Глава 1. Кристаллическое строение металлов (стр. 6 )

6.2.4. Промежуточное (бейнитное) превращение

Бейнитное превращение протекает в интервале температур от 500°С до МН (см. рис. 33).

Механизм превращения сочетает в себе элементы диффузионного перлитного и бездиффузионного мартенситного превращений. Бейнит – феррито-цементитная смесь, в которой феррит несколько пересыщен углеродом: Б= Ф0,2%С+Ц.

В диапазоне температур переохлаждения аустенита от 500°С до 350°С образуется верхний бейнит перистого строения, с низкими показателями прочности и пластичности.

В диапазоне температур от 350°С до МН образуется нижний бейнит игольчатого (пластинчатого) строения. Нижний бейнит обладает более высокой твёрдостью и прочностью, чем продукты перлитного превращения.

Бейнитное превращение не идёт до конца, в структуре сохраняется АОСТ.

6.2.5. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении

Если на диаграмму изотермического распада аустенита (С-кривую) нанести векторы скоростей охлаждения (рис. 37), то можно определить структуру, получаемую при охлаждении аустенита.

Продукты перлитного превращения получают непрерывным медленным охлаждением. При скорости охлаждения V1 образуется перлит, при V2 - сорбит, V3 – троостит. Эти структуры можно получить также изотермической выдержкой при соответствующей температуре переохлаждения, например, вектор V6 дает структуру сорбита.

Мартенсит получают при непрерывном охлаждении со скоростью больше критической (например, V5). При скорости охлаждения V4 часть аустенита превращается в троостит, часть, ниже точки МН, превращается в мартенсит. Таким образом, формируется структура Т+М+ АОСТ.

Бейнит в углеродистой стали получают только при изотермической выдержке: вектор V7.

Рис. 37. Диаграмма изотермического распада аустенита с нанесенными на нее скоростями охлаждения

6.2.6. Влияние легирующих элементов на распад аустенита

Легирующие элементы влияют на диффузионные процессы и на полиморфное g®a превращение:

·  в присутствии легирующих элементов снижается диффузионная подвижность углерода,

·  диффузионная подвижность самих легирующих элементов мала,

·  легирующие элементы замедляют g®a превращение.

Таким образом, легирующие элементы, находящиеся в твердом растворе, увеличивают устойчивость аустенита к распаду, т. е. сдвигают С-кривую вправо. Кроме того, легирующие элементы понижают точки начала и конца мартенситного превращения, увеличивая количество остаточного аустенита.

6.3.  Превращения мартенсита при нагреве (при отпуске)

Структура мартенсита – неравновесная, поэтому нагрев приводит к её распаду с образованием более устойчивых структур (отпуску мартенсита). Основные превращения при отпуске:

1.  Превращение мартенсита (t=100…350°C) сопровождается обеднением твердого раствора углеродом и выделением дисперсных ε-карбидов (~Fe2C):

М →Мобедн+ε–карбиды.

2.  Распад остаточного аустенита (t=200…300°C) происходит по бейнитному механизму с образованием тех же фаз: .

Аост→Мобедн+ε–карбиды.

Получаемую при температурах до 350°C структуру называют мартенситом отпуска. Она состоит из обеднённого углеродом мартенсита и дисперсных ε-карбидов, когерентно связанных с кристаллической решеткой твердого раствора. МОТП сохраняет высокую твердость, но имеет повышенную пластичность по сравнению с мартенситом закалки.

3. Карбидное превращение (t=350…400°C). Завершается диффузионное выделение углерода из α-твёрдого раствора, одновременно ε-карбиды превращаются в цементит:

МобедФ

ε–карбид(Fe2C)→Fe3C.

Эта высокодисперсная феррито-цементитная смесь называется трооститом отпуска. Образование Тотп сопровождается некоторым снижением прочности и твердости при повышении пластичности и вязкости.

4. Коагуляция и сфероидизация карбидов (t>500°C). Фазовый состав структуры сохраняется, но частицы цементита укрупняются и приобретают сферическую форму. Такую структуру называют сорбитом отпуска, он имеет зернистое строение. СОТП обладает высокой пластичностью, вязкостью, сопротивлением хрупкому разрушению. Твердость и прочность СОТП снижается из-за укрупнения карбидных частиц.

Глава 7. ПРАКТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Термообработка стали состоит в нагреве до определённой температуры, выдержке и охлаждении. Основные параметры термообработки:

температура нагрева выбирается на основе протекающих фазовых превращений в твердом состоянии,

скорость охлаждения (охлаждающая среда) выбирается в зависимости от необходимости получения той или иной структуры.

Время выдержки при температуре нагрева должно обеспечить прогрев детали по объёму и завершение фазовых превращений.

Виды термообработки:

отжиг,

нормализация,

закалка

отпуск.

