yandex rtb 1
ГоловнаЗворотній зв'язок
yande share
Главная->Різні конспекти лекцій->Содержание->Структурные преобразования стали при закалке.

Техн.и технологии 2

Структурные преобразования стали при закалке.

Как отмечалось выше, закалка - вид термической обработки, фиксирующий структуры, необычные для низких температур.

Существуют два вида закалки: закалка на переохлажденный твердый раствор, свойственный высоким температурам, и закалка на промежуточную неустойчивую структуру (мартенсит).

 

А- аустенит

Ф- феррит

Ц- цементит

П- перлит

 

 
 

Температура, Сº                                      1147

 

Е

1100

 

1000

Н

900                                     А+Ц

800

А+Ф                                           727

 

700                1         3            3               е,

Ф+П                   Ц+П

600

3

 

0,4    0,8    1,2    1,6    2,0    2,4    2,8

                                                               С,%(масса)

 

Примером закалки с фиксацией переходных неустойчивых структур является закалка углеродистой стали или ряда бронз и латуней. Типичным примером закалки с фиксацией на переохлажденный твердый раствор является закалка алюминиевых сплавов, малоуглеродистой стали, закалки специальных легированных сталей и сплавов.

Что представляют собой те процессы, которые протекают в стали при закалке. Рассмотрим диаграмму состояния системы Fe - C.

На рисунке приведена часть диаграммы, отвечающей содержанию углерода 2,14% и температуре до 11470С. При нагревании стали эвтектоидного состава (0,8% - С) перлит при 7270С превращается в аустенит. При нагревании стали, содержащей меньшие количества углерода, например, 0,4% (структура такой стали состоит из перлита и феррита), при 7270С перлит превращается в аустенит с 0,8% углерода (т.1 на рисунке), а при дальнейшем нагревании феррит постепенно растворяется в аустените; содержание углерода в аустените при этом уменьшается в соответствии с линией SG. По достижении точки 2 феррит исчезает, а концентрация углерода в аустените становится равной его общему содержанию в стали.

Аналогично протекают превращения в случае стали, содержащей большие количества углерода, например, 1,4%. Такая сталь состоит из перлита и цементита. При 7270С перлит превращается в аустенит, содержащий 0,8% углерода (точка 3), а при дальнейшем нагревании цементит растворяется в аустените. По достижении точки 4 цементит исчезает, а содержание углерода в аустените становится равным 1,4%.

Таким образом, первый этап закалки - нагрев сопровождается переходом стали в состояние аустенита. Диффузия атомов даже при высоких температурах происходит в твердом теле далеко не мгновенно. Для полноты превращения сталь выдерживают некоторое время при температуре, немного превышающей соответствующую точку на линии GS или SE.

Процессы, протекающие при медленном охлаждении аустенита, обратны выше рассмотренным. Но при быстром его охлаждении эти процессы, связанные с диффузией атомов углерода и железа, не успевают происходить. В результате сталь оказывется в неравновесном состоянии.

При охлаждении аустенит делается термодинамически неустойчивой фазой; при температуре ниже 7270С термодинамически устойчив перлит или перлит с избытком феррита или цементита. Чем больше переохлаждение, тем больше разность энергий аустенита и перлита, стимулирующая превращения. Но, в то же время, чем больше переохлаждение (т.е. чем ниже температура), тем медленнее протекает диффузия атомов.

В результате одновременного действия этих противоположных тенденций скорость превращения аустенита в перлит оказывается максимальной при небольших переохлаждениях, т.е. при медленном понижении температуры. При больших же переохлаждениях, при быстром снижении температуры скорость диффузионных процессов приближается к нулю и превращение становится невозможным. Однако кристаллическая решетка железа перестраивается при любой скорости охлаждения, так что в результате понижения температуры γ - железо превращается в α - железо.

Таким образом, в основе закалки стали лежит превращения аустенита в пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе. Эта фаза носит название мартенсита; будучи термодинамически неустойчивой, она не находит отражения на диаграмме состояния.

Если же в равновесном состоянии растворимость углерода в   железе при 200С не превышает 0,0025%, то в мартенсите его содержание столько же, сколько в исходном аустените. Мартенситное превращение не сопровождается диффузионным перераспределением углерода, т.е. перемещение атомов углерода и железа не превышают в ходе этого превращения межатомных расстояний. Происходит лишь перестройка кубической структуры гранецентрированной решетки γ - железа в кубическую объемноцентрированную (α - железа). Однако сохранение в новой решетке атомов углерода приводит к ее искажению, а точнее говоря, к превращению в тетрагональную с отношением осей, незначительно отличающимся от единицы. При содержании углерода в стали выше 0,5% часть аустенита не испытывает превращения и сохраняется в закаленной стали.

Мартенсит обладает высокой твердостью, возрастающей с увеличением содержания углерода. Его твердость обусловлена очень тонкой неоднородностью строения, препятствующей передвижению дислокаций. Но в тоже время, в связи с большими внутренними напряжениями, возникающими при его образовании, мартенсит хрупок. Поэтому закаленная сталь тверда, но и остаточный аустенит частично распадаются. При этом степень превращения мартенсита и структура мартенсита и структура образующих продуктов зависят от температуры нагрева при отпуске.

"Мартенситные иглы" представляют собой сечение мартенситных пластин плоскостью шлифа. Механизм образования мартенсита еще окончательно не выяснен. Согласно Т.В.Курдюмову, мартенситное превращение подчиняется обычным законам кристаллизации и происходит путем зарождения и роста кристалликов. Однако скорость роста кристаллов мартенсита исключительно велика.

Температура мартенситного превращения зависит от содержания углерода: чем больше в стали углерода, тем ниже температура мартенситного превращения. Количество мартенсита обычно увеличивается за счет возникновения новых пластин, а не увеличения уже имеющихся. Первые пластины мартенсита чаще всего растут через все зерно, и поэтому их величина равна величине зерна аустенита. Иногда рост мартенситной иглы внутри зерна прекращается. Последующие пластины оказываются меньших размеров, так как их развитию мешают ранее образовавшиеся пластины.

Мартенситное превращение происходит не при определенной температуре, а в интервале температур. Мартенситная структура является переходной неустойчивой структурой и характеризуется высокой твердостью и малой пластичностью.

В зависимости от формы детали, марки стали и требуемого комплекта свойств применяют различные способы закалки:

 

 

15