• Влияние скорости охлаждения аустенита при термообработке на структуру стали.
• Сдвиг критических точек при охлаждении.
• Изотермическое распадение аустенита.
• Свойства стали со структурой мартенсита, троостита, сорбита или перлита.

В контексте Термообработка. Отпуск стали.Термообработка. Закалка стали.Термообработка. Отжиг стали.Термообработка. Нормализация стали.Термообработка. Краткая информация.

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов - процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.

Термобработка приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав остается в неизменном виде.

Рисунок 1. Диаграммы состояния системы Fe – Fe3C

Возможность влияния термической обработки на структуру и свойства сталей, сплавов определяется вторичной кристаллизацией, которая в соответствии с диаграммой состояния Fe – Fe₃C происходит по линиям GS, SE и РК.

Влияние скорости охлаждения аустенита при термообработке на структуру стали.

Вторичная кристаллизация при медленном охлаждении происходит в полном соответствии с диаграммой состояния характеризуется следующими этапами:

1) превращение аустенита в феррит;

2) выделение из аустенита мельчайших частиц цементита;

Если эвтектоидная сталь по линии РК (в точке Ar₁ ) охлаждается медленно, то произойдет полное распадение аустенита с образованием перлита. Распадение аустенита происходит по следующим этапам:

• превращение гамма-железа в альфа-железо, т.е. перегруппировка атомов из решетки гранецентрированного куба гамма-железа в решетку центрированного куба альфа-железа с одновременным смещением атомов углерода, находящихся в твердом растворе гамма-железа;
• выделение из твердого раствора (аустенита) мельчайших частиц цементита ( Fe₃C );
• укрупнение частиц цементита до пластинок, размеры которых измеряются от малых долей микрона до нескольких микронов. Аустентит более или менее полностью распадается.

Если скорость охлаждения увеличивается до 50 град/сек, то распадение аустенита не успевает закончиться, размеры пластинок цементита достигают лишь десятых долей микрона, они различимы только при очень больших увеличениях. Такая структура называется сорбитом (по имени Г.В. Сорби – английского естествоиспытателя).

Если скорость охлаждения увеличивается до 100 град/сек, то полностью успевает завершиться лишь второй этап распадения аустенита, а третий этап останавливается в самом начале. Поэтому размеры пластинок цементита измеряются стотысячными и миллионными долями миллиметра. Эта структура носит название троостита (по имени Л. Трооста – французского химика). Наличие тончайших пластинок цементита можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.

Рисунок 2. Зависимость положения критических точек эвтектоиднной стали от скорости охлаждения.

Если скорость увеличить 150-200 град/сек, то успевает завершиться лишь перегруппировка атомов железа, образуется пересыщенный метастабильный твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе с искаженной кристаллической решеткой. Эта структура называется мартенситом (по имени А. Мартенса – немецкого металловеда). При нагреве мартенсит переходит в более устойчивые структуры: троостит, сорбит и перлит.

Мартенсит стали получается путем реализации только первого этапа вторичной кристаллизации, имеет характерное пластинчатое, под микроскопом - игольчатое, строение. Рост пластин путем сдвига происходит мгновенно со скоростью около 1000 м/с по бездиффузионному механизму, так как диффузионный переход атомов из кристаллов аустенита в мартенсит при низких температурах невозможен.

Мартенсит имеет наибольший удельный объем по сравнению с другими структурными составляющими стали, и, особенно, с аустенитом. Увеличение удельного объема при образовании мартенсита приводит к возникновению при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.

Подводя итог сказанному, заметим, что перлит, сорбит, троостит по структуре представляют собой двухфазную смесь (феррита и цементита). Они отличаются друг от друга дисперсностью цементита; мартенсит же однофазен, это твердый раствор углерода в альфа-железе.

