Контрольные вопросы

1. Дать определения: компонент, фаза, система.

2. Правило фаз, концентраций, отрезков.

3. Диаграмма состояний двух компонентной систем с образованием эвтектики, перитектики.

4. Диаграмма состояния двух компонентной системы с полиморфным превращением.

5. Температурный полиморфизм железа.

6. Критические точки фазовых превращений в железоуглеродистых сплавах.

7. Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит?

8. Эвтектическое и эвтектойдное превращения в сталях.

9. Получение ковких чугунов из белого (графитизация).

10. Влияние пластической деформации на структуру и свойство деформированных сплавов.

11. Влияние температуры нагрева на структуру и свойство деформированных сплавов.

Глава 4. Термическая и химико-термическая обработка сплавов

1. Основные положения термической обработки

Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния.

В зависимости от условий нагрева можно получить зерно аустенита различного размера. Продукты превращения мелкозернистого аустенита имеют более высокие пластичность и вязкость, и меньшую чувствительность к концентраторам напряжений, чем соответствующие продукты превращения крупнозернистого аустенита.

Зарождение кристаллов при распаде аустенита происходит преимущественно на границах зёрен, поэтому, чем мельче зерно аустенита, тем мельче будут вновь образующиеся зёрна (рис.4.1).

При достижении температуры А₁ в сталях начинается превращение перлита в аустенит. Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов:

• полиморфного α → γ – перехода;

• растворение в аустените кристаллов цементита.

Полиморфное превращение идёт с более высокой скоростью, поэтому по завершению превращение аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется определенное время выдержки.

Рис.4.1 Образования аустенита в эвтектойдной стали

В зависимости от скорости роста аустенитных зёрен различают, стали природно-крупнозернистые и природно-мелкозернистые (рис.4.2).

Природно-крупнозернистыми называют стали, в которых по мере повышения температуры выше А₃ или А_сm кристаллы аустенита быстро укрупняются; таковы стали, раскислявшиеся в процессе выплавки ферросилицием и ферромарганцем.

Природно-мелкозернистыми называют, стали, в которых при нагреве до 1000 – 1100^оС кристаллы аустенита растут с малой скоростью; к таковым относятся, стали, дополнительно раскислявшиеся алюминием, а также легированные стали, содержащие элементы, особенно титан и ванадий. Подобный механизм сдерживания роста кристаллов аустенита приписывается всем карбидообразующим элементам. Исключением является марганец, он не только сдерживает рост, а даже несколько увеличивает скорость роста аустенитных зёрен.

Природную зернистость сталей оценивают номерами (баллами) специально разработанной шкалой зернистости (ГОСТ 5639 – 82).

Стали, имеющие грубую крупнозернистую структуру вследствие высокотемпературных нагревов, называют перегретыми; перегрев исправляется повторной аустенизацией с нагревом до более низкой температуры.

Рис.4.2 Рост аустенитного зерна при нагреве

Превращения аустенита при различных степенях переохлаждения (ΔТ)

Δ Т = Т_{нагрева} - Т_охл

Т_нагр. – выше температуры фазовых превращений, т.е. А₁.

Увеличивая скорость охлаждения, стали или, вводя в сталь легирующие элементы, можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, т. е. понизить температуру его превращения. От степени переохлаждения

(Δ Т) аустенита зависят механизм и кинетика превращения, и, соответственно, структура и свойства продуктов превращения.

Процессы распада переохлаждённого аустенита подразделяют на два типа:

• диффузионные – перлитное и промежуточное (бейнитное).

• без диффузионное – мартенситное.

Кинетику диффузионных превращений удобнее изучать в изотермических условиях, т. е. превращения при постоянной температуре.

Скорость роста аустенитных зёрен при перегреве выше температур А₃ и А_сm неодинакова у разных сталей; она в большей мере зависит от способа раскисления стали и от наличия некоторых легирующих элементов.

Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость превращения представляют графически в виде диаграмм. Эти диаграммы строят в координатах температура превращения – время. Обычно время откладывают на логарифмической шкале.

Диаграммы строят на основе экспериментальных данных. Образцы сталей, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой средой, имеющей температуру ниже равновесной температуры превращения, и выдерживают до завершения превращения. При этом фиксируют изменение какого-либо свойства, чтобы определить время начала и конца превращения.

Строение перлитных структур зависят от температуры превращения. С увеличением степени переохлаждения, в соответствии с общими законами кристаллизации, уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси. Условно перлитные структуры делят на собственно перлит (грубая смесь кристаллов феррита и цементита); сорбит более дисперсная структура и троостит – самая дисперсная структура мелко игольчатая феррито-цементитной смесь (рис.4.3).

Несмотря на то, что подвижность атомов железа и углерода с понижением температуры от точки А₁ уменьшается, скорость перлитного превращения возрастает вплоть до температуры 550^оС. Это объясняется тем, что с увеличением степени переохлаждения быстро увеличивается число центров кристаллизации и, соответственно, уменьшаются расстояния, на которые должны переместиться атомы в процессе превращения.

С увеличением дисперсности структур перлитного типа возрастают прочность, и твёрдость стали; лучшую пластичность и вязкость имеет структура сорбит.

На рис.4.4 изображена изотермическая диаграмма распада аустенита.

На рис.4.5 изображены перлитные структуры.

Рис.4.3 Диффузионное (перлитное) превращение переохлаждённого аустенита

Рис.4.4 Изотермическая диаграмма для стали У8: 1 – начала распада аустенита; 2 – конец распада аустенита

а б в

Рис.4.5 Перлитные структуры: а – перлит; б – сорбит; в - троостит

На рис.4.6 показаны различные структуры на изотермической диаграмме, для стали У8, при непрерывном охлаждении.

Рис.4.6 Превращение аустенита при непрерывном охлаждении

Мартенситное превращение аустенита (рис.4.7). Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо очень быстро и непрерывно охлаждать, применяя для этого холодную (лучше солёную) воду. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных и бейнитных структур.

Рис.4.7 Мартенситное превращение

Малейшая изотермическая выдержка в интервале М_н до М_к температур приводит к стабилизации аустенита, т.е. превращение не доходит до конца, и кроме мартенсита в структуре наблюдается так называемый остаточный аустенит А_ост. Аустенит может оставаться и тогда, когда в углеродистой стали содержится больше 0,6%С и охлаждение ведут только до 0⁰С.

На рис.4.8 изображены два типа мартенсита.

Рис.4.7 Структура мартенсита

Мартенситные точки зависят от состава стали; сильно М_н и М_к снижает углерод (рис.4.8). Чем больше углерода и других легирующих элементов, за исключением кобальта и алюминия в аустените, тем ниже М_н и М_к (рис.4.9) Мартенситное превращение очень чувствительна к деформации (мартенсит деформации) и оно может начаться при более высоких температурах.

Рис.4.8 Зависимость М_н и М_к от содержания углерода

Рис.4.9 Влияние различных легирующих элементов на М_к

Экспериментально построенные для всех сталей изотермические диаграммы позволяют определить минимальную скорость охлаждения, называемую критической скоростью закалки U_кр., при которой аустенит превращается только в мартенсит при температуре М_н и ниже.

Итак, при охлаждении стали со скоростью, большей U_кр., будет образовываться мартенсит. Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (~ 5000 м/с). Росту кристаллов мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшиеся пластина мартенсита.

Академик Г.В. Курдюмов дал классическое определение мартенситному превращению: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решётки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные».

В процессе мартенситного γ→α – превращения углерод остаётся в твёрдом растворе, искажая кристаллическую решётку Fe_α, так как растворимость его в Fe_α значительно меньше, чем в Fe_{γ .}

Свойства мартенсита сталей зависят от количества, растворённого в нём углерода:

• чем больше углерода, тем выше твёрдость, но одновременно возрастает и хрупкость мартенсита.

• повышается, предел прочности стали при растяжении, но до определённой концентрации углерода (~ до 0,8%С).

• мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объёма.

• весьма сильно изменяются и другие физические свойства стали.

Небольшое количество остаточного аустенита (1 – 3%) после мартенситного превращения сохраняется в сталях, температура Мк которых выше 20 – 25^оС. Затрудненность распада последних порций аустенита связывают с появлением значительных сжимающих напряжений, возникающих вследствие увеличения объёма при переходе ГЦК решётки в ОЦК решётку.

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита (рис.4.10). Бейнит представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита. Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму.

Превращение начинается с перераспределения углерода, в результате которого одни зоны зёрен аустенита обедняются, другие обогащаются углеродом. В зонах твёрдого раствора, обогащённых углеродом, происходит карбидообразования – выделение очень мелких (в виде коротких палочек) кристаллов цементита, по мере обеднения аустенита углеродом развивается мартенситное превращение; γ – твёрдый раствор к моменту полиморфного превращения не полностью освобождается от растворённого углерода, поэтому кристаллы Fe_α, имеющие форму очень тонких пластин, несколько пересыщены углеродом.

Рис.4.10 Бейнитное превращение

Бейнит, образовавшийся при температуре 400 – 550⁰С, называют верхним; он имеет перистое строение. Бейнит, образовавшийся при температуре на 50 – 100⁰ выше мартенситной точки Мн – называют нижним; он имеет пластинчатое строение.

Верхний бейнит имеет неблагоприятное сочетание механических свойств: пониженная прочность в сочетании с невысокой пластичностью. Нижний бейнит обладает высокой прочностью с одновременными показателями высокой пластичности.