Материаловед

Превращение аустенита в мартенсит при высоких скоростях охлаждения

Данное превращение имеет место при высоких скоростях охлаждения, когда диффузионные процессы подавляются. Солровождается полиморфным  превращением в

При охлаждении стали со скоростью, большей критической (V > Vк), превращение начинается при температуре начала мартенситного превращения (М_н) и заканчивается при температуре  окончания мартенситного превращения (М_к). В результате такого превращения аустенита образуется продукт закалки  –  мартенсит.

Минимальная скорость охлаждения Vк, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры т.М_н и превращается, называется  критической скоростью закалки.

Так как процесса диффузии не происходит, то весь углерод аустенита остается в решетке  и располагается либо в центрах тетраэдров, либо в середине длинных ребер (рис. 13.1).

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в.

При образовании мартенсита кубическая решетка  сильно искажается, превращаясь в тетрагональную (рис. 13.1 а).  Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности : с/а > 1. Степень тетрагональности прямо пропорциональна содержанию углерода в стали (рис. 13.1 б).

Рис. 13 1. Кристаллическая решетка  мартенсита (а); влияние содержания

углерода на параметры а и с решетки мартенсита (б)

Механизм мартенситного превращения имеет ряд особенностей.

1. Бездиффузионный характер.

Превращение осуществляется по сдвиговому механизму. В начале превращения имеется непрерывный переход от решетки аустенита к решетке мартенсита (когерентная связь). При превращении гранецентрированной кубической решетки в объемно-центрированную кубическую атомы смещаются на расстояния меньше межатомных, т.е. нет необходимости в самодиффузии атомов железа.

2. Ориентированность кристаллов мартенсита.

Кристаллы имеют форму пластин, сужающихся к концу, под микроскопом такая структура выглядит как игольчатая. Образуясь мгновенно пластины растут либо до границы зерна аустенита, либо до дефекта. Следующие пластины расположены к первым под углами 60⁰ или 120⁰ , их размеры ограничены участками между первыми пластинами (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Ориентированность кристаллов мартенсита

Ориентированный (когерентный) рост кристаллов мартенсита обеспечивает минимальную поверхностную энергию. При когерентном росте, из-за различия объемов аустенита и мартенсита, возникают большие напряжения. При достижении определенной величины кристаллов мартенсита, эти напряжения становятся равными пределу текучести аустенита. В результате этого  нарушается когерентность и происходит отрыв решетки мартенсита от решетки аустенита. Рост кристаллов прекращается.

3.   Очень высокая скорость роста кристалла, до 1000 м/с.

4. Мартенситное превращение происходит только при непрерывном охлаждении. Для каждой стали начинается и заканчивается при определённой температуре, независимо от скорости охлаждения. Температуру начала мартенситного превращения называют мартенситной точкой М_Н, а температуру окончания превращения – точкой М_К. Температуры М_Н и М_К зависят от содержания углерода и не зависят от скорости охлаждения. Для сталей с содержанием углерода выше 0,6 % М_К уходит в область отрицательных температур (рис.13.3).

Рис. 13.3. Зависимость температур начала (М_Н) и конца (М_К)

мартенситного превращения от содержания углерода в стали

Мартенситное превращение чувствительно к напряжениям, и деформация аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше М_Н .

В сталях с М_К ниже 20ºС присутствует аустенит остаточный, его количество тем больше, чем ниже М_Н и М_К.(при содержании углерода 0,6…1,0 % количество аустенита остаточного – 10 %, при содержании углерода 1,5 % -  до 50 %). В микроструктуре наблюдается в виде светлых полей между иглами мартенсита.

5. Превращение необратимое. Получить аустенит из мартенсита невозможно.

Свойства мартенсита обусловлены особенностями его образования. Он характеризуется высокой твердостью и низкой пластичностью, что обусловливает хрупкость.

Твердость составляет до 65 HRC. Высокая твердость вызвана влиянием внедренных атомов углерода в решетку -фазы, что вызывает ее искажение и возникновение напряжений. С повышением содержания углерода в стали возрастает склонность к хрупкому разрушению.

4. Превращение мартенсита в перлит.

Имеет место при нагреве закалённых сталей. Превращение связано с диффузией углерода.

