Превращение аустенита при непрерывном охлаждении
Теория и технология термической обработки сталей
Стали подвергаются всем видам термической обработки, основой термической обработки являются фазовые превращения аустенита: gÛa и эвтектоидное g®a+Fe3C, которые происходят в равновесных условиях очень медленного охлаждения аустенита. При увеличении скорости охлаждения повышается степень переохлаждения аустенита ниже температуры А1.
Изотермическое превращение аустенита
Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяют на два типа: перлитное и промежуточное, или бейнитное (диффузионное); мартенситное (бездиффузионнное). Кинетику диффузионных превращений удобнее изучать в изотермических условиях.
Перлитное превращение аустенита.
Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и его превращения представляют графически в виде диаграмм. Эти диаграммы строят в координатах температура превращения - время; но время откладывают на логарифмической шкале (рис. 3.6).
На диаграмме (см. рис. 3.6) нанесены две С-образные кривые, указывающие время начала и конца превращения переохлажденного аустенита. В области диаграммы, расположенной левее линии 1, существует переохлажденный аустенит; между линиями 1 и 2 находится область, в которой происходит превращение; правее линии 2 лежит область, в которой существуют продукты превращения аустенита. Устойчивость аустенита зависит от степени переохлаждения. Наименьшей устойчивостью аустенит обладает при температурах, близких к 550ОС. Для эвтектоидной стали время устойчивости аустенита при 550- 560ОС составляет около l c. При повышении или понижении температуры относительно 550ОС устойчивость аустенита возрастает. Так, при 700ОС это время составляет около 10 с, а при 300ОС - около 60 с.
|
|
|
Рис.3.6. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (схема): I- перлитное превращение; II- промежуточное превращение; III – мартенситное превращение; п - перлит; с - сорбит; т - троостит; Б - бейнит; 1, 2- линии начала и конца превращения переохлажденного аустенита соответственно
Превращение аустенита при температурах в интервале А1-550ОС называют перлитным, а превращение при температурах в интервале 5500С-МН- промежуточным.
Строение перлитной структуры зависит от температуры превращения. С увеличением степени переохлаждения, в соответствии с общими законами кристаллизации, уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность ферритно-цементитной смеси. Если превращение происходит при температурах более высоких, чем 650- 670ОС, образуется сравнительно грубая смесь кристаллов феррита и цементита с межпластиночным расстоянием (5-7).10-7 м; такую смесь называют собственно перлитом. Превращение при 640-5900С дает межпластиночное расстояние (3-4).10-7 м; такую перлитную структуру называют сорбитом. При температуре превращения 580-5500С межпластиночное расстояние уменьшается до (1-2).10-7 м, такую структуру называют трооститом.
|
|
|
Мартенситное превращение аустенита.
При охлаждении стали со скорость больше Vкр, будет образовываться мартенсит – неравновесная фаза – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fea. Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (~5000 м/с). Их росту препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита (Рис.3.7.). Стуктура мартенсита представлена на рисунке 3.8.
Рис. 3.7. Схема образования мартенситных пластин в одном зерне аустенита
В процессе мартенситного g®a - превращения углерод остается в твердом растворе, искажая кристаллическую решетку Fea, так как растворимость его в Fea значительно меньше, чем в Feg. Мартенсит имеет тетрагональную пространственнуюрешетку (рис. 3.9.). На рисунке крестиками показаны возможные места расположения атома углерода. Чем больше углерода было в аустените, тем большее число атомов углерода содержится в решетке мартенсита, и тем большими окажутся средние искажения пространственной решетки. Между кристаллическими решетками аустенита и мартенсита существует определенное кристаллографическое соответствие (ориентационное соотношение). В сталях и железных сплавах встречаются оринетционные соотношения, близкие к соотношению Курдюмова-Закса (111)А || (101)М; [1¤1 0]А || [1 1¤1]М или Нишиямы (111)А || (101)М; [1¤2 1]А || [10¤1]М.
|
|
|
Рис. 3.8. Микроструктура мартенсита с аустенитом остаточным слева на право доэвтектоидная стали и эвтектоидная сталь
Рис. 3.9. Тетрагональная ячейка пространственной решетки мартенсита
Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворенного в нем углерода. На рис. 3.10, а показано влияние содержания углерода на твердость мартенсита. По аналогичной кривой изменяется и временное сопротивление сталей. Мартенсит имеет очень высокую твердость, равную или превышающую 60 HRC, при содержании углерода, большем 0,4%. С увеличением количества углерода возрастает хрупкость мартенсита. Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объема (рис. 3.10, б). Весьма сильно изменяются и другие физические свойства стали.
|
|
|
Рис. 3.10. Изменение твердости (а) и объема (б) мартенсита сталей с различным содержанием углерода
Небольшое количество остаточного аустенита (1-3%) после мартенситного превращения сохраняется в сталях, температура МКкоторых выше 20-250С. Затрудненность распада последних порций аустенита связывают с появлением значительных сжимающих напряжений, возникающих вследствие увеличения объема при переходе решетки ГЦК в ОЦК.
