Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали кратко

Обновлено: 04.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Практическая работа №3

Оценка влияния закалки на свойства стали

Цель работы. Изучить влияние на структуру и твердость стали температуры нагревания под закалку и скорости охлаждения.

Сведения из теории

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагревания, изотермической выдержки и охлаждения. Её целью является изменение структуры сплава для получения необходимых механических и физических свойств.

Термическая обработка может быть промежуточной, проводимой с целью снижения твердости и улучшения обрабатываемости, а также для подготовки детали к последующей – заключительной термообработке, с целью придания окончательных требуемых свойств готовым деталям и инструменту.

Теоретической основой для составления режимов термообработки являются диаграммы состояния сплавов. Для углеродистой стали используются диаграмма состояния железо – цементит и диаграмма изотермического превращения аустенита.

Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг – нагревание стали выше или ниже температур фазовых превращений, выдержка и медленное охлаждение вместе с печью.

Нормализация – нагревание стали выше верхних критических точек, выдержка и последующее охлаждение на воздухе.

Основное назначение отжига и нормализации – улучшение обрабатываемости стали режущим инструментом, улучшение её деформируемости в холодном состоянии, подготовка к окончательной термической обработке.

Закалка – нагревание стали до температур выше критических точек (фазовых превращений), выдержка и быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры –мартенсита– пересыщенного твердого раствора внедрения углерода в Fe_α.

Цель закалки – повысить твердость и прочность стали.

Отпуск – нагревание закаленной стали до температур ниже критических точек (фазовых превращений), выдержка и последующее охлаждение с целью получения более устойчивых структур.

Цель отпуска – снять внутренние напряжения, окончательно сформировать структуру и механические свойства стали.

Основными параметрами любого вида термообработки являются температура нагревания, время выдержки в печи и скорость охлаждения.

Температура нагревания устанавливается по критическим точкам диаграммы железо – цементит и зависит от состава стали и выбранного режима термической обработки.

Нагревание деталей производится в электропечах с воздушной или защитной атмосферой и печах-ваннах (масляных, свинцовых, соляных). Скорость нагревания и время выдержки при изотермической температуре определяется типом нагревательного устройства, массой одновременно нагреваемого металла, его теплопроводностью, конструктивной формой изделий и т. д.

Время, необходимое для нагревания изделий в электропечах на промышленных предприятиях, принимают 1,5…2мин. на 1мм сечения изделия, но чаще определяют экспериментально. Время нагревания образцов стали в лабораторных электропечах приведено в таблице 3.1.

Продолжительность нагревания образцов при закалке

Форма сечения нагреваемого образца

Квадрат

Пластина

Продолжительность нагревания, мин.

На 1мм диаметра

На 1мм толщины

Чтобы понять, как влияет скорость охлаждения на структуру и свойства стали при термообработке, необходимо ознакомиться с диаграммами изотермического превращения аустенита.

Диаграмма строится экспериментально для каждой марки стали в координатах температура – время. На рис.3.1 приведена диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (С = 0,8%). Скорость охлаждения на диаграмме изображается в виде вектора. Если скорости охлаждения наложить на изотермические кривые, то легко определить структуру и свойства, которыми будут обладать стали после термической обработки.

Скорости охлаждения V₁,V₂, иV₃ соответствуют полному превращению аустенита в структуры перлитного типа, состоящие из ферритно-цементитной смеси – перлит, сорбит и троостит. Разложение аустенита на ферритно-цементитную смесь (перлит, сорбит, троостит) является диффузионным процессом и может протекать до полного завершения, как при непрерывном охлаждении, так и во время изотермической выдержки переохлажденного аустенита.

Рис. 3.1. Диаграмма изотермического превращения аустенита

При скоростях охлаждения V_КР и V₇ аустенит полностью переохлаждается до температуры М_Н и при дальнейшем охлаждении стали образуется мартенсит. Скорость охлаждения V_КР, вектор которой является касательным к кривой начала распада аустенита, называется критической скоростью закалки. Это минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит превращается в мартенсит.

Мартенситное превращение является бездиффузионнымпроцессом и может протекать лишь при непрерывном охлаждении. Существует интервал между температурой начала мартенситного превращения (мартенситной точкой М_Н) и температурой конца мартенситного превращения (точкой М_К). Мартенситное превращение происходящее при постоянной температуре, лежащей между М_Н и М_К, быстро затухает, не доходя до конца и в структуре стали остается аустенит, который называют остаточным. Для того чтобы произошло полное мартенситное превращение, охлаждение нужно довести до температур, лежащих ниже М_Н. Однако даже в этом случае сохраняется некоторое количество (до 2%) остаточного аустенита.

