Материаловед

Свойства сплава зависят от его структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру, а следовательно, и свойства является термическая обработка.

Основы термической обработки разработал Чернов Д.К... В дальнейшем они развивались в работах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, в целях изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (представляется в виде графика в осях температура – время,  рис. 12.1 ).

Рис.12.1. Графики различных видов термообработки:

отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)

Различают следующие виды термической обработки:

1.Отжиг 1 рода – возможен для любых металлов и сплавов.

Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.

Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутренние напряжения.

Основное значение имеют температура нагрева и время выдержки. Характерным является медленное охлаждение

Разновидностями отжига первого рода являются:

–                   диффузионный;

–                   рекристаллизационный;

–                   отжиг для снятия напряжения  после ковки, сварки, литья.

2. Отжиг II рода – отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении.

Проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии.

Проводят отжиг второго рода  в целях получения  равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Характеризуется нагревом до температур выше критических и очень медленным охлаждением, как правило, вместе с печью (рис. 12.1 (1, 1а)).

3. Закалка – проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, в целях повышения твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).

Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охлаждения (рис. 12.1 (2, 2а)).

4. Отпуск –  проводится в целях снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости  закаленных сталей.

Характеризуется  нагревом до температуры ниже критической А (рис. 12.1 (3)). Скорость охлаждения роли не играет. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.

Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.

Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).

Окончательная – формирует свойство готового изделия.

Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении

Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат стремления системы к   минимуму свободной энергии (рис 12.2).

Рис. 12.2. Зависимость свободной энергии структурных составляющих сталей

от температуры: аустенита (F_A),  мартенсита (F_M), перлита (F_П)

1. Превращение перлита в аустенит  происходит при нагреве выше критической температуры А_1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.

2.  Превращение аустенита в перлит происходит при охлаждении  ниже А, минимальной свободной энергией обладает перлит:

3. Превращение аустенита в мартенсит происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

4. Превращение мартенсита в перлит   происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

Механизм основных превращений

1.Превращение перлита в аустетит:

Превращение основано на диффузии углерода,  сопровождается полиморфным превращением , а так же растворением цементита в аустените.

Для исследования процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита (рис.12.3). Для этого образцы нагревают до температуры выше  и выдерживают, фиксируя начало и конец превращения.

Рис. 12.3. Диаграмма изотермического образования аустенита:

1 — начало образования аустенита; 2 — конец преобразования перлита в аустенит;

3 -  полное растворение  цементита.

С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается.

Механизм превращения представлен на рис.12.4.

Рис. 12.4. Механизм превращения перлита в аустенит.

Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зёрен на поверхности раздела  феррит – цементит, кристаллическая решетка перестраивается в решетку .

Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста.

Образующиеся зерна аустенита имеют вначале такую же концентрацию углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается. Превращение  в идет быстрее. После того, как весь цементит растворится, получается аустенит неоднородный по химическому составу: там , где находились пластинки цементита, концентрация углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка.

Величина  образовавшегося зерна аустенита оказывает влияние на свойства стали.

Рост зерна аустенита. Образующиеся зерна аустенита получаются мелкими (начальное зерно). При повышении температуры или выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста является разность свободных энергий мелкозернистой (большая энергия) и крупнозернистой (малая энергия) структуры аустенита.

Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температуры, то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая.

Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой. Стали одной марки, но разных плавок могут различаться, так как содержат неодинаковое количество неметаллических включений, которые затрудняют рост аустенитного зерна.

Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор –  увеличивают ее.

Заэвтектоидные стали менее склонны к росту зерна.

При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размера зерна зависят механические свойства. Крупное зерно снижает сопротивление отрыву, ударную вязкость, повышает порог хладоломкости.

Различают величину зерна наследственного и действительного.

Для определения величины наследственного зерна, образцы нагревают до 930ºС и затем определяют размер зерна.

Действительная величина зерна – размер зерна при обычных температурах. полученный после той или иной термической обработки.

Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали.

Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше температуры  приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении  феррит выделяется  в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. Такая структура называется видманштеттовая структура и характеризуется пониженными механическими свойствами. Перегрев можно исправить повторным нагревом до оптимальных температур с последующим медленным охлаждением.

Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается   к  температуре плавления. При этом  наблюдается окисление границ зерен,  что резко  снижает прочность стали. Излом такой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак.

2. Превращение аустенита в перлит  при медленном охлаждении:

Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается  полиморфным превращением  , выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита.

В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения. Вначале, с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, а затем убывает. При температуре 727ºС и ниже 200ºС скорость равна нулю. При температуре 200ºС равна нулю скорость диффузии углерода.

Закономерности превращения.

Образцы нагревают до температуры, при которой структура состоит из однородного аустенита (770ºС). Затем переносят в термостаты с заданной температурой (интервал 25 – 50ºС). Превращение аустенита можно легко обнаружить с помощью наблюдений за изменением магнитных характеристик, так как аустенит парамагнитен, а феррит и цементит обладают магнитными свойствами.

Получают серию кинетических кривых (рис. 12.5 а), которые показывают количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.

Рис. 12.5. Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении (а);

диаграмма изотермического превращения аустенита (б)

В начале наблюдается инкубационный подготовительный период, время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит. Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада.

Затем скорость начинает уменьшаться и постепенно затухает. С увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается, а затем увеличивается.

Горизонтальная линия М_н показывает температуру начала бездиффузного мартенситного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита (рис. 12.5 б).

При малых степенях переохлаждения , в области температур 727…550ºС, сущность превращения заключается в том, что в результате превращения аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. Аустенит содержит 0,8 % углерода, а образующиеся фазы: феррит –0,02 %, цементит – 6,67 % углерола.

Время устойчивости  аустенита и скорость его превращения зависят от степени переохлаждения.

Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению ниже температуры на 150…200ºС, то есть соответствует минимальной устойчивости аустенита.

Механизм превращения представлен на рис. 12.6.

Рис. 12.6. Механизм превращения аустенита в перлит

При образовании перлита из аустенита  ведущей фазой является цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено  на границе аустенитных зёрен. Образовавшаяся пластинка цементита растёт, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки  феррита. Эти пластинки растут как по толщине, так и по длине. Рост образовавшихся колоний перлита продолжается до  столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров.

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит процесс его распада.

Толщина соседних  пластинок феррита и цементита определяет дисперсность структуры и обозначается .  Она зависит от температуры превращения. В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различное название.

мм –  перлит, образуется при переохлаждении до температуры  Т = 650…700 ºС, или при скорости охлаждения V_охл =  30…60 ºС/ч. Твердость составляет  180…250 НВ.

мм –  сорбит, образуется при переохлаждении до температуры         Т = 600…650 ºС, или при скорости охлаждения V_охл =  60 ºС/с. Твердость составляет  250…350 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, достаточной вязкостью и прочностью.

мм – троостит,  образуется при переохлаждении до температуры         Т = 550…600 ºС, или при скорости охлаждения V_охл =  150 ºС/с. Твердость составляет  350…450 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью и лпастичностью.

Твердость ферритно-цементитной смеси прямо пропорциональна площади поверхности раздела между ферритом  и цементитом...

Если температура нагрева незначительно превышала теипературу А и полученый аустенит неоднороден по составу, то при малой степени переохлаждения образуется зернистый перлит.

Промежуточное превращение

При температуре ниже 550ºС самодиффузия атомов железа практически не происходит, а атомы углерода обладают достаточной подвижностью.

Механизм превращения состоит в том, что внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода  и участки аустенита, обогащенные углеродом превращаются в цементит.

Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по  сдвиговому механизму, путем возникновения и роста зародышей феррита. Образующиеся при этом кристаллы имеют игольчатую форму.

Такая структура, состоящая из цементита и феррита, называется бейнитом. Особенностью является повышенное содержание углерода в феррите (0.1…0.2 %).

Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависят от температуры превращения.

При температуре мм  –  верхний бейнит. Структура характеризуется недостаточной прочностью, при низких относительном удлинении () и ударной вязкости  ().

При температуре  300ºС –   –  нижний бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.