Наиболее типичной формой мартенситного кристалла является пластина или линза с малым отношением толщины к другим линейным размерам. Форма мартенситных кристаллов соответствует минимуму упругой энергии, возникающей при мартенситном превращении. Время образования одного кристалла мартенсита менее 10-7с, а скорость роста более 105 см/с, то есть близка к скорости звука в твердом теле и не зависит от температуры превращения. Аустенито-мартенситное превращение протекает в определенном температурном интервале: начинается при температуре Мн и заканчивается при более низкой температуре Мк (эти температуры называются мартенситными точками). При данной температуре с громадной скоростью образуется только определенное количество мартенсита и для возобновления процесса сталь надо охлаждать в интервале Мн - Мк. Мартенситные точки зависят от состава стали, зависимость температуры мартенситного превращения от содержания углерода представлена на рис. 3.11.
В интервале температур промежуточного превращения аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом (двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита). Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму. Определяющей особенностью бейнитного превращения является то, что оно протекает в интервале температур, когда практически отсутствует самодиффузия железа и диффузия легирующих элементов, но интенсивно может протекать диффузия углерода. Само бейнитное превращение бездиффузионное, но оно подготавливается диффузионными процессами происходящими в аустените. Бейнит подразделяют на верхний и нижний, в соответствии с температурой превращения. Нижний бейнит по своей природе мало отличается от мартенсита.
Рис. 3.11. Зависимость мартенситных точек от содержания углерода
Превращение аустенита при непрерывном охлаждении
Термическая обработка стали часто осуществляется путем непрерывного охлаждения после нагрева стали до аустенитного состояния. Так как кривые охлаждения строят в тех же координатах температура - время, что и диаграмму изотермического превращения аустенита, для рассмотрения превращения аустенита при непрерывном охлаждения нанесем кривые охлаждения на диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной углеродистой стали (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита с кривыми охлаждения.
При небольшой скорости охлаждения кривая V1пересекает линии диаграммы изотермического распада аустенита при высоких температурах и малом переохлаждении, и продуктом превращения будет перлит. С увеличением скорости охлаждения кривые V2и VЗпересекают линии диаграммы при более низких температурах и больших переохлаждениях, и продуктами превращений будут более мелкие феррито - цементитные смеси - сорбит и троостит. При еще большей скорости охлаждения (кривая V4) полного превращения аустенита в феррито-цементитную смесь не происходит, а часть его переохлаждается до точки МН, в результате чего образуется структура, состоящая из троостита и мартенсита. При очень большой скорости охлаждения (кривая V5) превращение аустенита в феррито-цементитную смесь не происходит; весь аустенит переохлаждается до температуры в точке МН и превращается в мартенсит. Кривая охлаждения VК(касательная к выступу изотермической кривой) характеризует минимальную скорость охлаждения, при которой образуется мартенсит без продуктов перлитного распада, и называется критической скоростью. Возможность получения мартенсита в стали имеет большое практическое значение, так как позволяет в несколько раз повысить твердость и прочность стали с помощью термической обработки.
Закалкой называется нагрев стали выше критической температуры Азили A1с последующим охлаждением со скоростью больше критической. Назначение закалки - получить структуру мартенсита. Способность аустенита претерпевать превращения в зависимости от скорости охлаждения лежит в основе различных видов термической обработки. Для закалки необходимо охлаждение со скоростью больше критической. такую скорость для углеродистых сталей можно получить только при охлаждении в воде.
Отжигом называется нагрев выше критических температур с последующим очень медленным охлаждением (чаще всего вместе с печью). Назначение отжига -получить равновесную структуру (в соответствии с диаграммой состояния). При этом образуется структура перлита с избыточными фазами феррита или цементита в зависимости от содержания в стали углерода и температуры отжига. Нормализационный отжиг стали (или нормализация) включает нагрев до аустенитного состояния (выше А3или Асm) с последующим охлаждением на воздухе. При этом скорость охлаждения больше, чем при отжиге; структура - более дисперсный перлит, т. е. сорбит. Нормализация является более дешевой термической операцией, чем отжиг, так как печи используются только для нагрева изделия, а охлаждение проводится вне печи на воздухе.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1003; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!