Температурный интервал мартенситного превращения зависит от химического состава стали – содержания углерода и наличия легирующих элементов. Для углеродистых сталей, содержащих более0,55%С, температура окончания мартенситного превращения (точка М_К) лежит ниже нуля (рис.3.2). Поэтому заэвтектоидные стали после закалки на мартенсит всегда имеют в структуре определенное количество остаточного аустенита – А_ОСТ. Для его перехода в мартенсит применяется обработка холодом, т.е. охлаждение закаленной стали до температур ниже нуля.

Изотермическая выдержка V₄до полного распада переохлажденного аустенита при температуре превышающей М_Н приводит к образованию структуры бейнита – незначительно пересыщенного твердого раствора внедрения углерода в Fе_α в смеси с карбидами.

Закалка стали

Закалка стали с последующим отпуском относится к заключительной термической обработке. Основной закалочной структурой является мартенсит. Он имеет тетрагональную решетку, и его тетрагональность и твердость (НRС55…65) зависят от содержания углерода.

Температура нагревания углеродистой стали под закалку зависит от содержания углерода и определяется диаграммой состояния Fе–Fе₃С. В зависимости от температуры нагревания различают полнуюзакалку, при которой нагревание ведется выше верхних критических точек Ac₃ и А_cm, и неполную закалку, с нагревом выше нижней критической точки Ас₁.

На практике температура нагревания доэвтектоидных сталей принимается на 30…50°С выше точки Ас₃, а температура нагрева заэвтектоидной стали на 30…50ºС выше Ас₁, рис.3.3. Нагревание до более высоких температур (перегрев) нежелателен, так как перегрев приводит к дополнительному росту аустенитного зерна, к получению более грубой мартенситной структуры (повышению хрупкости) и к увеличению в структуре закаленной стали количества остаточного аустенита, снижающего твердость.

Рис. 3.3. Оптимальный интервал закалочных температур

Для многих легированных сталей температура нагревания под закалку значительно превышает критические точки Ас₁ и Ac₃ (на 150…250°С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения нужной легированности аустенита.

При проведении закалки требуется, чтобы закалочная среда обеспечила быстрое охлаждение изделия в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита (650…550°С) и медленное – в интервале температур мартенситного превращения (при температурах ниже 300ºС). Это необходимо для выравнивания образующихся структурных и тепловых напряжений.

Правильный выбор закалочной среды имеет большое значение для успешного проведения закалки. Наиболее распространенными закалочными средами являются: вода, 5…10% водный раствор NaOH или NaCl, минеральное масло и расплавы солей с низкой температурой плавления.

Порядок выполнения

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями.

2. Составить краткий конспект по теоретическим сведениям.

3. Определить оптимальную температуру закалки стали.

4. Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

2. Определения видов термической обработки.

3. Диаграмма состояния железо–цементит (часть сталей) с нанесенными интервалами температур для закалки сталей.

4. Диаграмма изотермического превращения аустенита с нанесенными векторами скоростей охлаждения, при которых получаются различные структуры, а также векторами скоростей охлаждения для различных способов закалки.

5. Краткое описание способов закалки.

Контрольные вопросы

1. Что такое закалка, ее назначение?

2. Основная структура при закалке. Дать ее определение. От каких факторов зависит ее твердость.

3. Какая скорость охлаждения называется критической скоростью закалки?

4. Как выбрать время и температуру нагревания изделий в электропечах?

5. Как выбирают охлаждающую среду?

6. Чем объясняется появление высоких внутренних напряжений в закаленной стали?

Влияние скорости охлаждения на критические точки и структуру стали

Влияние скорости охлаждения на критическую точку и структуру стали при медленном охлаждении стали в точке перлитного превращения разложение аустенита на феррит-цементитную смесь ослабляется от 1) y-Fe-> a-Fe превращения и 2).Образование соединений железа и углерода-цементита. Первый процесс (гомотропное превращение железа) не имеет диффузии, протекает практически мгновенно, второй (образование цементита) — диффузия, завершение которой требует определенного времени.

