Основы термической обработки сталей

      Рассмотрим  процессы происходящие при нагреве эвтектоидной стали. При нагреве стали выше А₁  перлит превращается в аустенит. Этот процесс протекает в 2 этапе.

      1. Кристаллическая решетка феррита  (ОЦК) перестраивается в решетку  аустенита (ГЦК)

      2. Цементит растворяется в аустените

      Первый  этап протекает достаточно быстро. Второй требует определенного времени (на диффузию атомов углерода из Fe₃C в аустенит). Время это тем меньше, чем больше разница между А₁ и фактической температурой нагрева.

      Например  при 740⁰ П ® А за 8 мин.,  при 780⁰  за 2 минуты.

      Продолжительность этого этапа зависит и от размера  частиц цементита - чем они меньше, тем быстрее они растворяются в аустените.

      Процесс превращения перлита в аустенит протекает путем зарождения в  перлите многочисленных зерен аустенита  и последующего их роста. Процесс заканчивается, когда зерна аустенита полностью заполняют объем исходного перлитного зерна (см.рис.4). Размер образовавшихся аустенитных зерен (начальное зерно аустенита) будет намного меньше исходного перлитного зерна.

      При дальнейшем повышении температуры зерна аустенита растут путем перемещения границ, а число зерен естественно уменьшается.

      Склонность  к росту зерна аустенита при  нагреве у разных сталей различна. Если сталь содержит в своем составе  только Si и Mn, то зерно начинает расти уже при сравнительно невысоких температурах 800 – 900⁰.

      Если  же сталь содержит сильные карбидо  и нитридообразующие элементы (Al, Y, Ti), то зерно существенно не растет до более высоких температур, а затем при 950 – 1000⁰  резко увеличивает свои размеры. Такие стали называют  наследственно мелкозернистыми. Поведение наследственно мелкозернистых сталей при нагреве объясняется тем, что присутствующие в них частички AlN, VN, VC, TiN, TiC препятствуют перемещению границ зерен. Однако, когда, при достижении определенных температур, происходит растворение этих фаз, зерно растет быстро - скачком.

      Размер  зерен аустенита существенно  влияет на размер зерен, которые получаются при охлаждении. Поэтому всегда стремятся, чтобы зерно аустенита при  нагреве не успело вырасти.

      Сильный рост зерна аустенита при нагреве  называется перегревом стали (см.рис.4.2). Перегрев можно исправить последующей правильной термообработкой.

      Если  сталь нагревать еще выше, то по границам зерен происходит окисление  металла и сталь теряет механическую прочность. Это явление называют пережогом. Пережог - брак неисправимый.

      Длительные  выдержки при высоких температурах снижают содержание 

углерода  на поверхности стали вплоть до образования  чистого феррита. Это явление  называют обезуглераживанием. Оно крайне не желательно, так как снижает твердость, износоустойчивость, усталостную прочность. Для предотвращения обезуглераживания используют нагрев в защитных атмосферах (СО, N, инертные газы).

      Почему  растет зерно аустенита при нагреве?

Каждое  зерно обладает определенной поверхностной энергией. Чем больше зерно, тем меньше поверхностная энергия, приходящаяся на единицу объема зерна. Следовательно, рост зерна сопровождается уменьшением энергии, а

всякое  тело стремится к уменьшению энергии.

      Почему  зерно в сталях не растет при низких температурах ?

Рост  зерна процесс диффузионный, а  скорость диффузии резко возрастает при повышении температуры. Поэтому  и рост зерна происходит только при  высоких температурах, когда диффузионные процессы протекают быстро.         

 

1.5. Превращение в  стали при медленном  охлаждении              

(отжиге  или нормализации)

      При понижении температуры ниже А₁  происходит распад аустенита на феррит и цементит. Этот процесс идет по разному в доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталях, но сущность его одна

А ® Ф+Ц

      Процесс распада аустента на феррит и цементит носит диффузионный

характер, так как сопровождается перемещением атомов углерода на сравнительно большие  расстояния. Естественно, для этого  требуется определенное время, и дисперсность продуктов распада будет зависеть от степени переохлаждения или скорости охлаждения.

      Рассмотрим  процесс распада аустенита на примере эвтектоидной стали. Это  превращение состоит из трех этапов:

      1. Перегруппировка атомов из решетки  аустенита (ГЦК) в решетку феррита (ОЦК);

      2. Выделение мельчайших частичек  цементита;

      3. Рост частиц цементита пластинчатой  формы в феррите

      Таким образом, при медленном охлаждении эвтектоидной стали формируется  структура пластинчатого перлита. Увеличение скорости охлаждения приводит к понижению критических точек по сравнению с равновесной диаграммой - распад аустенита будет происходить не при температуре 723⁰, а несколько ниже. При этом скорость диффузии уменьшается, частички цементита не успевают вырасти, твердость повышается. Структуры с более мелкими частичками цементита (по сравнению с цементитом перлита) называются сорбитом и троститом. Условия образования продуктов распада аустенита и их свойства условно можно представить в следующем виде.

      Таким образом, при сравнительно медленных  скоростях охлаждения формируются  структуры перлита, сорбита и тростита, состоящие из феррита и цементита, которые различаются только размером частичек цементита и твердостью.         

 В  доэвтектоидных и заэвтектоидных  сталях распад аустенита протекает  аналогично с той лишь разницей, что до начала образования перлита выделяется избыточный феррит или цементит соответственно.

1.6. Превращение в  стали при быстром  охлаждении                                       

(закалке) 

      Если  скорость охлаждения аустенита настолько  велика, что даже мельчайшие частицы цементита не успевают выделяться, получается принципиально новый тип структуры - мартенсит.

А ® М

      В этом случае происходит только перестройка  решетки ГЦК в решетку ОЦК. Весь углерод остается в решетке aFe и искажает ее. Решетка становится не кубической, а тетрогональной (см.рис.5). Степень искаженности решетки мартенсита зависит от содержания в ней углерода. Чем больше углерода, тем больше искажения решетки и выше твердость. Например, в стали У8 твердость мартенсита около 60НRC (600НВ). 

      Мартенсит - пересыщенный, переохлажденный твердый раствор углерода в aFe.         

 Мартенситное  превращение от других фазовых  превращений отличается рядом  особенностей.

      1. Мартенсит имеет характерное  игольчатое строение. Размер игл  (кристаллов) определяется размером исходного аустенитного зерна (первые

иглы  мартенсита проходят через все зерно). Поэтому, чем мельче исходное зерно  аустенита, тем мельче кристаллы  мартенсита и выше свойства.

      2. Мартенсит образуется бездиффузионным  путем за счет сдвига решеток.  Игла мартенсита  растет практически мгновенно со скоростью распространения звука в упругой среде (7000 м/сек). Состав исходной фазы (А) и конечной фазы (М) одинаков.

      3. Образование мартенсита сопровождается  некоторым увеличением объема, что  приводит к возникновению значительных внутренних напряжений, которые могут привести к деформациям и трещинам.

      4. Образование мартенсита происходит  не при одной какой-то температуре,  а в интервале температур (Мн  – температура начала образования  мартенсита, Мк - конец образования). На положение этого интервала сильно влияет состав стали и особенно содержание углерода (см.рис.6). Повышение содержания углерода снижает Мн и Мк   одновременно расширяя интервал. Наиболее важным является то, что в сталях с содержанием углерода более 0,6% конец  образования  мартенсита  смещен  ниже  комнатной  температуры (-70..-100). Поэтому при закалке таких сталей часть аустенита остается не превращенной. Такой аустенит называют остаточным аустенитом. Чтобы перевести Аост в мартенсит, требуется охлаждение до низких температур, т.е. обработка холодом         

 В  заключение отметим, что мартенситное  превращение происходит   только тогда, когда высокотемпературная фаза быстро переохлаждена до низких температур, и, следовательно, этого превращение диффузионным

механизмом  становится невозможно. 

  

1.7. Диаграмма изотермического распада аустенита

      Диаграммы изотермического распада аустенита  описываю кинетику процесса в координатах  температура-время, т.е. зависимость  скорости процесса от температуры переохлаждения.

      Рассмотрим  такую диаграмму для простейшей эвтектоидной стали (см.рис.7).

Если  аустенит переохладить ниже температуры  А₁, то процесс распада аустенита на феррит и цементит начнется не мгновенно, а через определенное время. Это время зависит от температуры и называется инкубационным периодом. В зависимости от температуры инкубационный период изменяется по кривой с максимумом. Этому есть следующее объяснение. Чем при более

низкой  температуре протекает распад аустенита, тем энергетически он более выгоден, и, следовательно, скорость процесса должна увеличиться. Однако, с понижением температуры уменьшается скорость диффузии, что замедляет процесс распада. Наличием этих двух противоположно влияющих на скорость распада аустенита факторов (энергетического и диффузионного) и объясняется характер изменения инкубационного периода от температуры. Чем при более низкой температуре протекает распад аустенита, тем энергетически он более выгоден, и, следовательно, скорость процесса должна увеличиться. Однако, с понижением температуры уменьшается скорость диффузии, что замедляет процесс распада. Наличием этих двух противоположно влияющих на скорость распада аустенита факторов (энергетического и диффузионного) и объясняется характер изменения инкубационного периода от температуры.

      На  диаграмме применяют лагорифмическую  шкалу времени, чтобы можно было показать и быстро протекающие процессы и медленно протекающие (от секунд до суток).

      Левый максимум на диаграмме показывает время  до начала распада аустенита при  разных температурах, правый- время  до конца распада.

      Горизонтальная  линия Мн - начало мартенситного превращения.

      На  диаграмму с некоторыми допущениями  могут быть нанесены скорости охлаждения.