Отжиг, нормализация и закалка основаны на распаде аустенита при охлаждении. Отпуск основан на превращении мартенсита при нагреве.

7.1 Отжиг

Цель отжига – получение равновесной структуры. Это достигается путем медленного охлаждения детали вместе с печью (рис. 38). Структуры сталей после отжига соответствуют равновесной диаграмме состояния (Fe-Fe3C):

доэвтектоидных - П+Ф,

эвтектоидной – П,

заэвтектоидных – П+ЦII.

Рис. 38. Диаграмма изотермического распада аустенита для эвтектоидной стали с нанесенными на нее скоростями охлаждения при различных видах термообработки

Виды отжига:

·  Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия наклёпа. Температура нагрева сталей 650…700°С (Рис.39).

·  Отжиг для снятия остаточных напряжений (в отливках, сварных соединениях и др.) проводится при температуре 550..650°С.

·  Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяется для легированных сталей с целью устранения химической и структурной неоднородности, Тнагр= 1100..1200°С (Рис.39), выдержка 15..20 часов. После диффузионного отжига формируется крупнозернистая структура (П+Ф).

·  Полный отжиг проводится для доэвтектоидных сталей с целью получения мелкозернистой равновесной структуры с пониженной твёрдостью и высокой пластичностью и снятия внутренних напряжений. Полный отжиг проводится при температуре на 30..50°С выше линии АС3 (Рис.38), происходит полная фазовая перекристаллизация, структура – П+Ф, мелкозернистая.

Полный отжиг заэвтектоидных сталей не применяется, так как приводит к образованию структуры П+Ц!! с хрупкой цементитной сеткой.

Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводится при температуре на 10…30°С выше линии АС1 (Рис.39) с целью снизить твёрдость для улучшения обработки резанием. Происходит частичная перекристаллизация. Применяется вместо полного отжига, если не требуется измельчение зерна.

Для заэвтектоидных сталей назначается только неполный отжиг. Он проводится при температуре на 10…30°С выше линии АС1 (Рис.39) с целью получения зернистого перлита. Такой отжиг называется сфероидизирующим.

Изотермический отжиг применяется для легированных сталей и заключается в нагреве выше линии АС3, быстром охлаждении до 620…660°С с последующей изотермической выдержкой в течение 3…6 часов до полного распада аустенита с образованием сорбита пластинчатого. Далее ведут охлаждение на воздухе.

Рис. 39. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe3C с нанесенными температурами нагрева при различных видах отжига

7.2. Нормализация

Нормализация – это нагрев доэвтектоидных сталей на 40…50 °С выше АС3, заэвтектоидных – на 40..50°С выше АСm, выдержка и последующее охлаждение на спокойном воздухе (Рис.38, 40).

Рис. 40. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe3C с нанесенными температурами нагрева при нормализации

При нагреве происходит полная фазовая перекристаллизация, в результате охлаждения получают высокодисперсные феррито-цементитные смеси. Структуры:

доэвтектоидных сталей - С+Ф,

эвтектоидной – С,

заэвтектоидных – С+ЦII.

После нормализации сталь имеет более высокую прочность, твёрдость, сопротивление хрупкому разрушению, по сравнению с отжигом.

Цель нормализации - устранение крупнозернистой структуры, полученной при предшествующей обработке (литье, горячей прокатке, ковке или штамповке, диффузионном отжиге). Нормализацию применяют:

для низкоуглеродистых сталей - вместо отжига,

для среднеуглеродистых – вместо закалки с высоким отпуском,

для высокоуглеродистых (заэвтектоидных) – для частичного устранения цементитной сетки,

для некоторых легированных сталей – вместо закалки.

7.2.1. Классификация сталей по структуре в нормализованном состоянии

Структура сталей после нормализации зависит от суммарного количества в них легирующих элементов (ƩЛЭ), которые сдвигают С-кривую вправо и снижают линии Мн и Мк (рис. 41).

а) б) в)

Рис. 41. Структурные классы сталей в нормализованном состоянии: а – перлитный, б – мартенситный, в – аустенитный

Структурные классы сталей в нормализованном состоянии:

Перлитный класс: ∑ЛЭ<5%, структура – феррито-карбидные смеси, как правило сорбит пластинчатый;

Мартенситный класс: 5%<∑ЛЭ<13%, структура – мартенсит;

Аустенитный: ∑ЛЭ≥13%, среди которых имеются γ-стабилизаторы структура - Алег.

Высоколегированные стали, не содержащие γ-стабилизаторов, после нормализации будут иметь ферритную или ледебуритную структуру.

7.3. Закалка

Закалка – нагрев доэвтектоидной стали на 30..50°С выше АС3, заэвтектоидной - на 30..50°С выше АС1, выдержка и последующее охлаждение со скоростью выше критической (Рис. 38, 42). Цель закалки – получение структуры мартенсита.

Структуры сталей после закалки:

доэвтектоидных - М+Аост,