Когда сталь быстро охлаждается, образование цементита происходит за очень короткое время, а феррито-цементная смесь dispersed. In кроме того, с увеличением скорости охлаждения возрастает степень переохлаждения аустенита, разложение которого происходит при низких температурах с низкой скоростью диффузии углерода и, следовательно, скоростью роста цементитных пластин. Таким образом, по мере увеличения скорости охлаждения стали размер карбидной фазы непрерывно уменьшается,

Смесь высокодисперсного феррита и цементита Стоматит. Природа перлита и трустита точно такая же same. It представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Однако при относительно медленном охлаждении стали образуется перлит, равновесная структура с постоянным содержанием 0,8%С, а при ускоренном охлаждении получается торозит, неоднородная структура с переменным содержанием углерода. При недостатке времени и сразу же образовался стоматит из-за малого, 30 закаливания и начала закаливания Вследствие диффузии углерода высвобождение избыточного феррита в доэвтектоидной стали или образование вторичного цементита в трансэвтектоидной стали не успевает произойти.

Таким образом, содержание углерода в троостите не является постоянным и соответствует составу стали. Твердость торутита зависит от скорости охлаждения и содержания углерода в стали. В эвтектоидной стали при 0,8% C, в зависимости от скорости охлаждения, твердость терстаита составляет 20-40 HRC. На рисунке 5 показано влияние скорости охлаждения на критическую точку и структуру эвтектоидной стали. Этот рисунок показывает, что разложение аустенита в феррит-цементитную смесь, то есть точка перлитного превращения (Ar), непрерывно уменьшается с увеличением скорости охлаждения.

Переход углерода из твердого раствора углерода в гамма-железе (аустенит) в неравновесный твердый раствор углерода в Альфа-железе (мартенсит).в таких процессах содержание углерода в мартенсите равно содержанию углерода в аустените, если в момент гомотропного превращения железа атом углерода не покидает атомно-кристаллическую решетку и остается на своем месте. Мартенсит является основной структурой закаленной стали, которая имеет самую высокую твердость, уступая только цементиту, среди всех структур, образующихся в результате упрочнения. Мартенсит имеет характерное строение иглы(рис. 6).

При одинаковом содержании углерода размер иглы мартенсита зависит от размера зерна аустенита. Людмила Фирмаль

Чем крупнее зерно аустенита при закалке, тем больше длина. Влияние скорости охлаждения на критические точки и структуру 31 Иглы из мартенсита. Поэтому, чем выше температура нагрева закалочной стали, тем больше будет расти зерен аустенита и мартенситных игл. шмшш Рисунок 6. S-prubsgur закаленная сталь 45 (martenseve). Х 500 Из-за сильной деформации атомно-кристаллической решетки при образовании мартенсита плотность упаковки атомов железа резко снижается. Поэтому мартенсит имеет наибольший удельный объем (минимальный удельный вес) по сравнению со всеми другими стальными конструкциями.

Таблица 10 удельный объем стали по структуре с различным содержанием углерода[15, 16] С％ 0,0 0.2 0.6 1,0 1.4 Феррит+цементит(перлит） Удельный вес Семь тысяч восемьсот шестьдесят девять Семь тысяч восемьсот шестьдесят три Семь тысяч восемьсот пятьдесят два Семь тысяч восемьсот сорок один Семь тысяч восемьсот тридцать Удельный объем 0.1271 0.1272 0.1273 0.1275 0,1277 Аустенит Удельный объем 0.1222 0.1227 0.1235 0.1244 0.1253 Уменьшение объема％ 3.9 3.6 3.0 2,4 1.8 Мартенсит Удельный объем 0.1276 0.1286 0.1296 0,1306 Увеличение объема,%, по сравнению с перлитом 0.3 1,1 1.7 2.2 Аустенит 3.9 4.0 4.1 Закалять и закалять стали 4,232 В таблице.

На рисунке 10 показан удельный объем перлита, мартенсита и аустенита в Стали с различным содержанием углерода при 20°. Как видно из таблицы, при закалке стали во время перехода на аустенит Тензит-это значительное увеличение объема, которое сопровождается большим количеством напряжений, что часто приводит к деформации и растрескиванию.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Скорость охлаждения стали, нагретой до аустенитного состояния оказывает существенное влияние на температурный интервал аустенитных превращений, характер и свойства получающегося продукта.

Она регулируется составом и свойствами охлаждающей среды в качестве которой, как правило могут быть использованы вода, минеральное масло, водные растворы солей и щелочей, синтетические жидкости, расплавы солей и креогенные среды.

