Пояснительная зависка по ГОСТ (1229826), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

D — скорость диффузии; ΔF — разность свободных энергий

Рисунок 2.8 – Скорость распада аустенита в зависимости от степени переохлаждения (температуры);

При переохлаждении аустенита ни­же точки М_н диффузионные процессы Полностью подавляются и образование феррито-цементитной смеси становит­ся невозможным. В этом случае происходит закалка стали которая заклю­чается в бездиффузионном превращении аустенита в мартенсит, представляющем собой пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе. Содержание углерода в мартенсите по этой причине не отличается от его содержания в переохлажденном аустените.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области, или поля превращения: перлитную область, об­ласть промежуточного превращения и мартенситную область (рисунок 2.7).

Перлитное превращение переохлажденного аустенита носит кристал­лизационный характер и по своему механизму является диффузионным: аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распадает­ся с образованием феррита и цементита, то есть смеси фаз, имеющих резко различную концентрацию углерода. Первоначально в аустените появля­ются зародыши цементита, как правило, на границе зерна аустенита. Рост зародыша цементита происходит за счет диффузии углерода из приле­гающих объемов аустенита, вследствие чего рядом с цементитом образу­ется пластинка феррита. Этот процесс приводит к образованию перлитно­го зерна. Чем ниже температура распада аустенита, тем дисперснее обра­зующаяся феррито-цементитная смесь. Инициирующей фазой при обра­зовании перлита может служить цементит.

При малых степенях переохлаждения (700... 650°С) образуется четко дифференцированная феррито-цементитная смесь – перлит. При боль­шей степени переохлаждения (около 600°С) получается более тонкая смесь, которая называется сорбитом. При значительном переохлаждении (до 500... 550°С) образуется более дисперсная смесь, называемая трооститом.

Промежуточное превращение протекает при низких температурах, когда диффузия атомов углерода осуществляется сравнительно легко, а диффу­зия атомов железа сильно замедляется. Поэтому кинетика промежуточного превращения и образующаяся структура имеют особенности диффузионного перлитного и бездиффузионного мартенситного превращения. Механизм промежуточного превращения сводится к следующему. Первоначально внутри аустенита происходит диффузионное перераспределение углерода, что приводит к образованию объемов аустенита, обогащенных и обедненных углеродом. Участки аустенита, обедненные углеродом, претерпевают бездиффузионное превращение γ→α, в результате чего образуется пересы­щенный твердый раствор углерода в альфа-железе (мартенсит). Из участков аустенита, обогащенного углеродом, выделяются частички цементита, а за­тем обедненный углеродом аустенит также превращается в мартенсит. Об­разовавшийся в результате этих процессов мартенсит неустойчив при этих температурах и, в свою очередь, при дальнейшей изотермической выдержке распадается на ферритно-цементитную смесь. Таким образом, в результате промежуточного превращения аустенита образуется смесь, состоящая из смеси α-фазы, чаще пересыщенной углеродом, и карбида (цементита), кото­рая называется бейнитом. Мартенситное превращение происходит лишь в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, когда диффузионные процессы становятся невозможными. Мартенситное превращение в отличие от перлитного и промежуточного пре­вращения носит бездиффузионный характер, то есть не сопровождается диф­фузионным перераспределением углерода и железа в решетке аустенита. При мартенситном превращении происходит лишь перестройка кубической гранецентрированной решетки аустенита в объемно центрированную решет­ку a-железа без выделения из раствора углерода, что приводит к искажению кубической решетки и трансформации ее в тетрагональную. Условием мар­тенситного превращения является превышение скоростью охлаждения неко­торого критического значения. Термограмма (кривая охлаждения) критиче­ской скорости определяется как касательная к кривой начала изотермическо­го распада аустенита. Превращение начинается при определенной темпера­туре, называемой температурой начала мартенситного превращения и обо­значаемой М_н . Чтобы развивалось мартенситное превращение, необходи­мо непрерывно переохлаждать сталь ниже точки М_н. По достижении опре­деленной для каждой стали температуры дальнейшее превращение пре­кращается. Эта температура называется концом мартенситного превраще­ния и обозначается М_к. Положение точек М_н и М_к не зависит от скорости охлаждения и определяется химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже располагаются эти точки. Все легирующие элементы, кроме кобальта и алюминия, понижают точки М_н и М_к.

Мартенситное превращение протекает не по обычной кристаллизацион­ной кинетике, а по сдвиговому механизму. Отличительной особенностью мартенситного превращения в сталях является большая скорость образова­ния и роста игл в определенных направлениях сдвига (10^-7... 10^-8 с; 1 км/с). Однако иглы быстро растут до определенной величины, после чего рост прекращается. Дальнейшее превращение требует непрерывного охлажде­ния с высокой скоростью. Кристаллиты мартенсита тем крупнее, чем больше было зерно аустенита.

Одной из характерных особенностей мартенситного превращения яв­ляется незавершенность процесса: не весь аустенит превращается в мар­тенсит. Не превратившийся аустенит называется остаточным. Его количе­ство тем больше, чем ниже лежат точки М_н и М_к, то есть чем выше содер­жание в аустените углерода и легирующих элементов (за исключением ко­бальта и алюминия).

Изотермическое превращение аустенита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях в отличие от эвтектоидной протекает таким образом, что в верхнем интервале температур сначала выделяется избыточный феррит (в доэвтекгоидной стали) или избыточный цементит (в заэвтекгоиднрй стали). Выделение избыточного феррита или цементита на диаграмме изотермического распада отмечается добавочной кривой (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 – Диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита для доэвтектоидной (а) и заэвтектоид- ной (б) стали

Количество выделяющегося избыточного феррита или цементита уменьшается с понижением температуры, и при некоторой степени пере­охлаждения распад начинается непосредственно с образования колонии эвтектоида. Поскольку с понижением температуры количество выделяю­щегося избыточного феррита или цемен­тита уменьшается, то сорбит и троостит в доэвтектоидных сталях содержит углеро­да меньше 0,8%, а в заэвтектоидных ста­лях больше 0,8%.

Рассмотренные диаграммы изотерми­ческого распада переохлажденного аусте­нита описывают лишь структуры углеро­дистых и низколегированных сталей. Для легированных сталей изотермическая диаграмма имеет другой вид (рисунок 2.10). У этих сталей на диаграмме имеется два минимума устойчивости переохлажденного аустенита, соответствующих перлитному (диффузионному) и бейнитному (промежу­точному) превращениям. Оба превращения разделены областью относительной устой­чивости аустенита. В сталях с небольшим содержанием углерода максимальная ско­рость превращения наблюдается в проме­жуточной области (рисунок 2.10, а), а в сталях с высоким содержанием углерода - в облас­ти перлитного превращения (рисунок 2.11,6).

а – легированная конструкционная сталь (0,15…0,45% С); б – легированная инструментальная сталь (0,7—1,3% С)

Рисунок 2.10 – Диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита в легированной стали

Особенность промежуточного превращения в легированных сталях за­ключается в том, что оно протекает не до конца. Часть аустенита, обога­щенного углеродом, при изотермической выдержке не распадается и при дальнейшем понижении температуры превращается в мартенсит или даже не претерпевает этого превращения. Структура при этом состоит из бейнита и некоторого количества мартенсита или остаточного аустенита.

Легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита в области перлитного и бейнитного превращения и на диаграмме изотермического превращения сдвигают вправо кривые начала и конца распада. Причиной высокой устойчивости переохлажденного легированного аустенита в об­ласти перлитного превращения является то, что в результате распада ле­гированного аустенита в перлитной области образуются легированный феррит и легированный цементит или даже специальные карбиды. Для образования такой феррито-карбидной смеси между твердым раствором и карбидом должно произойти диффузионное перераспределение не только углерода, но и легирующих элементов. Карбидообразующие элементы пе­реходят в карбиды, а остальные - в феррит. Замедление распада аусте­нита в перлитной зоне объясняется малой скоростью диффузии легирую­щих элементов в аустените и уменьшением скорости диффузии углерода под влиянием карбидообразующих элементов.

