Содержание
Как при закалке изменяются свойства низкоуглеродистых сталей
Закалка углеродистых сталей
Закалка – это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, при котором образуется неравновесная структура. Существует закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением.
Закалка с полиморфным превращением – это термическая обработка металлов и сплавов, при которой происходит мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Эта закалка применима к тем металлам и сплавам, в которых при охлаждении перестраивается кристаллическая решетка.
Если взять эвтектоидную сталь (0,8 % углерода) с перлитной мягкой структурой и нагреть ее выше точки А1, то перлит превратится в аустенит. При этом в аустените будет растворено все количество углерода, которое имеется в стали, т. е. 0,8 %. Быстрое охлаждение в воде (600 °С/сек) препятствует диффузии углерода из аустенита. Кристаллическая решетка аустенита изменится при охлаждении, т. е. гранецентрированная кубическая решетка аустенита перестраивается в объемноцентрированную, но весь имеющийся в стали углерод останется в новой решетке, и это придаст стали высокую твердость и износостойкость.
Температура закалки для большинства сталей определяется положением критических точек А1 и А3. Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме «Железо – цементит». Закалка от температур, лежащих в пределах между А1 и А3 (неполная закалка), сохраняет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30–50 °С выше А3 (полная закалка). Для заэвтектоидных же сталей закалка от температур выше А1, но ниже Аст дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры А3, наоборот, ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита, росту зерна аустенита, увеличению возможности возникновения больших закалочных напряжений и обезуглероживанию поверхностного слоя.
Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30–50 °С выше А3, а для заэвтектоидных – на 30–50 °С выше А1.
Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является та среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита и замедленно в интервале температур мартенситного превращения для обеспечения равномерности этого превращения во всех зонах детали и снижения опасности образования трещин. Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей, щелочей, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают три периода:
· пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка», которая равномерно и сплошь окружает изделие; пар отнимает тепло не интенсивно, и скорость охлаждения в этот период сравнительно невелика;
· пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки. В этот период происходит быстрый отвод тепла, так как на образование пузырьков пара расходуется большое количество тепла, и температура металла быстро снижается;
· конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости. Теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью, которая определяется физическими свойствами жидкости (теплоемкостью, вязкостью и теплопроводностью), разностью температур и скоростью циркуляции.
Закалочная жидкость охлаждает тем интенсивнее, чем шире интервал стадии пузырчатого кипения, т. е. чем выше температура перехода от первой стадии охлаждения ко второй и чем ниже температура перехода от второй стадии к третьей.
В практике термической обработки сталей нашли широкое применение различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (рис. 8.1).
Непрерывная закалка (1) – наиболее простой способ закалки. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Способ применяют при закалке несложных изделий из углеродистых и легированных сталей. Закалочной средой для углеродистых сталей диаметром более 5 мм служит вода, менее 5 мм и легированных – масло.
Закалка в двух средах (2) осуществляется в разных температурных интервалах с разной скоростью охлаждения. Вначале деталь охлаждают в интервале температур 750–400 °С в воде, затем переносят в другую охлаждающую среду – масло. Замедленное охлаждение в масле, где происходит мартенситное превращение, приводит к уменьшению возникающих при закалке внутренних напряжений и опасности появления трещин.Применяется этот способ при закалке инструмента из высокоуглеродистой стали.
Рис. 8.1. Способы охлаждения при закалке сталей: 1 – непрерывная закалка; 2 – закалка в двух средах; 3 – ступенчатая закалка; 4 – изотермическая закалка; 5 – обработка холодом
При ступенчатой закалке (3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем мартенситная точка данной стали. Охлаждение и выдержка в этой среде обеспечивает равномерное распределение температуры закалочной ванны по всему сечению детали. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит превращение аустенита в мартенсит. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями, однако его применение целесообразно для изделий небольшого размера из углеродистых и низколегированных сталей, закаливающихся в воде.
Изотермическая закалка (4) позволяет получать наиболее хорошее сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке нагретую деталь переносят в ванну с расплавленными солями, имеющую температуру на 50–100 °С выше мартенситной точки МH, выдерживают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и затем охлаждают на воздухе. Во всех предыдущих случаях при закалке происходит образование мартенситной структуры.