Критическая скорость закалки. Если на диаграмму изотермического распада аустенита нанести температурные кривые, полученные при непрерывном охлаждении стали (рисунок 9), то можно определить критическую скорость закалки и объяснить условия получения троостомартенситной структуры стали.

Рисунок 9 – Наложение кривых непрерывного охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита

ля упрощения температурные кривые изображаются прямыми линиями V₁, V₂, V₃, V₄, V₅ и V_кр, наклон которых характеризует скорость охлаждения в °С/с. При скорости охлаждения, соответствующей V₁, аустенит превратится в перлит, при V₂ — в сорбит, при V₃ — в троостит. В углеродистых сталях бейнит образуется лишь при изотермическом превращении аустенита. При скорости охлаждения, соответствующей V₄, произойдет лишь частичный распад аустенита с образованием троостита; нераспавшаяся часть аустенита претерпит бездиффузионное аустенитно-мартенситное превращение. В результате образуется троосто-мартенситная структура, которая, как правило, является нежелательной. При скорости охлаждения, соответствующей V₅, температурная кривая пересекает линии мартенситных точек М_н и М_к и в стали образуется лишь мартенсит. Такая скорость охлаждения вызывает закалку стали.

Наименьшая скорость охлаждения V_кр, при которой в охлаждаемой стали из аустенита образуется только мартенсит, называется критической скоростью закалки. Чтобы закалить сталь, ее необходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая.

Таким образом, на получение заданной структуры и необходимых механических свойств решающее влияние при термической обработке оказывает скорость охлаждения стали (таблица 2).

Таблица 2 Изменение структуры и твердости углеродистой стали эвтектоидного состава в зависимости от скорости охлаждения

Скорость охлаждения, С/с

Температура превращения, С

Твердость НВ (средние данные)

Критическая скорость охлаждения – важная технологическая характеристика стали, так как по ней ориентируются при выборе охлаждающих сред при закалки на мартенсит. Она зависит от химического состава стали, содержания углерода и легирующих добавок.

Мартенситные превращения стали происходят в интервале температур Мн – Мк, которые зависят от химического состава аустенита, его однородности по составу и размеров зерна.

С увеличением содержание углерода в аустените температурный интервал мартенситных превращений смещается в сторону более низких температур (рис. 5, лабораторная работа № 8).

Высокая скорость роста мартенситных кристаллов (более 1000 м/с) способствует повышению его твердости и снижению пластичности.

Мартенсит имеет игольчатую микроструктуру. В нем образуются трехцентовые ковалентные связи Fe – C – Fe , которая почти на порядок сильнее механических и являются очень жесткими связями, допускающими небольшие упругие деформации.

Сочетание в мартенсите металлических и ковалентных межатомных связей в кристаллической решетки с высоким уровнем остаточных напряжений и большой плотности дислокаций ( до 10 13 см -2 ) предопределяют его высокую прочность и хрупкость.

Скорость охлаждения стали в различных закалачных сталей приведены в таблице 3.

Таблица 3 Скорость охлаждения стали в различных закалочных средах

Скорость охлаждения ( 0 С/с) в интервале температур

Вода при температуре, 0 С:

Эмульсия масла в воде

Вода, насыщенная углекислотой

10%-ный водный раствор (при 18 0 С):

5%-ный раствор марганцовокислого калия

Как видно из приведенных данных, в интервале температур 650-550 0 С холодная вода охлаждает быстрее, чем масло в 4 раза. Поэтому воду применяют для охлаждения главным образом углеродистых сталей, имеющих большую критическую скорость закалки, а масло—для охлаждения легированных сталей, имеющих малую критическую скорость закалки. охлаждающая способность воды зависит от ее температуры, поэтому закалку изделий из углеродистой стали производят в холодной воде с циркуляцией, чтобы получить мартенситную структуру.

Масло имеет незначительную охлаждающую способность при температурах 650-550 0 С, что может привести к частичному распаду аустенита с образованием феррито-цементитной смеси.

В интервале температур образования мартенсита, т.е. при 300-200 0 С, охлаждающая способность воды остается значительной, что приводит к образованию внутренних напряжений и, как результат, закалочных трещин. Масло же в 9 раз медленнее охлаждает в этом интервале температур, чем практически исключается возможность образования трещин.

В зависимости от сечения детали и критической скорости закалки структура от края к сердцевине меняется. Поверхностные слои, охлаждающиеся наиболее быстро, обычно имеют мартенситную структуру. Внутренние слои, где скорость охлаждения меньше критической, имеют другие структуры—троостит, сорбит и исходную структуру.

Перлит, сорбит и троостит, образующийся при диффузионном распаде переохлажденного аустенита, являются ферритно-цементитными структурами, имеющими пластинчатое строение, и различающиеся лишь степенью дисперсности (рисунок 10).

Рисунок 10 Микроструктура эвтектоидной стали в зависимости от температуры распада аустенита. а) – троостит, распад при 600 С, х15000; б) – перлит, распад при 700 С, х7500; в) – сорбит, распад при 650 С, х7500

Чем больше переохлаждение, тем тоньше получается ферритно-цементитная структура, т. е. меньше величина межпластинчатого расстояния ₀, равного усредненной сумме толщин двух пластинок феррита и цементита, и выше твердость. Так у перлита ₀ = 0,6-1,0 мкм при твердость НВ = 180-250 кгс/мм 2 , у сорбита ₀ = 0,25-0,3 мкм при твердость НВ = 250-350 кгс/мм 2 , у троостита ₀ = 0,1-0,15 мкм при твердость НВ = 350-450 кгс/мм 2 .

В практике термической обработки применяется ряд методов предотвращения нежелательного роста напряжений, возникающих в процессе закалки, и получения требуемых механических свойств стали.

Прерывистую закалку в двух средах используют при термической обработке изделий из инструментальных высокоуглеродистых сталей. При этом обеспечивается их быстрое охлаждение на первой стадии и медленное на второй, что позволяет вести процесс практически в соответствии с графиком идеального охлаждения и уменьшить напряжения при мартенситном превращении. Первую стадию охлаждения осуществляют обычно в воде, затем изделие переносят в масло.

Ступенчатую закалку используют для инструментальных низко- и среднелегированных сталей. При этом изделие вначале охлаждают с выдержкой в жидкой среде, имеющей температуру выше начала мартенситного превращения, а затем окончательно охлаждают на воздухе. Температура изделия при таком способе выравнивается во время выдержки по всему объему. При ступенчатой закалке иногда используют эффект сверхпластичности стали в момент мартенситного превращения и охлаждают изделие после выдержки в специальных приспособлениях для правки.

Изотермическую закалку применяют для конструкционных легированных сталей, содержащих 0,3-0,5% углерода. Изотермическая выдержка при температуре бейнитного превращения приводит к получению структуры бейнита со значительным содержанием остаточного аустенита, распад которого у легированных сталей обычно в зоне бейнитного превращения идет не до конца. Сочетание бейнита с остаточным аустенитом обеспечивает повышенную вязкость стали при достаточно высокой твердости.

Рисунок 11 – Зависимость твердости стали от содержания углерода в отожженном и закаленном состоянии—после неполной и полной закалки:1-отожженное состояние; 2-после неполной закалки; 3- после полной закалки.

В практике используют также приемы закалки с самоотпуском, при которой охлаждают в закалочной среде только часть изделия, а теплота, сохранившаяся в остальной части детали после извлечения из среды, вызывает отпуск охлажденной части. Такая закалка обеспечивает необходимое в некоторых изделиях неравномерное распределение твердости. Неравномерная закалка также достигается при обрызгивании части изделия закалочной средой (струйчатая закалка).

Для некоторых сталей, используемых для изготовления мерительного инструмента, пружин, деталей подшипников качения, закалка дополняют немедленной обработкой холодом, которую применяют для полного перевода в мартенсит остаточного аустенита. При этом обеспечивается последующая стабилизация размеров изделий. Температурный диапазон обработки холодом 30-196 0 С. Ее завершают низким отпуском для снятия напряжений.

Закалкой стали называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве её по крайней мере выше критической точки Ac1(T.e. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного), выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твёрдости и прочности.

В большинстве случаев основная цель закалки - повышение твёрдости и прочности - достигается превращением аустенита в одну из самых прочных структур - мартенсит. Его образование требует быстрого охлаждения с температуры закалки.

В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной и неполной.

В случае, если нагрев производится выше линии GSE диаграммы (точки асз и Аcm), то полученная при этом однофазная структура аустенита при охлаждении со скоростью больше некоторой критической превращается в чистый мартенсит. Такую закалку называют полной.

При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных - аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит.