Мартенсит закалки –  неравновесная структура, сохраняющаяся при низких температурах. Для получения равновесной структуры изделия подвергают отпуску.

При нагреве закаленной стали происходят следующие процессы.

При нагреве до 200ºС происходит перераспределение углерода в мартенсите. Образуются пластинки –карбидов толщиной несколько атомных диаметров. На образование карбидов углерод расходуется только из участков мартенсита, окружающих кристаллы выделившихся карбидов. Концентрация углерода на этих участках резко падает, тогда как удаленные участки сохраняют концентрацию углерода. В стали присутсвуют карбиды и два α-твердых раствора мартенсита (с высокой и низкой концентрацией углерода. Такой тип распада мартенсита называется прерывистым. Скорость диффузии мала, карбиды не увеличиваются, распад мартенсита сопровождается зарождением новых карбидных частиц.  Таким образом, имеем структуру с неравномерным распределением углерода – это мартенсит отпуска. При этом несколько снижается тетрагональность решётки.

При нагреве до 300ºС идёт рост образовавшихся карбидов. Карбиды выделяются из мартенсита, и он обедняется углеродом. Диффузия углерода увеличивается, и карбиды растут в результате притока углерода из областей твердого раствора с высокой его концентрацией. Кристаллическая решетка карбидов когерентно связана с решеткой мартенсита.

В высокоуглеродистых сталях аустенит остаточный превращается в мартенсит отпуска. Наблюдается снижение тетрагональности решётки и внутренних напряжений. Структура – мартенсит отпуска.

При нагреве до 400ºС весь избыточный углерод выделяется из . Карбидные частицы полностью обособляются,   приобретают строение цементита и начинают расти. Форма карбидных частиц приближается к сферической.

Высокодисперсная смесь феррита и цементита называется  трооститом отпуска;

При нагреве выше 400ºС изменения фазового состава не происходит, изменяется  только микроструктура. Имеют место рост и сфероидизация цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц.

При температуре 550…600ºС получают сорбит отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. Улучшаются свойства стали.

При температуре 650…700ºС получают более грубую ферритно-цементитную смесь – перлит  отпуска (зернистый перлит).

Технологические возможности и особенности отжига, нормализации, закалки и отпуска

При разработке технологии необходимо установить:

–  режим нагрева деталей (температуру и время нагрева);

–  характер среды, где осуществляется нагрев и её влияние на материал стали;

–  условия охлаждения.

Режимы термической обработки назначают в соответствии с диаграммами состояния и диаграммой изотермического распада аустенита.

Нагрев может осуществляться в нагревательных печах, топливных или электрических, в соляных ваннах или  в ваннах с расплавленным металлом, пропусканием через изделие электрического тока или в результате индукционного нагрева.

С точки зрения производительност, нагрев с максимальной скоростью уменьшает окалинообразование, обезуглероживание и рост аустенитного зерна. Однако необходимо учитывать перепад температур по сечению, что ведет к возникновению термических напряжений. Если растягивающие напряжения превысят предел прочности или предел текучести, то возможно коробление или образование трещин.

Рис. 13. 4. Левый угол диаграммы состояния железо – цементит и температурные области нагрева при термической обработке сталей

Скорость нагрева тем выше,чем менее легирована сталь, однороднее ее структура, проще конфигурация.

Скорость нагрева принимается 0,8…1 мин на 1 мм сечения. Время выдержки принимается  около 20 % от времени нагрева.

Среда нагрева при нагреве в печи с газовой средой.

Составляющие могут оказывать на сталь различное действие:

–   окисляющее  (О₂, СО₂, Н₂О);

–   восстанавливающее (СО, СН₄);

–   обезуглероживающее (О₂, Н₂);

–    науглероживающее (СО, СН₄);

–    нейтральное (N₂, инертные газы).

Окисление с образованием окалины _, препятствует получению высокой и равномерной твердости при закалке, приводит к изменению размеров, требует увеличения припусков на механическую обработку.

Обезуглероживание (выгорание углерода в поверхностном слое металла) способствует появлению мягких пятен при закалке и возникновению растягивающих напряжений в поверхностном слое, снижающих усталостную прочность.

На рис. 13.4 показаны температурные области нагрева при термической обработке сталей.

Отжиг и нормализация. Назначение и режимы

Отжиг, снижая твердость и повышая пластичность и вязкость за счет получения равновесной мелкозернистой структуры, позволяет:

–     улучшить обрабатываемость заготовок давлением и резанием;

–     исправить структуру сварных швов,  перегретой при обработке давлением и литье стали;

–     подготовить структуру к последующей термической обработке.

Характерно медленное охлаждение со скоростью 30…100ºС/ч.

Отжиг первого рода

1. Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг. Применяется для устранения ликвации, выравнивания химического состава сплава.

В его основе – диффузия. В результате нагрева выравнивается состав, растворяются избыточные карбиды. Применяется  в основном для легированных сталей.

Температура нагрева зависит от температуры плавления, Т_Н = 0,8 Т_пл .

Продолжительность выдержки: ч.

2. Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации.

Температура нагрева связана с температурой плавления: Т_Н = 0,4 Т_пл.

Продолжительность зависит от габаритов изделия.

1. Отжиг для снятия напряжений после горячей обработки (литья, сварки, обработки резанием, когда требуется высокая точность размеров).

Температура нагрева выбирается в зависимости от назначения, находится в широком диапазоне: Т_Н = 160……700ºС.

Продолжительность зависит от габаритов изделия.

Детали прецизионных станков (ходовые винты, высоконагруженные зубчатые колеса, червяки) отжигают после основной механической обработки при температуре 570…600ºС в течение 2…3 ч, а после окончательной механической обработки для снятия шлифовочных напряжений – при температуре  160…180ºС в течение 2…2,5 ч.

Отжиг второго рода предназначен для изменения фазового состава.

Температура нагрева и время выдержки обеспечивают нужные структурные превращения. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы успели произойти обратные диффузионные фазовые превращения.

Является подготовительной операцией, которой подвергают отливки, поковки, прокат. Отжиг снижает твердость и прочность, улучшает обрабатываемость резанием средне- и высокоуглеродистых сталей. Измельчая зерно, снижая внутренние напряженияи уменьшая структурную неоднородность способствует повышению пластичности и вязкости.

В зависимости от температуры нагрева различают отжиг:

1. полный, с температурой нагрева на 30…50 ºС выше критической температуры А₃

Проводится для доэвтектоидных сталей для исправления структуры.

При такой температуре нагрева аустенит получается мелкозернистый, и после охлаждения сталь имеет также мелкозернистую структуру.

2. неполный, с температурой нагрева на 30…50ºС выше критической температуры А₁

Применяется для заэвтектоидных сталей. При таком нагреве в структуре сохраняется цементит вторичный, в результате отжига цементит приобретает сферическую форму (сфероидизация). Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу  горячая пластическая деформация, при которой дробится цементитная сетка. Структуры с зернистым цементитом лучше обрабатываются и имеют лучшую структуру после закалки. Неполный отжиг является обязательным для инструментальных сталей.

Иногда неполный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей, если не требуется исправления структуры (сталь мелкозернистая), а необходимо только понизить твёрдость для улучшения обрабатываемости резанием.

3. циклический или маятниковый отжиг применяют, если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым. В этом случае после нагрева выше температуры А₁ следует охлаждение до 680 ºС , затем снова нагрев до температуры 750…760) ºС и охлаждение. В результате получают зернистый цементит.

1. изотермический отжиг – после нагрева до требуемой температуры, изделие быстро охлаждают до температуры, на 50…100ºС ниже критической температуры А₁ , и выдерживают до полного превращения аустенита в перлит, затем охлаждают на спокойном воздухе (рис. 13.5). Температура изотермической выдержки близка  к температуре минимальной устойчивости аустенита.

В результате получают более однородную структуру, так как превращение происходит при одинаковой степени переохлаждения. Значительно сокращается длительность процесса. Применяют для легированных сталей.

Рис. 13.5. Режимы изотермического отжига

1. Нормализация. – разновидность отжига.

Термическая обработка, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния, на 30…50 ºС выше А₃ или А_ст с последующим охлаждением на воздухе.

или

В результате нормализации получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки. Твёрдость и прочность несколько выше чем после отжига.

В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита.

Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Иногда проводят как окончательную обработку, например при изготовлении сортового проката.

Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига.

Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском. В этом случае механические свойства несколько ниже, но изделие подвергается меньшей деформации, исключаются трещины.