При изотермической закалке в детали возникают минимальные напряжения, исключается образование трещин и уменьшается деформация.
Обработка холодом (5) применяется для легированных сталей, у которых температура окончания мартенситного превращения МК значительно ниже 0 °С. Если закаливать эти стали обычным способом, то, наряду с мартенситом, в структуре оказывается значительное количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит понижает твердость закаленной стали и может вызвать нестабильность размеров готовых деталей, т. к. в процессе их работы может происходить превращение остаточного аустенита в мартенсит.
Для стабилизации размеров закаленных изделий и повышения их твердости проводится охлаждение до температуры МК, в процессе которого аустенит превращается в мартенсит. Температура МК легированных сталей находится в широких пределах: от – 40 до –196 °С.
Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементованные детали, измерительные инструменты, подшипники и другие особо точные изделия.
Закалка без полиморфного превращения – это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре. Такая термическая обработка применима к сплавам, у которых одна фаза полностью или частично растворяется в другой.
Рис. 8.2. Диаграмма состояния сплава с переменной растворимостью компонента В в А
Например, в сплаве I (рис. 8.2) при нагреве до температуры t2 β-фаза растворяется в α-фазе. При обратном медленном охлаждении β-фаза выделяется из α-фазы, в которой концентрация компонента В уменьшается в соответствии с линией предельной растворимости аb. Т. к. составы α- и β-фаз различны, то выделение β-фазы связано с диффузионным перераспределением компонентов. При достаточном быстром охлаждении диффузионное перераспределение, необходимое для зарождения и роста кристаллов β-фазы, не успевает пройти и эта фаза не выделяется. После такой обработки (закалки) сплав состоит из одного пересыщенного α-твердого раствора.
Закалка без полиморфного превращения широко применяется к алюминиевым, магниевым, никелевым, медным и другим сплавам.
Закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки.
Необходимым условием закаливаемости стали является переохлаждение ее до температуры ниже точки МН. Минимальная скорость охлаждения аустенита, при которой отсутствует диффузия углерода и происходит превращение в мартенсит, называется критической скоростью охлаждения. Эту скорость можно определить на С-образной диаграмме (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Определение скорости охлаждения при закалке
При закалке скорость охлаждения должна быть больше критической (V1). Для обычных углеродистых сталей значение критической скорости охлаждения составляет около 150 °С/сек, поэтому на практике необходимо охлаждать сталь при закалке очень быстро, чтобы предупредить распад аустенита на феррито-цементитную смесь.
Рис. 8.4. Распределение структуры по глубине цилиндрического образца
Скорость охлаждения на поверхности изделия может быть больше критической, а в центре меньше. В этом случае аустенит в поверхностных слоях превратится в мартенсит, а в центре изделия испытывает перлитное превращение, т. е. деталь не прокалится насквозь. Прокаливаемость – одна из важнейших характеристик стали.
Прокаливаемостью называют способность стали получать закаленный слой на ту или иную глубину с мартенситной или троосто-мартенситной структурой.
Для характеристики прокаливаемости стали часто используют в качестве параметра критический диаметр. Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического образца, который прокаливается насквозь в данной охлаждающей среде.
Критический диаметр увеличивается и, соответственно, повышается прокаливаемость стали при увеличении охлаждающей способности закалочной среды и при введении в сталь легирующих элементов. Например, углеродистая сталь имеет критический диаметр 8–10 мм. Это значит, что при закалке более крупных изделий из данной стали сердцевина не будет закаленной (рис. 8.4).
Дата добавления: 2015-04-25 ; просмотров: 3115 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
Глава 5 СВАРКА НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ
Сталь — это железный сплав, содержащий до 2 % С. В углеродистых кон-струкционных сталях, широко используемых в машиностроении, судостроении т.д., содержание углерода обычно оставляет 0,06 . 0,9 %. Углерод является ос-новным легирующим элементом и определяет механические свойства этой гру-ппы сталей. Повышение его содержания в стали усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получения равнопрочного сварного соединения без дефектов.
По степени раскисления сталь изготовляют кипящей, спокойной и полу-спокойной (соответствующие индексы «кп», м сп м и «пс»). Кипящую сталь, соде-ржащую не более 0,07 % Si, получают при неполном раскислении металла. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения серы и фосфора по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и около-шовной зоне.
Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хру-пкое состояние при отрицательных температурах. В спокойной стали, содержа-щей не менее 0,12 % Si, распределение серы и фосфора более равномерно. Эти стали менее склонны к старению. Полуспокойная сталь занимает промежуточ-ное положение между кипящей и спокойной сталью.
Стали с содержанием до 0,25 % С относятся к низкоуглеродистым, с со-держанием 0,26 . 0,45% к среднеуглеродистым, к высокоуглеродистым отно-сятся, стали, содержащие 0,45 . 0,75 % С. Они отличаются плохой сваривае-мостью и их не применяют для изготовления сварных конструкций. Темпера-турная область применения углеродистых сталей от -40 до +425 °С, низколе-гированных от -70 до +475 °С. По качественному признаку низкоуглеродистые стали разделяют на две группы: обыкновенного качества и качественные.
Изготовленные из нее конструкции обычно также не подвергают последу-ющей термообработке. Эта сталь поставляется по ГОСТ 380-94 на сталь углеро-дистую обыкновенного качества, ГОСТ 5520-79 (в ред. 1990 г.) на сталь для кот-лостроения, ГОСТ 5521-86 на сталь для судостроения и т.д. (табл. 6.1).
Сталь обычного качества поставляется без термической обработки в гаряче-катаном состоянии и делится на три группы: А, Б, В.
А — поставляется по механическим свойствам, для производства сварных конструкций не применяется, имеет три категории показателей механических их свойств.
Б — поставляется по химическому составу и имеет две категории. В первой нормируется содержание С, Mn, Sі, P, S, N2; во второй — дополнительно норми-руется содержание Cr, Nі и Cu. Стали этой группы имеют ограниченное приме-нение при изготовлении сварных конструкций.
В — поставляется по химическому составу и механическим свойствам. Имеет 6 категорий. Наибольшее применение ВСт. 2, ВСт. 3 всех степеней раскисления:
4 — σв, δ, σт, αизг и ан при t = — 20 о С; 5 – 6 – дополнительно после старения
6.1. Химический состав некоторых углеродистых конструкционных сталей,%
— швы стойкие против образования криталлизационных трещин из — за низкого содержания углерода;
— пластическая деформация в металле шва при сварке под действием сварочных напряжений также повышается σт.
Низкоуглеродистые и низкоуглеродистые низколегированные стали обла-дают хорошей свариваемостью. Важное требование при сварке рассматривае-мых сталей — обеспечение равнопрочности сварного соединения с основным ме-таллом и отсутствие дефектов в сварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела соответствующих свойств основного металла.
При сварке низкоуглеродистых и низкоуглеродистых низколегированных сталей при применении соответствующих сварочных материалов металл шва легирован кремнием и марганцем больше, чем основной металл. Поэтому его механические свойства в большинстве случаев выше, чем у основного металла. В этом случае основное требование при сварке -получение сварного шва с не-обходимыми геометрическими размерами и без дефектов.
В некоторых случаях конкретные условия работы конструкций допуска-ют снижение отдельных показателей механических свойств сварного соедине-ния. Однако во всех случаях, особенно при сварке ответственных конструкций, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор, подрезов.
Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуе-мым. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояния. Иногда к сварному соединению предъявляют дополнительные тре-бования (работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках, пони-женных температурах и т.д.). Технология должна обеспечивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надеж-ности конструкции.
Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки, предыдущей и последующей термообработкой. Химический состав металла шва при сварке рассматриваемых сталей незначительно отличается от состава основного металла (табл. 6.6). Это различие сводится к снижению содержания в металле шва углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможное снижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания в нем углерода, компенсируется легированием металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем, кремнием, а при сварке низколегированных сталей — также и за счет перехода этих элементов из основного металла.
