходной структуры аустенита. Как и сдвиг при пластической деформации, так и мартенситная пластина развивается внутри зерна аустенита, разрастаясь от края до края. Значит, чем крупнее зерно аустенита, тем длиннее образующиеся мартенситные пластины. На рис. 223 показано, что в крупном зерне аустенита образовались крупные иглы мартенсита, а в мелких зернах аустенита — мелкие мартенситные иглы. Поскольку пластические свойства и особенно вязкость мартенсита и продуктов его распада (до тех температур отпуска, при которых сохраняется игольчатость микроструктуры) с огрублением структуры сильно ухудшаются (твердость практически не зависит от размера игл мартенсита), описанная зависимость свойств термически обработанной стали от размера пластин мартенсита имеет большое значение.
Для получения высокого комплекса механических свойств следует стремиться к тому, чтобы после закалки получалась мелкоигольчатая мартенситная структура, что достигается лишь при исходной мелкозернистой аустенитной структуре.
Как было отмечено, снижение температуры изотермического распада аустенита приводит к увеличению дисперсности феррито-цементитных частиц и к повышению вследствие этого твердости. Следовательно, перлит, т. е. продукт превращения аустенита при имеет меньшую твердость, чем сорбит, получающийся в результате распада аустенита при Примерная твердость различных структур, полученных при изотермическом распаде аустенита, была указана на рис. 190.
Отпуск — заключительная операция термической обработки, придающая стальному изделию окончательные свойства, поэтому свойства отпущенных сталей рассмотрим подробнее. Изменение твердости сталей с разным содержанием углерода в зависимости от температуры отпуска показано на рис. 224.
Изменение твердости при отпуске является следствием изменений в строении, происходящих при отпуске. Нагрев до 100 °С сопровождается слабым повышением твердости (на вследствие превращения тетрагонального мартенсита в отпущенный (это слабое повышение твердости наблюдается лишь в высокоуглеродистых сталях). С дальнейшим повышением температуры отпуска твердость падает, вследствие укрупнения карбидных частиц и обеднения углеродом а-твердого раствора.
Рис. 223. Иглы мартенсита в разных по рааиеру аустенитных зернах,
Рис. 224. Зависимость твердости от температуры отпуска (углеродистые стали с различным содержанием углерода)
Прямолинейная зависимость падения твердости от температуры нарушается в районе т. е. при превращении остаточного аустенита. При этих температурах падение твердости замедляется, а в высокоуглеродистых сталях наблюдается даже некоторое повышение вследствие превращения остаточного аустенита в более твердый отпущенный мартенсит.
Общая тенденция состоит в том, что твердость с повышением температуры отпуска падает, так же как и другие показатели прочности тогда как показатели пластичности возрастают (рис. 225). Однако изменение этих свойств с повышением температуры отпуска не монотонно. На рис. 225 отметки на левой шкале отвечают свойствам в закаленном (неотпущенном) состоянии, на правой — в отожженном состоянии.
Отпуск при 300 °С приводит к повышению предела прочности и предела упругости. Эти характеристики вследствие напряженного состояния стали в закаленном состоянии или при отпуске при низкой температуре получаются пониженными.
Показатели пластичности увеличиваются с повышением температуры отпуска. Наибольшая пластичность соответствует отпуску при когда весь комплекс механических свойств
выше, чем у отожженной стали. Отпуск выше 650 °С уже не повышает пластичность
Более высокие механические свойства закаленной и высокоотпущенной стали по сравнению с отожженной или нормализованной (при равной прочности у закаленной и высокоотпущенной выше) объясняются различным строением сорбита (перлита) отпуска и сорбита закалки, имеющих, как указывалось выше, в первом случае зернистое, а во втором — пластинчатое строение. Двойная термическая обработка, состоящая в закалке с последующим высоким отпуском, существенно улучшающая общий комплекс механических свойств, является основным видом термической обработки конструкционных сталей и называется улучшением (термическим улучшением).
Рис. 225. Механические свойства стали 40 в зависимости от температуры отпуска
Ударная вязкость стали в зависимости от температуры отпуска изменяется следующим образом. У закаленной углеродистой стали при обычном испытании на ударный изгиб вязкость сохраняется низкой вплоть до температуры отпуска 400 °С, после чего начинается интенсивное повышение ударной вязкости; максимум ее достигается при 600 °С. В некоторых сталях (легированных) отпуск примерно при 300 °С снижает ударную вязкость, которая повышается лишь при отпуске выше 450-500 °С. Явление это будет рассмотрено дальше (гл. XVI, п. 2).
Мы уже рассматривали изменения свойств стали в зависимости от температуры отпуска. Температура отпуска — наиболее существенный фактор, влияющий на свойства отпущенной стали. При отпуске протекают диффузионные процессы, поэтому выдержка на той или иной стадии способствует превращениям, происходящим при данных температурах.
Продолжительный отпуск можно заменить более коротким, но при несколько более высокой температуре. Если температуру и продолжительность отпуска сбалансировать таким образом, что твердость будет одинаковой (такие отпуски называются изосклерными), то и остальные механические свойства будут близкими.
В отличие от некоторых легированных сталей механические свойства углеродистых (и многих других) сталей не зависят от скорости охлаждения после нагрева до температуры отпуска. Свойства стали после отпуска зависят только от температуры и продолжительности отпуска.
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА СТАЛИ
Цель работы: Изучить влияние температурно-временных условий нагрева и режимов охлаждения при термической обработке на свойства стали.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Металлопродукция с металлургических предприятий поступает на машиностроительные заводы обычно в виде различного проката, поковок, в литом состоянии. Из них изготовляют заготовки деталей машин, которые подвергают предварительной термической обработке. Последующей механической обработкой резанием получают детали заданной геометрической формы и размеров. Эти детали далее проходят упрочняющую термическую обработку и, в случае сложных машин, направляются на сборку отдельных частей машины, а из сборочных единиц собирается сама машина. Схема обработки и изготовления на машиностроительных заводах объемных деталей машин (рычаги, коленчатые валы и шатуны двигателей внутреннего сгорания, зубчатые колеса и др.) из деформируемых металлических материалов представлена на рисунке 8. Как видно, в процессе изготовления деталей машин два раза проводится термическая обработка.
Термическая обработка - процесс обработки изделий из технических материалов путем теплового воздействия (нагрева и охлаждения) с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.
Термическую обработку применяют как окончательную для получения заданных механических, физических, эксплуатационных свойств деталей машин, а также промежуточную (предварительную) с целью улучшения технологических свойств (обрабатываемости режущими инструментами, обрабатываемости давлением и др.).
Основными видами предварительной термической обработки заготовок из конструкционных сталей в машиностроении являются нормализационный или полный отжиг. Для их проведения заготовки нагревают в случае использования конструкционных доэвтектоидных сталей выше температуры фазового превращения tАс3 на 30…50°С и получают структуру аустенита. После некоторой выдержки при температуре нагрева проводят охлаждение на воздухе (нормализационный отжиг) или вместе с печью (полный отжиг), получая структуру из феррита и перлита.
Предварительная термическая обработка снижает твердость стали и улучшает обрабатываемость резанием. За показатель обрабатываемости при резании принимается обычно численное значение скорости резанием при точении резцами из быстрорежущей стали на токарном станке, которой соответствует стойкость резцов 60 минут (время между двумя переточками режущей кромки инструмента).
| МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ЗАВОД |
| ¯ |
| Сортовой прокат |
| ¯ |
| МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД |
| ¯ |
| Изготовление заготовок деталей машин обработкой давлением (горячей штамповкой и др.) |
| ¯ |
| Заготовка детали |
| ¯ |
| Предварительная термическая обработка заготовок |
| ¯ |
| Механическая обработка резанием на металлорежущих станках |
| ¯ |
| Детали машин |
| ¯ |
| Упрочняющая термическая обработка деталей |
| ¯ |
| Доводочные операции обработки (при необходимости) |
| ¯ |
| Сборка машины |
| ¯ |
| Машина (изделие) |
Рисунок 8 - Типовая укрупненная схема обработки и изготовления объемных деталей машин на машиностроительном заводе
При содержании углерода в конструкционных углеродистых и низколегированных сталях менее 0,5% проводят обычно для заготовок нормализационный отжиг, а для сталей, имеющих более 0,5% углерода – полный отжиг.
Типовая окончательная термическая обработка деталей машин и инструментов состоит из двух операций: 1 - закалки с получением на этапе охлаждения с большой скоростью (для углеродистых сталей в воде и других средах) из аустенита структуры мартенсита (А®М); 2 - отпуска закаленной стали с нагревом до температуры не выше температуры фазового превращения Ас1. Применение термической обработки значительно изменяет механические свойства стали. Схемы основных видов термической обработки для конструкционных доэвтектоидных сталей представлены на рисунке 9.
Данные о механических свойствах конструкционных среднеуглеродистых (улучшаемых) сталей различного химического состава после закалки и высокого отпуска приведены в таблице 9.
Рисунок 9 - Схемы термической обработки конструкционных сталей
Таблица 9 - Механические свойства некоторых типовых конструкционных среднеуглеродистых сталей после закалки и высокого отпуска
Читайте также: