Базалеева_Наумова_Металлография_часть 2 (Базалеева Наумова Металлография - часть 2), страница 6

По сравнению с мартенситом закалки мартенсит отпуска обладает меньшейхрупкостью.Таким образом, первое превращение при отпуске закаленнойстали заключается в распаде мартенсита закалки на мартенситотпуска и ε-карбид.Второе превращение при отпуске идет в интервале температур 200…300 °С и заключается в распаде остаточного аустенита.Первоначально из аустенита за счет процессов диффузии выделяются атомы углерода и формируют частицы ε-карбида. Так какпри уменьшении концентрации углерода в γ-твердом растворетемпературы Мн и Мк увеличиваются (см.

рис. 3.4), обедненныйуглеродом остаточный аустенит по сдвиговому механизму переходит в мартенситное состояние, т. е. распад остаточного аустенитапротекает подобно бейнитному превращению. Таким образом,второе превращение при отпуске стали заключается в распадеостаточного аустенита на ε-карбид и мартенсит отпуска.Третье превращение при отпуске, которое протекает в интервале температур 350...400 °С, включает в себя снятие внутреннихнапряжений в мартенсите и карбидное превращение. К концу вто42рого превращения мартенсит содержит еще около 0,15...0,20 %углерода; дальнейшее повышение температуры приводит к завершению процесса выделения углерода из фазы.

На этом же этапеотпуска происходит релаксация макро- и микронапряжений, возникающих при закалке. Таким образом, мартенсит отпуска преобразуется в феррит. Кроме того, так как при закалке в структурепроисходил фазовый наклеп, при нагреве идут процессы возврата,в результате чего сформированный феррит имеет полигонизованную субструктуру.Также в данном температурном интервале происходит нарушение когерентности между решетками мартенсита и ε-карбида, врезультате метастабильный карбид растворяется, и вместо негопоявляются сферические частицы цементита.Структуру, образующуюся при температурах 350...450 °С,называют трооститом отпуска.Четвертым и последним процессом при отпуске стали является коагуляция карбидных частиц и зерен феррита. Структуру,формирующуюся при отпуске 500...600 °С, называют сорбитомотпуска (рис.

3.8), а при температурах, близких к температуреА1, — зернистым перлитом.Троостит и сорбит отпуска, а также зернистый перлит не отличаются по фазовому составу, но они обладают различной дисперс-Рис. 3.8. Структура сорбита отпуска43Рис. 3.9. Влияние температуры отпуска на механические свойства сталиностью зерен феррита и цементита, что приводит к разному уровню механических свойств (рис. 3.9).Следует отметить, что троостит, сорбит и перлит, формирующиеся при охлаждении и при отпуске, имеют принципиально разное строение: при охлаждении возникают пластинчатые структуры, а при отпуске — зернистые.

При одинаковых показателяхпрочности пластичность выше у зернистых структур.Термическая обработка сталейРассмотрим следующие виды термической обработки сталей:• отжиг;• нормализация;• закалка с последующим отпуском.Отжиг — это нагрев сплава выше температуры превращения,выдержка и медленное (с печью) охлаждение. Отжиг проводят длясмягчения стали перед последующей обработкой, например, резанием; для устранения дефектов структуры, возникших при предыдущих обработках; для уменьшения остаточных напряжений.Для доэвтектоидных сплавов отжиг проводят в однофазнойаустенитной области при температуре на 20...40 °С выше А3.

При44медленном охлаждении формируется структура феррита и перлита. Повышение температуры отжига нецелесообразно, так как может привести к росту аустенитного зерна, что в свою очередь приведет к укрупнению перлитных колоний и понижению механических свойств сплава.В заэвтектоидных сталях отжиг из однофазной аустенитной области не применяют, поскольку при такой обработке в интервалетемператур между линиями ES и PS (см.

рис. 1.1) по границамаустенитного зерна выделяется хрупкая цементитная сетка. Поэтому заэвтектоидные стали отжигают при температурах 740...780 °С,т. е. выше температуры А1. При отжиге цементитная сетка разбивается на более мелкие включения, и они сфероидизируются, в результате чего формируется структура зернистого перлита.Нормализация — это нагрев сплава выше температуры превращения, выдержка и охлаждение на воздухе.

Бóльшие по сравнению с отжигом скорости охлаждения при нормализации приводят к частичному подавлению выделения избыточной фазы (феррита в доэвтектоидной и цементита в заэвтектоидной сталях).Кроме того, увеличение переохлаждения аустенита обусловливаетформирование перлита с более тонкими пластинками (сорбита) и сменьшим размером колоний. В результате прочность нормализованной стали выше, чем прочность отожженной.Назначение нормализации практически совпадает с назначением отпуска. Так как нормализация не требует использования печи,то она всегда применяется вместо отжига, если дает приемлемыйрезультат. Реально отжиг может быть заменен нормализациейтолько в низкоуглеродистых сталях, а в заэвтектоидных сталях после нормализации сплав обладает слишком большой твердостью,поэтому нормализация в этих сплавах не может считаться смягчающей обработкой.Сочетание закалки с последующим отпуском позволяет получить оптимальный комплекс механических свойств.

Одним изнаиболее важных параметров закалки является ее температура.Закалка из однофазной аустенитной области носит название полной, а из двухфазной области (см. рис. 3.1) α+γ (для доэвтектоидных сталей) или γ+Fe3C (для заэвтектоидных сталей) — неполной. При выборе температуры закалки руководствуются следующими соображениями. Если доэвтектоидную сталь закаливать45из двухфазной α+γ-области, т. е. А1 < Тзакал < А3, то кроме мартенсита после закалки в структуре будет присутствовать феррит, который существенно понизит прочностные характеристики стали.Структура стали с содержанием углерода 0,4 % после неполнойзакалки представлена на рис.

3.10. Нагрев стали много выше температуры А3 может привести к росту аустенитного зерна, в результате чего сформируется крупноигольчатый мартенсит, обладающий худшими механическими свойствами. Таким образом,оптимальной температурой закалки для доэвтектоидных сталейявляется А3 + 30…50 °С.Рис. 3.10. Мартенсит и феррит в стали с 0,4 % С после неполной закалкиПри закалке заэвтектоидной стали из двухфазной γ+Fe3C-области, т. е. А1 < Тзакал < Аст, кроме мартенсита в структуре появятсясферические включения цементита, повышающие твердость и износостойкость сталей. Структура заэвтектоидной стали после такого вида обработки представлена на рис. 3.11.

Нагрев заэвтектоидных сталей выше Аст вреден, так как твердость при этом не повысится, зато укрупнится аустенитное зерно и вырастут закалочныенапряжения. Кроме того, при увеличении температуры закалки возрастает концентрация углерода в аустените, что приводит к увеличению температур Мн, Мк (см. рис. 3.4) и, следовательно, к росту46Рис. 3.11. Мартенсит со сферическими включениямицементитаколичества остаточного аустенита в закаленном сплаве. Таким образом, для заэвтектоидных сталей оптимальной температурой закалки является А1 + 35…60 °С.Скорость охлаждения в сердцевине материала меньше, чем наего поверхности.

Может оказаться, что при закалке стали на поверхности скорость охлаждения больше критической, и там будетформироваться структура мартенсита, а в сердцевине — меньше, итам будет формироваться перлитная структура. Глубина проникновения мартенситной зоны называется прокаливаемостью.Прокаливаемость является важной практической характеристикой, так как часто для формирования заданной структуры впроцессе термической обработки необходима сквозная закалка.В углеродистых сталях максимальная прокаливаемость составляетоколо 30 мм. Чтобы повысить глубину проникновения мартенситной зоны и прокалить деталь насквозь, нужно либо использоватьохлаждающую среду с более высокой охлаждающей способностью, либо понизить критическую скорость охлаждения(рис.

3.12). Понизить критическую скорость охлаждения можно,добавив в сталь легирующие элементы.Закалочные напряжения складываются из термических и фазовых, или структурных, как их иначе называют, напряжений.47Рис. 3.12. Прокаливаемость сталей с различной критической скоростью охлаждения:а — толщина прокаленного слоя меньше диаметра детали;б — сквозная прокаливаемостьПри резком охлаждении по сечению изделия возникает перепад температуры.

Разная величина термического сжатия наружныхи внутренних слоев материала обусловливает возникновение термических напряжений.Мартенситное превращение в сталях идет с увеличениемудельного объема на несколько процентов. Так как поверхностныеслои достигают температуры начала мартенситного превращенияранее сердцевины изделия, мартенситное превращение и связанноес ним увеличение объема происходит в разных точках сечениянеодновременно, что приводит к возникновению фазовых напряжений.Закалочные напряжения возрастают с увеличением температуры закалки и скорости охлаждения, так как при этом возрастет перепад температуры по сечению изделия.Наиболее опасным в отношении закалочных напряжений является температурный интервал ниже Мн, поскольку дополнительно к48термическим возникают фазовые напряжения, а в структуре появляется хрупкий мартенсит.

В результате в этом температурном интервале могут возникнуть закалочные трещины, и деталь может разрушиться. Выше температуры Мн происходят только термическиенапряжения, а структура состоит из пластичной аустенитной фазы.Отпуск делят на низкий, средний и высокий. После низкого отпуска (120...250 °С) в структуре присутствует мартенсит отпуска иε-карбид.

Такой вид отпуска применяется в инструментальныхсталях после поверхностной закалки для уменьшения закалочныхнапряжений. После низкого отпуска сталь сохраняет очень высокую прочность, обладая низкой пластичностью.Средний отпуск (350...450 °С) приводит к формированиюструктуры троостита отпуска. Это довольно редкая операция, используемая для получения высокой прочности, упругости и умеренной вязкости. Такой комплекс свойств необходим, например,пружинам и рессорам.Высокий отпуск (450...650 °С) — обработка на сорбит отпуска.Такая обработка применяется для конструкционных сталей, получения достаточной прочности с высоким сопротивлением ударнымнагрузкам.

Закалку с последующим высоким отпуском называютулучшением.Порядок выполнения1. Изучить с помощью металлографического микроскопа микроструктуру образцов доэвтектоидной и заэвтектоидной сталейпосле различных видов термической обработки. Результаты металлографического анализа, а именно, структуру сплава с указанием структурных составляющих и увеличения микроскопа, а такжемарки сплавов и их твердость занести в табл. 3.1.Таблица 3.1Структура термообработанных сталей№ образцаМарка стали, % СсплМикроструктура,С.С. и увеличениеФ.С. и состав Схема термичеНВэтих фазской обработки2.