Таким образом, химический состав металла шва зависит от доли участия основного и дополнительного металлов в образовании металла шва и взаимо-действий между металлом, шлаком и газовой фазой. Повышенные скорости ох-лаждения металла шва также способствуют повышению его прочности (рис. 6.4), однако при этом снижаются его пластические свойства и ударная вязкость. Это объясняется изменением количества и строения перлитной фазы.
Рис. 6.4. Зависимость между скоростью охлаждения и механическими свойствами металла шва придуговой сварке низкоуглеродистых сталей
Критическая температура перехода металла однослойного шва в хрупкое состояние практически не зависит от скорости охлаждения. Скорость охлажде-ния металла шва определяется толщиной свариваемого металла, конструкцией сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой изделия.
Влияние скорости охлаждения в наибольшей степени проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов и последнего слоя многослойных угловых и стыковых швов при наложении их на холодные, предварительно сва-ренные швы. Металл многослойных швов, кроме последних слоев, подвергаю-щийся действию повторного термического цикла сварки, имеет более благоп-риятную мелкозернистую структуру. Поэтому он обладает более низкой крити-ческой температурой перехода в хрупкое состояние. Пластическая дефор-ма-ция, возникающая в металле шва под воздействием сварочных напряжений, также повышает предел текучести металла шва.
Обеспечение равнопрочности металла шва при дуговых способах сварки низкоуглеродистьх инизколегированных нетермоупрочненных сталей обычно не вызывает затруднений. Механические свойства металла околошовной зоны зависят от конкретных условий сварки и от вида термообработки стали перед сваркой.
При сварке низкоуглеродисгых горячекатаных (в состоянии поставки) сталей при толщине металла до 15 мм на обычных режимах, обеспечивающих небольшие скорости охлаждения, структуры металла шва и околошовной зоны примерно такие, как было рассмотрено выше.
Повышение скоростей охлаждения при сварке на форсированных режи-мах металла повышенной толщины, однопроходных угловых швов, при отри-цательных температурах и т.д. может привести к появлению в металле шва и околошовной зоны закалочных структур на участках перегрева и полной и не-полной рекристаллизации.
Как видно из данных табл. 6.7 и рис. 6.5 скорость охлаждения для низко-углеродистых сталей оказывает большое влияние на их механические свойства. При повышении содержания марганца это влияние усиливается. Поэтому даже при сварке горячекатаной низкоуглеродистой стали марки Ст3кп при указан-ных выше условиях не исключена возможность получения в сварном соедине-нии закалочных структур. Если сталь перед сваркой прошла термическое уп-рочнение — закалку, то в зоне термического влияния шва на участках рекрис-таллизации и старения будет наблюдаться отпуск металла, т.е. снижение его прочностных свойств. Уровень изменения этих свойств зависит от погонной энергии, типа сварного соединения и условий сварки.
При сварке низколегированных сталей изменение свойств металла шва и околошовной зоны проявляется более значительно. Сварка горячекатаной стали способствует появлению закалочных структур на участках перефева и нормализации (см. рис. 6.2). Уровень изменения механических свойств металла больше, чем при сварке низкоуглеродистых сталей. Термообработка низколегированных сталей, наиболее часто — закалка (термоупрочнение) с целью повышения их прочностных показателей при сохранении высокой пластичности (см. табл. 6.7) усложняет технологию сварки. На участках рек-ристаллизации и старения происходит разупрочнение стали под действием высокого отпуска с образованием структур преимущественно троостита или сорбита отпуска.
В процессе изготовления конструкций из низкоуглеродистых и низко-легированных сталей на заготовительных операциях и при сварке в зонах, уда-ленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. Попадая при наложении последующих швов под сварочный наг-рев до температур около 300 °С, эти зоны становятся участками деформацион-ного старения, приводящего к снижению пластических и повышению прочнос-тных свойств металла и возможному возникновению трещин, особенно при низких температурах или в концентраторах напряжений.
