Свойства мартенсита. Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода, в стали с 0,6-0,7%С твердость мартенсита составляет НRС 65 (HV 9600 МПа), это в 6 раз больше твердости феррита.
Временное сопротивление низкоуглеродистого мартенсита (0,015%С) составляет ~1000, а при 0,6-0,8%С достигает 2000- 2300 МПа. Однако с повышением в мартенсите содержания углерода возрастает склонность его к хрупкому разрушению. Мартенсит с >0,35-0,4%С обладает низкой пластичностью и разрушается хрупко.
Высокая твердость мартенсита объясняется главным образом влиянием внедренных атомов углерода в решетку a-фазы, созданием микро - и субмикроскопической неоднородности строения с повышенной плотностью дефектов кристаллического строения. Подвижность дислокаций затруднена и в связи с повышенной их плотностью из-за фазового наклепа. Все это и определяет высокую твердость стали, имеющей мартенситную структуру. Хрупкость мартенсита связана с пониженной подвижностью заблокированных дислокаций, что уменьшает возможность пластической релаксации в местах концентрации напряжений. Присутствие углерода и других примесей в твердом растворе повышает электросопротивление и коэрцитивную силу мартенсита, понижает остаточную индукцию и магнитную проницаемость по сравнению с ферритом.
Мартенсит по сравнению с другими структурными составляющими стали и особенно с аустенитом имеет наибольший. удельный объем: удельный объем аустенита при содержании 0,2-1,4%С составляет 0,123-0,125, а мартенсита 0,127-0,130 см3/г. Увеличение удельного объема при образовании мартенсита является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий пли даже появление трещин.
Увеличение объема стали после закалки по сравнению с исходным тем больше, чем выше содержание углерода в мартенсите, и составляет 1,2% при изменении содержания углерода от 0,4 до 0,8 %.
Отпуск стали.
Термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температуры, ниже точки A1, называют отпуском.
Типичная структура закаленной стали - мартенсит и остаточный аустенит (Рис.), которые являются неравновесными фазами. Переход стали в более устойчивое состояние должен сопровождаться распадом мартенсита и остаточного аустенита с образованием структуры, состоящей из феррито-карбидной смеси. Характер и скорость распада мартенсита и остаточного аустенита обусловлены температурой нагрева при отпуске.
При низких температурах отпуска или в процессе закалки низкоуглеродистых сталей в интервале температур Мн - Мк имеет место скопление углерода на дислокациях, а при температурах ~100оС - образование кластеров - плоских, одно атомной толщины скоплений атомов углерода.
Распад мартенсита (первое превращение при отпуске). На первой стадии превращения (при температурах 100-150оС) в кристаллах мартенсита образуется частицы e-карбида (состав FexC, вероятно Fe2C). Концентрация углерода около карбидов резко уменьшается, тогда как более удаленные участки сохраняют исходную концентрацию углерода, полученную после закалки. Таким образом, после нагрева до низких температур в стали наряду с частицами выделившихся карбидов одновременно присутствуют два a-твердых раствора (мартенсита) с более высокой (исходной) и низкой концентрацией углерода. Данный тип распада мартенсита называют двухфазным.
При температурах <150°С скорость диффузии мала, поэтому образующиеся частицы карбидов не увеличиваются, а распад мартенсита сопровождается зарождением новых частиц карбидов.
Карбидные частицы имеют форму тонких пластинок толщиной в несколько атомных слоев. Пластинки e-карбида когерентно связаны с решеткой a-раствора (рис.).
На второй стадии превращения (при 150-350°С) из мартенсита выделяются карбиды и, следовательно, он обедняется углеродом. Диффузия углерода возрастает, и кристаллы карбидов укрупняются. В итоге концентрация углерода в кристаллах a-фазы приближается к равновесной.
Частицы карбидов, образующиеся при низкотемпературном отпуске, по кристаллографическому строению и составу отличаются от цементита. Было установлено, что в мартенсите после низкотемпературного отпуска присутствует гексагональный e-карбид.
Структуру, получающуюся в результате распада мартенсита при температурах ниже 350оС, называют отпущенным мартенситом, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией в нем углерода и включениями дисперсных пластинчатых кристалликов e-карбида, когерентно связанных с решеткой мартенсита. Тетрагональность кристаллической решетки и плотность дефектов в отпущенном мартенсите меньше, чем в мартенсите закалки. Распад мартенсита при отпуске сопровождается уменьшением объема.
Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение (второе превращение при отпуске). При 350-400°С полностью завершается процесс выделения углерода из a-раствора (мартенсита), происходит нарушение когерентности, в результате которого образуется цементит (e-FeхC ® Fe3C).
Кроме того, изменяются размеры и форма карбидных частиц: она приближается к сфероидальной. Образующуюся после отпуска при 350-400оС структуру обычно называют троститом отпуска.
Коагуляция карбидов (четвертое превращение при отпуске). (500-680°С). Повышение температуры отпуска сверх 400-500°С в углеродистых и многих низко - и среднелегированных сталях не вызывает изменения фазового состава. Однако с повышением температуры изменяется микроструктура; происходит коагуляция и сфероидизация карбидов.
Коагуляция карбидов при отпуске происходит в результате растворения более мелких и роста более крупных частиц цементита при одновременном обеднении углеродом a-твердого раствора. Структуру стали после высокого отпуска называют сорбитом отпуска.
|
Частицы карбидов в структуре тростита или сорбита отпуска в отличие от тростита и сорбита, полученных в результате распада переохлажденного аустенита, имеют зернистое, а не пластинчатое строение. Образование зернистых структур улучшает многие свойства стали, особенно пластичность и вязкость, а главное - сопротивление разрушению.
В результате коагуляции размер частиц карбидов становится ~1 мкм, тогда как после отпуска при 400-450оС (тростит отпуска) их величина 0,3 мкм. При температурах, близких к точке A1, образуется еще более грубая феррито-карбидная структура (диаметр карбидных частиц ~З мкм), называемая зернистым перлитом.
Влияние отпуска на механические свойства
Распад мартенсита при отпуске влияет на все свойства стали. (Рис.)
Технология термической обработки стали
Основными видами термической обработки, различным образом изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливки, поковки, прокат и т. д.) и готовыми изделиями, являются: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.
Отжиг 1 рода
Отжиг 1 рода в зависимости от исходного состояния стали и температуры нагрева может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Характерная особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы происходят независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет. Поэтому отжиг 1 рода можно проводить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений.
Гомогенизация (диффузионный отжиг). Диффузионный отжиг применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали к хрупкому излому, к анизотропии свойств. Диффузионный отжиг способствует более благоприятному распределению некоторых неметаллических включений вследствие частичного растворения и коагуляции.
Температура нагрева при диффузионном отжиге должен быть высоким (1100-1200оС), так как только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы. Общая продолжительность диффузионного отжига (нагрев, выдержка и медленное охлаждение) больших садок металла достигает 50-100 ч. и более. Наиболее интенсивно гомогенизация протекает в начальный период отжига, поэтому очень большие выдержки при отжиге не эффективны. В результате диффузионного отжига получается крупное зерно. Этот недостаток устраняется при последующей обработке слитка давлением.
Рекристаллизационный отжиг. Под рекристаллизационным отжигом понимают нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением. Цель отжига - устранение наклепа и повышение пластичности.
Температура рекристаллизационного отжига стали зависит от ее состава и чаще находится в пределах 650-760оС. Увеличение в стали содержания углерода и легирующих элементов повышает температуру рекристаллизации.
Отжиг для снятия остаточных напряжений. Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и др., в которых в процессе предшествующих технологических операций возникли остаточные напряжения. Остаточные напряжения могут вызвать изменение размеров и коробление изделия в процессе его обработки (например, резанием), эксплуатации или хранения. Отжиг стальных изделий для снятия напряжений проводят при 160-700оС с последующим медленным охлаждением.
Отжиг 2 рода (фазовая перекристаллизация)
Отжиг 2 рода заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас3 или Ас1, выдержке и последующем, как правило, медленном охлаждении, в результате которого протекающие фазовые превращения приближают сталь к равновесному структурному состоянию, феррит + перлит в доэвтектоидных сталях; перлит в эвтектоидной стали, перлит + вторичный цементит в заэвтектоидных сталях. После отжига сталь обладает низкой твердостью и прочностью при достаточной пластичности. Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно и устраняет неблагоприятные (с точки зрения уровня механических свойств) структуры стали.
Отжиг в промышленности в большинстве случаев является подготовительной термической обработкой.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 |
Основные порталы (построено редакторами)