Лекции по материаловедению

Подождите немного. Документ загружается.

- правая кривая - конец превращения аустенита. Она показывает

время, необходимое при данном переохлаждении для полного

превращения аустенита в феррито-цементитную смесь;

- точка Н

соответствует переохлаждению 150-200 °С ниже А

показывает интервал минимальной устойчивости аустенита.

8.4. Перлитное превращение

Распад аустенита состоит из двух одновременно протекающих

процессов:

- перехода Fe

→ Fe

(бездиффузионного процесса) и образования

цементита Fe

С (диффузионного процесса).

При перлитном превращения ведущей фазой является цементит

(Fe

С). Зарождение зародыша Fe

С происходит на границе зерна, далее

пластинка прорастает в середину зерна, а соседние участки обедняются

углеродом и образуется феррит (рис. 8.7).

С увеличением степени переохлаждения увеличивается разность

энергии аустенита и перлита (ΔF = F

– F

) (рис. 8. 1). Это приводит к

повышению дисперсности образующихся фаз. Структуру феррито-

цементитной смеси различной дисперсности называют перлитом,

сорбитом, трооститом.

Рис. 8.7. Последовательность образования перлита в аустенитном зерне:

а - первичные пластинки цементита в феррите; б - вторичные пластинки

цементита в феррите; в – колонии перлита

Рис. 8.8. Микроструктура перлита, (×1500)

На рисунке 8.8 по ориентировке пластин можно различить два зерна

перлита (две колонии).

Дисперсность - суммарная толщина соседних пластинок Fe

+ Fe

(рис. 8.9).

Рис. 8.9. Схема расположения пластинок цементита (а) и феррита (б) в

перлите на поверхности протравленного шлифа. Стрелкой показано

направление освещения под микроскопом

Дисперсность структуры определяет механические свойства стали:

перлит имеет твердость 200НВ, сорбит – 300НВ, троостит – 400НВ

8.5. Бейнитное превращение

Бейнитное промежуточное превращение идет в интервале

температур 550 – М

. Образующаяся структура представляет собой

двухфазную смесь кристаллов феррита к цементита. Основная особенность

промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход

→ Fe

происходит по мартенситному механизму – бездиффузионно, а

образование цементита (Fe

С) – идет диффузионным путем.

ба

Превращение начинается в интервале температур 550 – М

перераспределения углерода в аустените. Диффузионное

перераспределение приводит к обеднению одних и обогащению других зон

(скорость диффузии углерода в интервале 550 - М

достаточна, а скорость

диффузии железа стремится к нулю).

Уменьшение количества растворенного углерода приводит к

повышению температуры мартенситного превращения, поэтому в

обедненных углеродом зонах γ - твердого раствора происходит

мартенситное превращение.

Образование концентрационной неоднородности приводит к

возникновению напряжения, и процесс полиморфного превращения носит

сдвиговый характер. Кристаллы феррита (Fe

) пересыщены углеродом до

0,1-0,2 % получают тетрагональную решетку. При этом структура верхнего

бейнита получается перистой, а нижнего - игольчатой.

8.6. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении

Сталь, нагретая до аустенитного состояния, может быть охлаждена с

различной скоростью. Наложим кривые охлаждения образцов

углеродистой эвтектоидной стали на диаграмму изотермического распада

аустенита (рис. 8.6) построена в координатах “температура - время”,

поэтому на нее можно наложить графики скоростей охлаждения V

< V

кр

< V

(рис. 8.10)

кр

lgτ

Рис. 8.10. Наложение графиков скоростей непрерывного охлаждения на

диаграмму изотермического распада аустенита. Увеличение скорости

охлаждения от V до V

кр

8.7. Мартенситное превращение ( III превращение)

При больших степенях переохлаждения и скоростях, превышающих

кр

, скорости диффузии железа и углерода равны нулю, Е

>>Е

, поэтому

превращение Fe

(С)→ Fe

(С) происходит бездиффузионным путем (без

изменения концентрации реагирующих фаз) за счет сдвига. Образуется

мартенсит - пересыщенный, частично упорядоченный, твердый раствор

внедрения углерода в альфа - железо (Fe

) с тетрагональной решеткой (с/а

>1) (рис. 8.11).

Fe Fe

FeFe

c c

Рис. 8.11. Объемно-центрированная тетрагональная решетка мартенсита

Степень искажения решетки с/а прямо пропорциональна

концентрации углерода. Поскольку мартенситное превращение состоит в

перестройке решетки аустенита, в которой атомы не меняются местами

(бездиффузионно), а смещаются (сдвигаются) друг относительно друга, то

кристаллы имеют ориентационную связь (рис. 8.12). В углеродистых

сталях существует две ориентационные связи, получившие название

ориентировка Курдюмова-Закса и ориентировка Нишияма. Ориентировка

кристаллов мартенсита (пластин или линз) идет по определенным

плоскостям и направлениям (рис. 8.12) (направление (111) // (101)),

плоскости ([101] // [111]). Следствием сдвигового механизма превращения

на полированной поверхности шлифа является характерный рельеф.

(111)α

[100]A

[101]α

[100]M

[001]A

II[00]M

[010]A II [010]M

(101)γ

[111]γ

Рис. 8.12. Атомно-кристаллический механизм перестройки

Согласно теории, мартенситный кристалл образуется на плоскости

сдвига в момент ее образования. Главную роль играют напряжения.

Источниками напряжений являются: градиент температур по сечению;

анизотропия механических свойств; неоднородность химического состава;

структурные несовершенства; разная ориентировка кристаллов в

пространстве; различный удельный объем аустенита и мартенсита;

различные коэффициенты линейного расширения фаз.

Удельный объем аустенита при количестве углерода от 0,2-1,4 %

составляет 0,12227 – 0,12528 см

/г; мартенсита – 0,12708 – 0,13061 см

/г.

Напряжения, возникающие в результате изменения температуры

концентрируются в отдельных участках аустенита, образуя энергетические

флуктуации. Релаксация (разряжение) напряжений происходит путем

сдвига по определенным плоскостям и направлениям (рис. 8.12). В момент

сдвига образуется порция мартенситных пластин (игл). Время образования

порции мартенситных пластин (игл) изменяется в пределах от 0,5×10

-7

до

5,7×10

-8

в зависимости от размера пластин. Средняя скорость роста

составляет около 10

м/с (1 км/с), близка к скорости звука в твердом теле и

не зависит от температуры превращения. Кристаллы растут до

определенных размеров, после чего рост прекращается.

Аустенитно-мартенситное превращение (рис. 8.13, б) проходит в

интервале температур М

– М

(М

, М

– мартенситные точки: н – начало, к

– конец превращения). При данной температуре с огромной скоростью

образуется только определенное количество (порция) мартенсита, остается

остаточный аустенит. Для возобновления процесса нужно дополнительное

охлаждение.

200 100 0 -100

Температура, С

100

Количество мартенсита, %

а) б)

-200

-100

100

200

300

400

500

t, C

Мн

Мк

уст

Мн

М + А

ост

Мк

0 0,4 0,8 1,2 1,6 С,%

A,%

Рис. 8.13. Мартенситная кривая (а) и зависимость мартенситных точек от

содержания углерода (б)

Мартенситное (А →М) превращение не идет до конца, в стали всегда

остается остаточный аустенит (рис. 8. 13, а).

Положение точек мартенситного превращения зависит от состава

стали. Сильно снижает положение точек М

и М

концентрация углерода

(рис. 8.13, б).

Итак, особенностями мартенситного превращения являются:

1) бездиффузионный сдвиговый механизм;

2) ориентированность кристаллов в пространстве;

3) ультразвуковая скорость образования порции кристаллов

мартенсита;

4) тетрагональность решетки (с/а);

5) незаконченность превращения А → М;

6) необратимость превращений А → М;

7) очень высокая твердость мартенсита (HRC 55-65) и хрупкость из-

за повышенной плотности дефектов (дислокаций) внутри кристалла

мартенсита.

8.8. Превращения в закаленной стали при нагреве (IV превращение)

Различают 4 основных превращения при нагреве закаленной стали

(рис. 8.14). Все процессы идут внутри мартенситных пластин (игл)

поэтому характер игольчатой структуры сохраняется до высоких

температур.

Первое превращение при отпуске происходит в интервале 80-200°С

и называется «двухфазным» или «гетерогенным» расплавом мартенсита.

Выделяются тончайшие пластины карбида (ε - карбид или Fe

С),

уменьшается степень тетрагоналъности с/а→1, образуется «отпущенный

мартенсит». Это превращение сопровождается сокращением объема

образца.

100 200 300 400 500 600

t, С

300

200

100

III

Превращение

- l 0 + l

Рис. 8.14. Дилатометрическая кривая отпуска закаленной стали

Второе превращение происходит в интервале от 200 - 300°С.

Одновременно идут процессы:

- образуются ε - и Fe

С – карбиды, когерентно связанные с решеткой

мартенсита;

- остаточный аустенит переходит в «отпущенный мартенсит» (рис.

8.15) (бейнит нижний). Процесс сопровождается увеличением объема (рис.

8.14);

- продолжается выделение углерода из мартенсита (с/а→1);

- начинается карбидное обособление - образование карбида железа

по схеме:

С→ Fe

Третье превращение происходит в интервале от 350-450°С.

Увеличивается скорость диффузии, карбид железа выделяется из решетки

мартенсита. Степень тетрагональности с/а →1. Образуется дисперсная

смесь феррита и цементита (троостит отпуска).

Четвертое превращение происходит выше 400-450°С. Растут

частицы карбида (коагуляция) и сливаются, округляются (сфероидизация).

Тонкая феррито-цементитная структура троостита отпуска превращается

при температуре 500-550°С в сорбит отпуска, а при более высоких

температурах (600-650°С) - в перлит.

Температура отпуска

Содержание

углерода в

мартенсите

Количество

остаточного

аустенита

Напряжения

II рода

Размер

карбидных

частиц

Рисунок 8.15 - Схема процессов, совершающихся при отпуске: 1 –

выделение углерода из тетрагонального мартенсита; 2 – распад

остаточного аустенита; 3 – снятие внутренних напряжений; 4 – коагуляция

карбидных частиц

Возврат и рекристаллизация в α – Фазе (Fe

) происходят в широком

интервале температур отпуска. Развитие этих процессов сдерживается

частицами карбидных выделений, закрепляющих отдельные дислокации,

дислокационные стенки. После длительного отпуска при температуре

600°С, когда в результате коагуляции цементитных частиц закрепление

границ ослабевает, происходит рекристаллизационный рост зерен

миграцией высокоугольных границ. Микроструктура при этом теряет

характерные морфологические признаки реечного мартенсита. Закалка +

высокий отпуск называется улучшением.

9. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

9.1. Основные составляющие технологического процесса

термической обработки

При разработке технологии термической обработки необходимо

установить:

- режим нагрева детали или заготовки, в который входят температура

нагрева, допустимые скорость и время нагрева;

- характер среды, где должен идти нагрев;

- условия охлаждения (выбор охлаждающей среды);

- производительность труда при термообработке;

- экономичность выбранного процесса.

Режим термообработки назначают до критическим точкам (А

с1

, А

с3

сm

) диаграммы Fe-Fe

С (рис.7.1) и С - образной диаграммы превращения

аустенита (рис.8.6).

Условия нагрева определяются видом нагревательного устройства, к

которым относятся нагревательные печи (топливные или электрические),

соляные ванны или ванны с расплавленным металлом, установки

индукционного нагрева токами промышленной частоты или токами

высокой частоты.

9.2. Классификация видов термической обработки

Схема классификации основных видов термической обработки

показана на рис. 9.1.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Собственная

термическая

Химико-

термическая

Термо-

механическая

Отжиг I рода

Отжиг II рода

Нормализация

Закалка с полиморфным превращением

Закалка без полиморфного превращения

Закалка с оплавлением поверхности

Отпуск

Старение

НТМО

ВТМО

Рис. 9.1. Классификация основных видов термической обработки

Вид термической обработки определяется не характером изменения

температуры во времени, а типом фазовых и структурных изменений в

металле.

Собственная термообработка заключается только в термическом

воздействии на металл или сплав.

Химико-термическая обработка заключается в сочетании

термического и химического воздействия на поверхность.

Термомеханическая обработка заключается в сочетании

термического воздействия и пластической деформации.

Отжиг I рода частично или полностью устраняет отклонения от

равновесного состояния, возникающие при предыдущей обработке (литье,

ковке, штамповке и т.д.), причем при его проведении не происходит

фазовых превращений.

К отжигу I рода (рис. 9.1) относятся:

- гомогенизационный (диффузионный);

- рекристаллизационный и дорекристализационный;

- уменьшающий напряжения.

Цель гомогенизационного отжига - устранение ликвации

(выравнивание химического состава) в отливках, в слитках, в

легированной стали.

Режим гомогенизационного отжига: нагрев до 1050-1200

С,

выдержка 8-10 часов, охлаждение с печью до 200-250

С.

Продолжительность процесса около 80-100 часов (рис. 9.2).