Твёрдость мартенсита, представляющего собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе, зависит от содержания в нём углерода (рис 1). В среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях она составляет 55…65 НRС или 550…680НВ.

Феррит одна из самых мягких и малопрочных фаз в сталях. Его твёрдость не превышает 80. 100 НВ. Цементит же - весьма твёрдая фаза (около 1000 HV или более 700 НВ). Следовательно присутствие избыточного феррита в структуре закалённой стали резко снижает её твёрдость, в то время как цементит способствует получению более высокой твёрдости.

Рис. 1 Зависимость твёрдости мартенсита от содержания углерода в стали.

Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно производить полную закалку на чистый мартенсит, а для заэвтектоидных - неполную, которая кроме мартенсита сохраняет в структуре некоторое количество цементита. Для эвтектоидной стали возможна только полная закалка.

Следует иметь в виду, что нагрев стали при закалке до температур, значительно превышающих критические точки Ac3 и Аcm, вообще не желателен, так как может привести к сильному обезуглероживанию и окислению поверхности деталей, укрупнению зерна аустенита и увеличению внутренних напряжений. В итоге после закалки с таких температур твёрдость поверхности оказывается заниженной, наблюдается повышенная деформация детали, получающийся мартенсит имеет грубое строение и обладает повышенной хрупкостью.

Всё это позволяет придти к выводу, что в зависимости от состава стали её нагрев под закалку целесообразно осуществлять до температур, лежащих на 30. 50 0С выше линии GSK (рис 2)

Рис. 2. Оптимальный интервал температур нагрева под закажу углеродистых сталей.

Структура и свойства закаленной стали в большей степени зависят не только от температуры нагрева, но и от скорости охлаждения. Получение закалочных структур обусловлено переохлаждением аустенита ниже линии PSK, где его состояние является неустойчивым. Увеличивая скорость охлаждения, можно обеспечивать его переохлаждение до весьма низких температур и превратить в различные структуры с разными свойствами. Превращение переохлажденного аустенита может идти как при непрерывном охлаждении, так и изотермически, в процессе выдержки при температурах ниже точки Ar1 (т.е. ниже линии PSK).

Рис.3 Диаграмма распада аустенита для стали эвтектоидного состава.

Превращение переохлажденного аустенита при температурах от Ar1 до 550 0С называют перлитным. Если аустенит переохлажден до температур 550. Mн, - его превращение называется промежуточным.

В результате перлитного превращения образуются пластинчатые структуры перлитного типа, представляющие собой феррито-цементитные смеси различной дисперсности. С увеличением степени переохлаждения в соответствии с общими законами кристаллизации возрастает число центров. Уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси. Так если превращение происходит при температурах, лежащих в интервале Ar1. 650°C, образуется грубая феррито-цементитная смесь, которую называют собственно перлитом. Структура перлита является стабильной, т.е. неизменяемой с течением времени при комнатной температуре.

Все остальные структуры, образующиеся при более низких температурах, т.е. при переохлаждениях аустенита, относятся к метастабильным. Так при переохлаждении аустенита до температур 650. 590°С он превращается в мелкую феррито-цементитную смесь, называемую сорбитом.

При ещё более низких температурах 590. 550 °С образуется тростит -весьма дисперсная феррито-цементитная смесь. Указанные деления перлитных структур в известной степени условно, так как дисперсность смесей монотонно возрастает с понижением температуры превращения. Одновременно с этим возрастают твёрдость и прочность сталей. Так твёрдость перлита в эвтектовдной стали составляет 180. 22- НВ (8. 19 HRC), сорбита - 250. 350 НВ (25. 38 НRС), тростита - 400. 450 НВ (43. 48HRC).

При переохлаждении аустенита до температур 550. МН он распадается с образованием бейнита. Это превращение называется промежуточным, так как в отличие от перлитного оно частично идет по так называемому мартенситному механизму, приводя к образованию смеси цементита и несколько пересыщенного углеродом феррита. Бейнитная структура отличается высокой твёрдостью 450. 550 НВ.

Рис.4 Диаграмма распада аустенита для доэвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) сталей.

На диаграммах распада аустенита для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей (рис.4.) имеется дополнительная линия, показывающая время начала выделения из аустенита избыточных кристаллов феррита или цементита. Выделение этих избыточных структур происходит только при небольших переохлаждениях. При значительном переохлаждении аустенит превращается без предварительного выделения феррита или цементита, В этом случае содержание углерода в образовавшейся смеси отличается от эвтектоидного.