В области промежуточного превращения распад аустенита может уско­ряться вследствие того, что при более низких температурах исключается диффузия легирующих элементов. Поэтому при распаде аустенита обра­зуются феррит и карбид цементитного типа, имеющие то же содержание легирующих элементов, что и исходный аустенит. Следовательно, для об­разования феррито-карбидной смеси в промежуточной области необходи­ма только диффузия углерода. Перераспределения легирующих элемен­тов не происходит.

2.7 Закалка и отпуск стали

Цель любой термической обработки, в том числе закалки и отпуска стали, состоит в том, чтобы нагревом до определенной температуры и по­следующим охлаждением вызвать желаемое изменение строения метал­ла, его структуры и свойств.

Закалка стали происходит при нагреве доэвтектоидных сталей выше критической точки А_с3 на 30... 50°С, а эвтектоидной и заэвтекгоидных

сталей - выше А_с1 на 30... 50°С, выдержке при данной температуре и по­следующем охлаждении со скоростью больше критической, обеспечиваю­щей превращение переохлажденного аустенита в мартенсит. Конечной целью закалки является получение предельной твердости стали. В зави­симости от температуры нагрева различают полную и неполную закалки.

Полная закалка заключается в нагреве стали до температуры, обеспе­чивающей получение структуры однородного аустенита, выдержке при данной температуре и последующем охлаждении со скоростью больше критической. Полная закалка применяется только для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Структура после закалки этих сталей будет содер­жать пакеты мелкоигольчатого мартенсита (реечный или массивный мар­тенсит) и незначительное количество остаточного аустенита (до 3%). При нагреве доэвтектоидных сталей до температуры выше А_с1, но ниже А_с3 (неполная закалка) структура стали состоит из аустенита и феррита. При последующем охлаждении со скоростью больше критической аустенит пе­рейдет в мартенсит, а феррит останется без изменения. Количество фер­рита будет зависеть от температуры нагрева. Наличие феррита наряду с мартенситом приводит к снижению твердости (дефект носит название мяг­ких пятен) и уменьшает ударную вязкость после отпуска. Перегрев стали, т. е. нагрев до температур, значительно превышающих точку А_с3 (на 150... 200°С), способствует росту аустенитного зерна, что увеличивает склонность стали к деформации и образованию трещин в процессе закал­ки. Структура полной закалки такой стали, как и структура полной закалки большинства заэвтектоидных сталей, будет состоять из крупноигольчатого мартенсита и остаточного аустенита.

Неполная закалка заэвтектоидных сталей заключается в нагреве выше критической точки А_с1 на 30... 50°С, выдержке при данной температуре и

последующем охлаждении со скоростью больше критической. Структура закалки заэвтектоидной стали будет содержать мартенсит, вторичный це­ментит и некоторое количество остаточного аустенита. Вторичный цемен­тит обладает высокой твердостью, поэтому его наличие в структуре закал­ки не будет снижать твердость стали. Вторичный цементит у заэвтектоид­ных сталей после закалки должен присутствовать в виде мелких, равно­мерно расположенных пластин. Следовательно, структура этих сталей пе­ред закалкой должна состоять из зернистого перлита. Если же перед за­калкой структура стали состоит из пластинчатого перлита и вторичного цементита в виде сетки, то после неполной закалки цементитная сетка со­хранится, так как нагрев выше А_с1 не приведет к растворению вторичного цементита в аустените. Сталь с такой структурой (мартенсит и вторичный цементит в виде сетки) обладает повышенной хрупкостью.

Характеристики

Список файлов ВКР