Высокий отпуск при температурах 600 . 650°С в этих случаях служит эффективным средством восстановления свойств металла (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Свойства стали СтЗкп в зависимости от термообработки и деформационного старения:
1 — исходное горячекатаное состояние; 2 — после 10 %-ной деформации растяжением при 250 °С; 3 — то же и последующего отпуска при 650 °С
Высокий отпуск применяют и для снятия сварочных напряжений. Нормализации подвергают сварные конструкции для улучшения структуры отдель-ных участков сварного соединения и выравнивания их свойств. Термообработ-ка, кроме закалки сварных соединений, в которых шов и околошовная зона ох-лаждались с повышенными скоростями, приведшими к образованию на неко-торых участках неравновесных структур закалочного характера (угловые одно-слойные швы, последние проходы, выполненные на полностью остывших предыдущих), приводит к снижению прочностных и повышению пластических свойств металла в этих участках (табл. 6.7 и 6.9).
Примечание. Состав металла шва: при сварке под флюсом 0,12 % С; 0,75 % Мп; 0,22 % Si; при электрошлаковой сварке 0,14 % С; 0,80 % Мп; 0,07 % Si.
При сварке короткими участками по горячим предварительно наложен-ным швам замедленная скорость охлаждения металла шва и околошовной зоны способствует получению равновесных структур. Влияние термообработки в этом случае сказывается незначительно. При электрошлаковой сварке, когда скорость остывания металла шва околошовной зоны сопоставима со скорос-тями охлаждения при термообработке, последующая термообработка мало из-меняет механические свойства металла рассматриваемых зон. Однако норма-лизация приводит к резкому возрастанию ударной вязкости.
Швы, сваренные на низкоуглеродистых сталях всеми способами сварки, обладают удовлетворительной стойкостью против образования кристаллиза-ционных трещин. Это обусловлено низким содержанием в них углерода. Од-нако для низкоуглеродистых сталей, содержащих углерод по верхнему пределу (свыше 0,20 %), при сварке угловых швов и первого корневого шва в многос-лойных швах, особенно с повышенным зазором, возможно образование крис-таллизационных трещин, что связано в основном с неблагоприятной формой провара (узкая глубокая форма провара с коэффициентом формы 0,8 . 1,2). Легирующие добавки в низколегированных сталях могут повышать вероят-ность образования кристаллизационных трещин.
Низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо свариваются практически всеми способами сварки плавлением.
Сварку среднеуглеродистых сталей следует выполнять так, чтобы снизить содержание углерода в металле шва, что достигается применением присадоч-ной проволоки с низким содержанием углерода и уменьшением доли основного металла в шве. Следует также обеспечить получение шва с большим коэффи-циентом формы, выбирать режимы сварки и число слоев с учетом получения минимальной зоны термического влияния, предупреждения роста зерна в зоне перегрева и по возможности отсутствия хрупких закалочных структур. Послед-нее может быть обеспечено предварительным подогревом до 250 . 300 °С. Многослойная сварка, а также двухдуговая сварка в раздельные сварочные ван-ны (рис. 3.27, б) способствуют получению качественных сварных соединений.
Высокоуглеродистые стали обладают плохой свариваемостью и их прак-тически не применяют для изготовления сварных конструкций. Необходимость сварки подобных сталей возникает при ремонтных работах. Она выполняется при предварительном подогреве до температур 450 . 600 °С покрытыми элек-тродами или полуавтоматами.
Термическая обработка углеродистых сталей: отжиг, нормализация, закалка
1. Изучить влияние нагрева и охлаждения на превращение аустенита углеродистой стали;
2. Ознакомится с основными видами термической обработки стали;
3. Освоить технологию проведения основных видов термической обработки стали;
4. Освоить метод контроля качества стали после термической обработки;
5. Получить навыки самостоятельной работы в исследованиях по влиянию технологических факторов термообработки на структуру и свойства стали.
Оборудование, приборы, инструменты
Оборудование для проведения различных видов термической обработки стали включает: электрическую камерную печь периодического действия с электромеханической системой регулирования температуры; передвижные закалочные сдвоенные баки с водой и маслом; клещи, защитные очки.
Для очистки от окалины и выравнивания поверхности образцов применяется наждачный круг.
Для оценки свойств стали и качества термообработки производится измерение твердости по методу Бринеля на приборе ТШ2 и по методу Роквелла на приборе ТК2.
Методика проведения работы
1. Провести термообработку углеродистых сталей указанными методами;
2. Стандартными методами определить твердость термообработанных сталей;
3. Результаты измерений и расчетов занести в протокол;
4. По данным измерений построить графики зависимости твердости сталей от содержания углерода в этих материалах и скорости охлаждения для рассматриваемых видов термообработки;
5. На основании полученных результатов провести сравнительный анализ изменения структуры и свойств углеродистых сталей при различных видах термообработки.
Термическая обработка стали представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности с целью изменения внутреннего строения стали для улучшения технологических свойств заготовок и обеспечение необходимых эксплуатационных свойств материала в готовых изделиях.
Последовательность изменений, происходящих в структуре стали при нагреве и охлаждении, обусловлена превращениями аустенита в равновесном состоянии и при непрерывном охлаждении с различными скоростями.
При температуре 727°С происходит распад аустенита с образованием перлита.
Перлитное превращение, связанное с диффузионными перераспределениями углерода, в реальных условиях происходит ниже температуры 727°С медленном охлаждении — вектор скорости V1. Рис. 1.
С возрастанием скорости охлаждения (V3 > V2 > V1) снижается температура распада аустенита, что приводит к измельчению пластинок ферритно-цементитной смеси.
В результате, как в условиях изотермического превращения аустенита, образуются структуры перлита, сорбита, троостита, отличающиеся размерами ферритных и цементитных образований и, следовательно, разными механическими свойствами.
Крупнопластинчатая ферритно-цементитная смесь у перлита предопределяет высшее значение ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения по сравнению с другими структурами, а твердость (HRC 15), предел прочности, предел текучести — самые низкие.
Дисперсной (мелкой) структуре троостита соответствует более высокие показатели твердости (HRC 36) и прочностных свойств; сорбит по показателям тех же механических свойств (HRC 28) занимает промежуточное положение между перлитом и трооститом.
При дальнейшем росте скорости охлаждения (V4) только часть аустенита способна перейти в ферритно-цементитную смесь; оставшийся аустенит претерпевает превращения, которые имеют бездиффузионный характер и сопровождаются образованием новой структуры — мартенсита.
При непрерывном охлаждении с еще большей скоростью (V5 > V4) диффузия углерода полностью исключается и в интервале температур от Мн (начало) до Мк (конец) происходит только мартенситное превращение.
Положение точек Мн и Мк определяется содержанием углерода в исходной структуре: чем больше углерода в аустените, тем ниже температура точек Мн и Мк. Рис. 2.
От содержания углерода в стали зависит степень чистоты мартенситного превращения — количество остаточного аустенита в материале: у высокоуглеродистых сталей количество остаточного аустенита повышенное.
Вектор скорости Vk, касательный к выступу изотермической кривой и характеризующий минимальную скорость непрерывного охлаждения, при которой образуется мартенсит, называется критической скоростью охлаждения (критической скоростью закалки).
При мартенситном бездиффузионном превращении происходит перестройка кубической гранецентрированной решетки аустенита в кубическую объемно-центрированную решетку α — железа при сохранении концентрации углерода исходной структуры.
Решетка α — железа способна разместить ограниченное количество углерода — не более 0,02%. Поэтому избыточное количество углерода исходного аустенита (max — 2,14%) искажает кубическую объемно-центрированную решетку α — железа до тетрагональной объемно-центрированной решетки, у которой периоды между ближайшими атомами железа по вертикали (с) и горизонтали (а) не равны, как у куба. Величина отношения периодов с/а — тетрагональность решетки мартенсита — возрастает с увеличением содержания углерода. Рис. 3.
Таким образом, мартенсит есть пересыщенный твердый раствор углерода в
α — железе с такой же концентрацией, как у исходного аустенита. Мартенсит имеет характерное игольчатое строение с ориентированными по отношению друг к другу кристаллами под углами 60° или 120°; скорость их образования и роста составляет — 5000 м/с.
Из всех возможных структур, получаемых при непрерывном охлаждении аустенита, мартенсит обладает максимальными значениями твердости (HRC 60), предела текучести, предела прочности, сопротивления деформации. Однако значение ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения мартенсита — самые минимальные по сравнению с другими структурами.
Высокая твердость мартенсита определяется количеством растворенного углерода: с увеличением концентрации углерода в решетке α — железа значение твердости возрастает.
Таким образом, непрерывное охлаждение аустенита с различным скоростями, обусловливающие два типа основных превращений в стали (диффузионное и бездиффузионное), позволяет при термической обработке получать необходимые структуры, обладающие конкретными механическими свойствами, которые соответствуют определенным качествам материала деталей.
В практике машиностроения для получения в стали различных структур применяют следующие виды термообработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.
Параметрами процесса любого вида термической обработки являются: температура максимального нагрева стали (t max), время выдержки (τв) стали при заданной температуре, скорости нагрева (Vн) и охлаждения (Vохл) стали. Поэтому процесс любого вида термической обработки можно графически изобразить в координатах ‘температура — время’. Рис. 4.
На этом графике можно выделить три участка — время нагрева (τн), время выдержки (τв) и время охлаждения (τохл).
Медленное охлаждение стали при отжиге способствует протеканию равновесных фазовых превращений и образованию основной структуры указанных групп стали — перлита, избыточного феррита и цементита в дополнении к перлиту в доэвтектоидной и заэвтектоидной стали соответственно.
После отжига стали характеризуются высокой пластичностью, но пониженной прочностью и твердостью, что улучшает обработку металлов резанием.
Стали, подвергнутые отжигу после литья, ковки, прокатки, имеют более высокие свойства благодаря измельчению зерна, снятию напряжений и устранению неоднородности структуры.
Для последующей обработки резанием отжиг можно рассматривать как подготовительную операцию, а при исправлении структуры после литья, ковки и прокатки отжиг является окончательной операцией термообработки.
Нормализацией называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали любой группы на 50 — 60° выше Ас3, в выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе.
Фазовая перекристаллизация при нагреве и последующее охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной смеси, увеличивая в материале количество сорбита — основная структура стали любой группы. В доэвтектоидной и заэвтектоидной сталях наряду с сорбитом будут находится соответственно избыточный феррит и цементит.
При образовании в стали сорбита на 10 — 15% возрастает прочность и твердость стали по сравнению с отожженной. Поэтому нормализация широко применяется для улучшения свойств сталей после литья, прокатки и ковки.
Назначение нормализации зависит от состава стали:
1. Для низкоуглеродистых сталей нормализация, имеющая более высокие технико-экономические показатели, заменяет отжиг;
2. Для среднеуглеродистых сталей нормализация заменяет улучшение, совмещенную операцию закалки с последующим высоким отпуском;
3. Для высокоуглеродистых сталей нормализация предотвращает выпадение сетки цементита по границам зерен перлита, наблюдаемое пр отжиге в интервале температур Ас3 — Ас1.
Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали на 30 — 50° выше температуры Ас3 и Ас1 для доэвтектоидной и заэвтектоидной стали соответственно, в выдержке при этих температурах и последующем охлаждении со скоростью, равной или превышающей критическую скорость охлаждения (критическую скорость закалки). В качестве среды, обеспечивающей подобные скорости охлаждения, используют воду, масло, растворы солей и щелочей.
При столь резком охлаждении аустенита происходит мартенситное превращение, при котором доэвтектоидная и эвтектоидная стали будут иметь структуру мартенсита, а заэвтектоидная сталь — мартенсит и избыточный цементит.
Закаленные стали помимо указанных структур будут иметь определенное количество остаточного аустенита, что обусловлено относительной способностью большинства охлаждающих сред ограничивать окончание процесса аустенитно-мартенситного превращения комнатными температурами, в то время, как для полного осуществления этого вида превращения необходимы отрицательные температуры. Присутствие остаточного аустенита в закаленной стали понижает ее твердость, износостойкость. Для уменьшения количества остаточного аустенита применяют обработку стали холодом, что приводит к более полному превращению остаточного аустенита в мартенсит.
Сталь мартенситной структуры имеет максимально возможную твердость, высокую прочность и низкие показатели пластичности, вязкости.
Протокол термической обработки углеродистых сталей
Загрузка...
