Механизм и способы охлаждения металла после нагрева

Макро - и субструктура мартенсита, игольчатый и пакетный мартенсит, тонкая структура мидриба; инвариантность габитусной плоскости.

Кристаллы мартенсита в зависимости от состава стали, а следователь­но, и от температуры своего образования могут иметь различные морфоло­гию и субструктуру. Различают два типа мартенсита - пластинчатый и ре­ечный. Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, характеризующихся низкой температурой мартенситной точки. В этом случае кристаллы мартенсита состоят в средней своей части из большого числа микродвойников, образующих среднюю зону повышенной травимости, называемую нередко мидрибом. Его кристаллы представляют собой широкие пластины. В плоскости шлифа они имеют вид игл. Наиболее часто (конструкционные углеродистые и легированные стали) кристаллы мартен­сита имеют форму тонких реек (реечный мартенсит), вытянутых в одном направлении. Чаще образуется и наблюдается пакет из реек. Такой высоко­температурный мартенсит называют массивным, в отличие от игольчатого. Тонкая структура реечного мартенсита сложна и представляет собой запу­танные дислокации высокой плотности при отсутствии двойниковых кри­сталлов.

Пластинчатый м артенсит, который также называют игольчатым, низко­температурным, образуется в высокоуглеродистых сталях и сплавах железа с большим содержанием никеля. Кристаллы пластинчатого мартенсита имеют форму тонких линзообразных пластин, которые в разрезе на шлифе выглядят иглами. Такая форма мартенсита соответствует минимуму энер­гии упругих искажений при его образовании в аустенитной матрице.

Реечный ма ртенсит, называемый также массивным, высокотемператур­ным, недвойникованным, образуется в закаленных малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталях, а также в большинстве конструкционных леги­рованных сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют форму тонких реек, вытянутых в одном направлении (отсюда название этой формы мартенси­та). Рейки параллельны и образуют плотный пакет, внутри которого они разделены мало- или высокоугловыми границами. Скорость образования пластин мартенсита объясняет когерентностью и упругим сопряжением двух решеток - образующегося мартенсита и исходной фазы, аустенита. Происходит «скользящее» движение, обусловленное бездиффузионным, кооперативным перемещением атомов на расстояния, меньшие межатом­ных. Так же характерной чертой кинетики мартенситного превращения является его автокаталитичность, напоминающая цепные реакции. На ско­рость роста кристаллов мартенсита оказывает большое влияние плотность дислокаций и механизм их движения - скольжение вместе с границей или переползание. Повышенная плотность дефектов (дислокаций, двойниковых прослоек) оказывает дополнительное влияние и на фазовый наклеп, наблю­дающийся при превращении аустенита в мартенсит (объем мартенсита больше объема аустенита). Кроме того, повышенная плотность дислокаций, особенно их появление на границе фаз, может привести даже к частичному нарушению когерентности.

Габитусная плоскость - это плоскость раздела мартенситной и аусте­нитной фаз. Эта плоскость является плоскостью мартенситной пластины. В следствии деформации эта плоскость сохраняет ориентировку и размеры, которые она имела до перестройки (инвариантная плоскость).

Основные процессы термической обработки стали связаны с примене­нием различных скоростей охлаждения, колеблющихся в широком диапа­зоне величин от долей градуса до сотен градусов в секунду. Для обеспече­ния столь разнообразных условий процессы охлаждения осуществляются вместе с печами, на воздухе, в маслах, расплавах и растворах.

При взаимодействии с охлаждаемым телом охлаждающая среда изме­няет свое состояние вследствие повышения температуры и, в ряде случаев, протекания различных физико-химических процессов, связанных с рас­плавлением или испарением. В соответствии с этим охлаждающие среды могут быть разделены на две группы.

Для первой группы в процессе охлаждения изменяются только количе­ственные характеристики: температура и тепловые свойства среды.

Для второй группы в процессе охлаждения происходит изменение агре­гатного состояния среды, связанное с кипением. Образование паровой пленки в момент погружения горячего тела в охлаждающую среду приво­дит к замедленному охлаждению в связи с низкой скоростью теплоотвода. Это называется стадией пленочного кипения. Разрушение паровой пленки вызывает соприкосновение отдельных объемов нагретой охлаждающей жидкости с нагретым телом; при этом жидкость испаряется. Испарение непрерывно подающихся к охлаждаемой поверхности объемов жидкости (пузырьков) связано с поглощением скрытой теплоты испарения и приводи! к интенсивному охлаждению (так называемая стадия пузырчатого кипения). При понижении температуры охлаждаемого тела начинается третья стадия -конвективного теплообмена, которая также характеризуется замедленным снижением температуры. Подобный характер охлаждения наблюдается при использовании сред, температура кипения которых ниже температуры ох­лаждаемого тела (вода и водные растворы солей, щелочей и т. п.).

Скорость охлаждения существенно изменяется по мере понижения температуры тела. Скорость и характер охлаждения стальных тел в воде и в водных растворах определяются многочисленными факторами, главными из которых являются: температура охладителя, скорость перемещения тела и среды друг относительно друга и содержание различных примесей.

Благодаря замедлению охлаждения в верхнем интервале температур ве­личина термических напряжений оказывается меньшей. Сохранение же высокой интенсивности охлаждения в районе мартенситного превращения способствует образованию больших фазовых напряжений, снижению проч­ности и появлению закалочшлх трещин. В связи с этим повышение темпе­ратуры воды выше 30 - 40° С так же. как и понижение ниже 10°С, является крайне нежелательным.

Для повышения охлаждающей способности воды рекомендуется при­менять циркуляцию с целью разрушения паровой пленки и сокращения второй замедленной стадии охлаждения.

Большое влияние на охлаждающую способность водных растворов ока­зывает введение специальных примесей. Некоторые из них (соли, щелочи, кислоты-) значительно ускоряют, а другие (глина, масло, мыло, желатин) замедляют'процесс охлаждения.

Большое практическое значение имеет охлаждение в маслах. Охлажде­ние в масле уменьшает скорость охлаждения в районе 650 - 550° примерно в 5 раз, т. е. значительно ослабляет закаливающую способность. Вместе с тем в районе мартенситного превращения скорость охлаждения по сравне­нию с водой уменьшается в 25 - 30 раз, что благоприятно сказывается на уменьшении закалочных деформаций и возможности образования трещин. Изменение температуры и скорости циркуляции значительно слабее сказы­вается на охлаждающей способности масел по сравнению с водой.

В последнее время для закалки, главным образом, стальных изделий больших диаметров применяется водовоздушная смесь, получаемая путем распыления воды с помощью воздуха через специальные форсунки. Ско­рость охлаждения зависит от соотношения между количеством воды и воз­духа: наименьшая - при охлаждении в струе воздуха и наибольшая - в струе воды.

Дата добавления: 2015-04-24