Перетворення, які відбуваються в сталі при охолодженні

Перетворення, які відбуваються в сталі при нагріванні

Тема 5.ТЕОРІЯ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ СТАЛІ

При нагрівання вище точки Ас₃ в доевтектоїдних сталях, Ас₁ в евтектоїдній і А_ст в заевтектоїдних сталях відбуваються фазові перетворення, які закінчуються утворенням аустеніту. До нагрівання ці структури мають, відповідно, структури перліту й фериту, перліту, перліту та вторинного цементиту. При нагріванні вище вказаних температур відбуваються два процеси: алотропічне перетворення Fе_α - Fе_γ з утворенням аустеніту і розчинення в ньому надлишкових складових: у доевтектоїдних сталях - фериту, в заевтектоїдних - вторинного цементиту. При витримці в нагрітій сталі відбувається дифузійний процес вирівнювання хімічного складу аустеніту, обумовлений різною концентрацією вуглецю, вміст якого у фериті складає 0,02%, а в це­ментиті - 6,67%.

Нагрівання сталі для одержання аустеніту є першою технологічною опе­рацією при проведенні відпалювання другого роду, нормалізації і гартування.

Утворення аустеніту при нагріванні підпорядковується загальним законам вторинної кристалізації. Зерна аустеніту ви­никають на поверхнях поділу фериту і вторинного цементиту й в середині зе­рен перліту. Число зерен аустеніту, які виникають (у зв'язку з тим, що цей процес є дифузійним) залежить від температури нагрівання: чим вона вища, тим більше утвориться зерен аустеніту. Тому сталь нагрівають трохи вище температур фазових перетворень (на 30…50 ^оС).

Після закінчення перетворення перліту в аустеніт сталь у результаті алотропічного перетворення Fе_α - Fе_γ має дрібнозернисту будову. Значне перевищення температури нагрівання чи збільшення часу витримки сприяє росту дрібних зерен і може призвести до зайвого росту зерен аустеніту. Це небажано, тому що розмір зерна аустеніту, отриманого в даних конкретних умовах нагрівання, має великий вплив на структуру сталі та її механічні вла­стивості при наступних операціях термічної обробки. Наприклад, чим дрібніше зерно аустеніту, тим дрібноголчасту будову і більш високу твердість має мартенсит (структура сталі після гартування).

Охолодження сталі є найважливішою операцією термічної обробки. При проведенні таких операцій, як відпалювання другого роду, нормалізація, гартування, сталь нагрівають вище температури фазового перетворення, в результаті чого утворюється структура аустеніта. Але, оскільки швидкість охолодження при цих операціях різна, структура і фізико-механічні властивості сталі після охолодження також різні.

З діаграми стану Fе-С очевидно, що аустеніт стійкий тільки при температурах вище лінії GSЕ (рис.5.1). При переохолодженні аустеніта нижче цієї лініївідбувається його розпад. Чим вища швидкість охолодження, тим більша ступінь переохолодження аустеніта і його розпад відбувається при нижчих температурах.

Рис. 5.1.Діаграма стану Fе- Fе₃С (стальна ділянка)

Якщо ступінь переохолодження аустеніту невелика, тоді він повністю розпадається на механічну суміш ферита і цементита різної ступені дисперсності. Цей процес називають перлітним перетворенням; після нього можна отримати як рівноважну структуру (перліт), так і нерівноважні (сорбіт і троостит гартування). Перлітне перетворення відбувається при порівняно високих температурах і тому є дифузійним процесом.

При великій ступені переохолодження аустеніта дифузія зменшується і відбувається бездифузійний процес розпаду аустеніта з утворенням ще однієї нерівноважної структури – мартенсита і процес називається мартенситним перетворенням.

Перлітне перетворення підпорядковується законам вторинної кристалізації і складається з виникнення з аустеніта зерен перліта і їхнього росту. Зародження зерен відбувається як у результаті переохолодження аустеніта, так і утворення центрів кристалізації, обумовлених присутністю в сталі різноманітних домішок і неметалічних включень (нітридів, оксидів, глинозему тощо). Ріст зерен перліта, будучи дифузійним процесом, може відбуватися тільки при достатньо високих температурах.

Механізм утворення перліту з аустеніта характеризується схемою, приведеної на рис 5.2. Основною фазою при утворенні перліта є цементит. Спочатку утворюється пластинка цементита, що подовжується і товщає доти, поки вміст вуглецю в навколишніх об’ємах зерна аустеніта не зменшиться настільки, що утвориться пластинка ферита (рис 5.2, VII). Потім відбувається утворення нових (вторинних) пластинок цементита і ферита. Звичайно у вихідному зерні аустеніта виникає декілька таких ділянок перліту. Розмір пластинок перліта залежить від ступеня переохолодження аустеніта. Перліт, отриманий при малій ступені переохолодження аустеніта, має великопластинчату будову (рис.5.3, а). Його твердість за Брінеллем дорівнює 160…180 НВ (рис.5.2 ).

Рис.5.2. Схема виникнення і росту перлітного зерна:1 – аустеніт; ІІ – утворення зародків цементиту; ІІІ – утворення пластин Ц і Ф; ІV – VІІ – ріст і утворення нових пластин Ц і Ф (П); VІІ – перерозподіл вуглецю при утворенні П. 1 – висока концентрація вуглецю – Ц (6,67%С); 2 – низька концентрація вуглецю – Ф (<0,02%С)

З підвищенням ступені переохолодження аустеніта дисперсність перліта збільшується й утворюється структура сорбіта гартування (рис.5.3, б). Цементит у сорбіті гартування має дрібнопластинчасту будову; твердість сорбіта перевищує твердість перліта. Для евтектоїдної сталі твердість за Брінеллем складає 270…320 НВ. При ще більшій ступені переохолодження утворюється троостит гартування (рис.5.3, в) - структура з вищим ступенем дисперсності, яка має ще вищу твердість - 380…460 НВ для евтектоїдної сталі. Таким чином, структури перліта, сорбіта і троостита, будучи механічними сумішами ферита і цементита, відрізняються тільки ступенем дисперсності пластинок цементита.

Рис.5.3. Структури перлітного розпаду аустеніту: а – перліт (температура перетворення 700 ⁰С); б – сорбіт (температура перетворення 600 ⁰С); в – троостит (температура перетворення 500 ⁰С)

Мартенситне перетворення докорінно відрізняється від перлітного, тому що воно не повністю підпорядковується основним законам кристалізації у твердому стані. При великій ступені переохолодження (до температури, що відповідає точці початку мартенситного перетворення М_п для даної сталі) в аустеніті практично миттєво виникають голки (пластинки) мартенсита, але наступного їх росту не спостерігається. Це пояснюється тим, що мартенситне перетворення, на відміну від перлітного, є бездифузійним процесом (хімічний склад мартенсита не відрізняється від складу вихідного аустеніта). При мартенситному перетворенні відбувається тільки перехід Fе_γ↔Fе_α. Мартенсит гартування має характерну голчасту будову (рис.5.4), в якій голки розташовані паралельно одна одній або перетинаються під кутом 60 або 120°, що є результатом їх орієнтування по визначених площинах і напрямкам у гратці вихідного аустеніту. Схема утворення мартенситу зображена на рис.5.5.

Рис.5.4. Мікроструктура сталі 45 Рис.5.5. Схема утворення мартен-

після гартування (мартенсит, t_н=850⁰С) ситних пластин в аустеніті.

Мартенсит є перенасиченим твердим розчином проникнення вуглецю в α-залізі. Пересичений він тому, що розчинність вуглецю в Fе_α, як це випливає з діаграми Fе-С, при кімнатній температурі складає 0,006%; у мартенситі ж може бути розчинено вуглецю до 2%, тобто стільки, скільки у вихідному аустеніті. Тому мартенсит гартування має не кубічну, як Fе_α, а спотворену атомами вуглецю тетрагональну гратку із співвідношенням осей с/а >1. Чим вищий вміст вуглецю в сталі, тим більшою є ступінь тетрагональності ґратки мартенсита (с/а=1+0,046 [С]). У сталі з С=1,8% це співвідношення дорівнює 1,08.

Мартенсит є твердою і крихкою складовою. Твердість мартенситу евтектоїдної сталі 650…760 НВ та НRС 62…66. Висока твердість мартенсита пояснюється спотворенням кристалічної ґратки Fе_α атомами вуглецю, а також подрібненою блоковою будовою пластин мартенсита, внаслідок внутрішньофазового наклепа. Причиною фазового наклепа є збільшення об’єму сталі при перетворенні аустеніта в мартенсит. На відміну від аустеніта мартенсит має магнітні властивості.

Розпад аустеніта може протікати як при безперервному охолодженні (від температур нагріву при гартуванні до кімнатної температури), так і при постійній температурі (ізотермічний розпад аустеніта).

Мартенситне перетворення може відбуватися лише в тому випадку, якщо буде виключена можливість протікання дифузійних процесів, для чого необхідна велика ступінь переохолодження аустеніта. Це досягається високою швидкістю охолодження сталі (сотні градусів у секунду). При менших швидкостях охолодження в загартованих сталях будуть спостерігатися структури сімейства перлітів - сорбіт і троостит гартування. Швидкість охолодження ν_кр, при якій в структурі сталі утворюється мартенсит, називають критичною швидкістю гартування. Отже, щоб отримувати сталь, загартовану на мартенсит, треба остудити зі швидкістю вище критичної. Критична швидкість гартування сталі залежить від її складу. Наприклад, для вуглецевої евтектоїдної сталі марки У8 вона складає 300 ⁰С/сек.

Розпадання аустеніта може відбуватися не тільки при безперервному охолодженні, але і при постійній температурі (ізотермічний розпад аустеніту). Обробку, засновану на розпаді аустеніта при постійній температурі, називають ізотермічної. При цьому розпадання аустеніта відбувається не при охолодженні сталі, а під час її витримки при визначеній температурі. Висока швидкість охолодження в цьому випадку потрібна тільки для того, щоб переохолодити аустеніт і запобігти його розпадання з утворенням ферритно-цементитной суміші.

Механічні властивості загартованої сталі визначаються кількістю, розміром і властивостями структурних складових. Найбільшу твердість має вуглецева загартована сталь з структурою дрібноголчастого мартенсита і невеликої кількості залишкового аустеніту.

Дата добавления: 2014-01-07