В случае непрерывного охлаждения аустенита с различной скоростью его превращение развивается не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Для того, чтобы определить структуры, получающиеся при непрерывном охлаждении, нанесём на диаграмму распада аустенита кривые скорости охлаждения образцов углеродистой эвтектоидной стали (рис.5.).

Из этой диаграммы видно, что при очень малой скорости охлаждения V1 которая обеспечивается охлаждением вместе с печью (например, при отжиге), получается структура перлита. При скорости V2 (на воздухе) превращение идёт при несколько более низких температурах. Образуется структура перлит, но более дисперсный. Такая обработка называется нормализацией и широко применяется для малоуглеродистых сталей (иногда и для среднеуглеродистых) взамен отжига в качестве смягчающей.

Рис.5. Кривые распада аустенита при непрерывном охлаждении эвтектоидной стали.

При скорости V3 (охлаждение в масле) превращение аустенита идёт при таких температурах, которые обеспечивают получение сорбитной структуры, а иногда и троститной.

Если аустенит охлаждать с очень большой скоростью (V4), то он переохлаждается до весьма низкой температуры, обозначенной на диаграммах, как Мн. Ниже этой температуры происходит бездиффузионное мартенситное превращение, приводящее к образованию структуры мартенсита. Для углеродистых сталей такую скорость охлаждения обеспечивает, например, вода

В общем случае минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. На рис.5, она обозначена, как Vкр и является касательной к С-кривой. Критическая скорость закалки - важнейшая технологическая характеристика стали. Она определяет выбор охлаждающих сред для получения мартенситной структуры.

Величина критической скорости закалки зависит от химического состава стали и некоторых других факторов. Так, например, у некоторых легированных сталей даже охлаждение на воздухе обеспечивает скорость больше критической.

При закалке на мартенсит необходимо учитывать, что эта структура имеет большой удельный объём и её образование сопровождается как заметным увеличением объёма закаливаемого изделия, так и резким увеличением внутренних напряжений, которые в свою очередь приводят к деформации или даже к образованию трещин. Всё это в сочетании с повышенной хрупкостью мартенсита требует проведения дополнительной термической обработки закалённых деталей - операции отпуска.

Если скорость охлаждения стали немного меньше критической, то образуется уже смешанная структура из мартенсита и очень мелкодисперсного перлита, который носит название т р о-остита. Он образуется благодаря тому, что часть углерода все же успеет выйти из раствора в виде мельчайших частичек цементита. Этот цементит вместе с ферритом и образует структуру троостита. [18]

Регулируя скорость охлаждения стали из аустенитного состояния, можно получать различные структуры: мартенсит, троостит, сорбит, перлит. [19]

Увеличение скорости охлаждения стали , что будет соответствовать увеличению степени переохлаждения аустенита относительно линии PSK, приводит к образованию структуры мелкодисперсного перлита, называемого сорбитом закалки. [20]

Влияние скорости охлаждения стали на ее структуру наглядно иллюстрируется совмещением С-образной диаграммы изотермического превращения аустенита и кривой охлаждения стали ( фиг. [21]

Данные о скорости охлаждения стали в различных закалочных средах при температурах 550 - 650 и 200 - 300 С приведены в табл. 9.5. Из этих данных следует, что вода и растворы солей в воде при температурах 550 - 650 С обладают большой закаливающей способностью. [22]

С увеличением скорости охлаждения стали температура аустенит-но-перлитного превращения понижается тем больше, чем выше скорость охлаждения. При этом образуются продукты распада аустенита, по природе и свойствам отличные от продуктов, возникающих при медленном охлаждении. [23]

Последняя определяется скоростью охлаждения стали в процессе термообработки. Кроме того, на свойства стали оказывают влияние: величина зерна, наличие внутренних напряжений, примеси и включения. [24]

В зависимости от скорости охлаждения стали , нагретой до состояния аустенита, получают ту или иную структуру распада аустенита и соответствующие свойства. [26]

В зависимости от скорости охлаждения стали получается различная структура стали. Поэтому при закалке применяют специальные среды, которые позволяют регулировать скорость охлаждения стали после нагревания ее до необходимой температуры. [27]

В зависимости от скорости охлаждения стали , нагретой до состояния аустенита, получают ту или иную структуру распада аустенита и соответствующие свойства. [29]

В табл. 2 приведены скорости охлаждения стали в различных охладителях. [30]

Читайте также: