Четыре основные превращения в стали

Термическая обработка сталей.

Существующие виды термообработки сталей основываются на четырех основных превращениях в стали.

Первое превращение: превращение перлита в аустенит (при нагреве). Рассмотрим это превращение на примере эвтектоидной стали (~0,8% С), имеющей в равновесном состоянии перлитную структуру. При нагреве этой стали выше температуры линии PSK* (730⁰C) перлит превращается в аустенит. Причем из одного перлитного зерна образуется несколько аустенитных. При медленном охлаждении при температуре А₁ (PSK) из каждого аустенитного зерна образуется несколько перлитных, рис.37.

Рис. 37. Превращение П ® А (схема).

Из схемы видно, что при медленном нагреве и охлаждении происходит измельчение зерна в стали; одновременно с этим снимаются внутренние напряжения, возникшие в результате предшествующих технологических операций.

Если продолжить нагрев до более высоких температур, то возникшее начальное аустенитное зерно будет укрупняться. Такое явление вызвано стремлением системы снизить поверхностную энергию границ зерен за счет уменьшения их протяженности. Склонность к росту зерна у разных сталей неодинакова. По склонности к росту аустенитного зерна различают стали наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые. Полностью раскисленные стали – наследственно мелкозернистые.

Второе превращение в стали – превращение аустенита в перлит. Если аустенит переохлаждать до различных температур ниже А₁ (PSK) и выдерживать при этих температурах, то переохлажденный аустенит будет изотермически распадаться на феррит и цементит (А ® Ф + Ц). Чем ниже температура изотермического распада аустенита, тем дисперснее (мельче) ферритоцементитная смесь и тем выше ее твердость и прочность, но ниже пластичность. Второе превращение в стали изучают с помощью диаграмм изотермического распада аустенита, которые строятся экспериментально. На рис.38 изображена диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита стали У8 (0,8% С).

Рис.38. Диаграмма изотермического распада аустенита стали У8.

Из рис.38 видно, что если на диаграмму наложить кривые разных скоростей охлаждения, то точки пересечения их с линиями начала и окончания превращений покажут какая примерно структура получится при непрерывном охлаждении с заданной скоростью. Например, при охлаждении со скоростью V₁ должна получиться структура близкая к перлиту (20 HRC), а охлаждение со скоростью V₂ приведет к образованию структуры сорбита (30 HRC).

Такие структуры как троостит и бейнит невозможно получить непрерывным охлаждением. Наконец есть такие скорости охлаждения (> V_кр), которые подавляют диффузионный распад аустенита и переохлаждают (сохраняют) его до температуры М_н – начала мартенситного превращения.

Третье основное превращение – мартенситное. Как было сказано ранее, охлаждение со скоростью больше V_крит сохраняет аустенит до температуры начала мартенситного превращения (М_н). Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в a - железе. Мартенсит (М) – неравновесная структурная составляющая. Образуется он только при непрерывном охлаждении со скоростью больше критической (V_крит) в интевале температур от М_н до М_к.

Температуры М_н и М_к зависят лишь о состава стали и не зависят от скорости охлаждения. Например в стали 40 (0,4% С) температура М_н»300⁰С и М_к» 20⁰ С; в стали У8 М_н»200⁰С и М_к» -10⁰ С. Сталь, имеющая структуру мартенсита обладает максимальной твердостью, но минимальной пластичностью. Твердость мартенсита определяется содержанием углерода. Так мартенсит в стали 40 имеет твердость около 50 HRC, а в стали У8 – 62 HRC.

Не в любой стали можно получить мартенситное состояние. Это видно из диаграмм изотермического распада аустенита сталей, приведенных в качестве примера на рис.39.

Рис.39. Диаграммы изотермического распада аустенита (схемы)

а – сталь 15, б – сталь У8.

Из рисунка видно, чтобы получить мартенсит в стали 15 (0,15% С) необходимо охлаждать ее со скоростью V_кр ® Ґ. Понятно, что в реальных условиях получить такую скорость охлаждения невозможно.

Мартенситное превращение – бездиффузионное, оно протекает многочисленными пластическими сдвигами в аустенитном зерне. В плоскости сдвига образуется мартенситная пластина (игла). Сдвиги происходят в результате действия накопленных при быстром охлаждении напряжений. Схема образования мартенсита показана на рис. 40.

Рис. 40. Схема образования мартенситных пластин (игл) в аустенитном зерне.

Образование мартенсита идет с увеличением объема, что увеличивает размеры детали, создает дополнительные внутренние напряжения и в свою очередь способствует короблению и возникновению трещин.

Четвертое превращение в стали – распад мартенсита при нагреве.

Мартенсит является неравновесной структурной составляющей, поэтому при нагреве, когда появится достаточная диффузионная подвижность атомов, он будет стремиться перейти в более устойчивое (равновесное) состояние путем распада на феррито-цементитную смесь.

До температуры Ј 200⁰ С заметных структурных превращений не наблюдается, а лишь уменьшаются внутренние напряжения. При нагреве мартенсита до 300 – 450⁰ С мартенсит распадается на феррито-цементитную смесь с твердостью 56 – 45 HRC (для стали, содержащей ~ 0,8 %С). Структуру с такой твердостью принято называть бейнитом отпуска.

Если мартенсит нагреть до ~ 500⁰ С, то полученная структура с более крупными частичками феррита и цементита, меньшей твердостью (~ 40 НRС) и более высокой пластичностью. Такая структура называется трооститом отпуска.

Нагрев до 550 – 600⁰ С сопровождается укрупнением частиц феррита и цементита, снижением твердости до 30 НRС. Феррито-цементитная смесь с твердостью ~30 НRС называется сорбитом. Сорбит отпуска имеет наилучее сочетание прочности и вязкости. Минимальная твердость (~20 HRC) продуктов распада мартенсита получается при нагреве до 650 - 700⁰С. Эта структура является наиболее равновесной и носит название перлита.

* Температуру линии PSK при нагреве называют Ас₁, а при охлаждении Ar₁

Дата добавления: 2014-01-11