Структура перлита, получающаяся при медленном охлаждении сплавов, называется равновесной, как и другие структуры. В отличие от равновесной, структуры сорбита, троостита, мартенсита, получающиеся при ускоренных охлаждениях, называются неравновесными.

Сдвиг критических точек при охлаждении.

Увеличение скорости охлаждения вызывает понижение критических точек (по отношению к их положению на диаграмме равновесия). Сдвиг температур увеличивается с ускорением охлаждения, что видно на рис. 2. Кривая A ’ r показывает, что переохлаждение аустенита растет при ускорении охлаждения.

Если охлаждение медленное, то переохлаждение невелико (верхние точки кривой A ’ r ), следовательно структура стали остается перлитной. Пластинки цементита в перлите тем меньше, чем больше скорость охлаждения, и при дальнейшем ускорении охлаждения структура все больше приближается к сорбиту. При скорости охлаждения, необходимой для получения структуры сорбита ( >> 50 град/сек), аустенит переохлаждается более чем на 100^o, фазовое превращение его в сорбит произойдет при температуре около 600^o (точка C на кривой A ’ r ). Превращение до троостита произойдет при переохлаждении аустенита на » 180^o (точка Т).

Скорость охлаждения V1 (150 град/сек) соответствует началу появления мартенсита в структуре стали. Часть линии A ” r , характеризующая превращение “аустенит - мартенсит”, - прямая. Это указывает на постоянство температуры при превращении (около 240 ^o для эвтектоидной стали) независимо от дальнейшего увеличения скорости охлаждения.

Таким образом, кривая A ’ r характеризует распадение аустенита на две фазы: феррит и цементит, а отрезок A ” r – переход аустенита в мартенсит. При скоростях охлаждения V 1 до V 2 охлажденная сталь содержит троостит и мартенсит (превращение происходит согласно линии A ’ r и линии A ” r ). При скоростях охлаждения, превышающих V 2 (ниже линии A ” r ), наряду с мартенситом будет немного остаточного (не распавшегося) аустенита.

Изотермическое распадение аустенита.

Рисунок 3. Диаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной стали

Наблюдениями установлено, что скорость, характер распадения аустенита зависят от степени его переохлаждения.

На рис.3 приведена диаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной углеродистой стали. Диаграмма построена в координатах “Температура – логарифм времени” (время откладывается на абсциссе по логарифмической шкале), что дает возможность проследить за временем превращения от долей секунды до суток и более.

Предположим для простоты, что за время 0,5 сек удается охладить образец из состояния аустенита до любой температуры: от точки Ar₁ до 0 ^o и ниже. Охлаждая образец до 700 ^o, выдерживая его при этой температуре, заметим, что в течение времени до точки H 1 в аустените никаких превращений не происходит. Со времени, соответствующего точке H 1 , начинается распадение аустенита. Период времени до точки H 1 называется инкубационным периодом. Распадение аустенита заканчивается полностью ко времени точки К1, когда аустенит перешел в перлит. Скорость дальнейшего охлаждения не влияет на структуру образца, поэтому за точкой К1 линия обрывается.

Наблюдая за образцом, охлажденным из состояния аустенита до температуры 650 ^o и нанося на диаграмму точки начала H 2 и конца K 2 распадения аустенита, заметим, что инкубационный период и период распада аустенита уменьшились, а в результате распада получился сорбит.

Для образца, охлажденного до температуры около 500 ^o , получим на диаграмме соответственно точки Н3 и К3 распадения аустенита, а структура стали будет представлять троостит. При увеличении количества подобных опытов определится ряд точек начала - окончания превращения аустенита. Соединяя эти точки, получим две кривые превращения аустенита; кривую I – начала превращения при разных температурах и кривую II – конца превращения при тех же температурах.

При охлаждении образцов со скоростью выше критической при температуре 240 ^o (линия M Н ) начинается превращение аустенита в мартенсит; превращение всего аустенита в мартенсит происходит только при дальнейшем понижении температуры. Это превращение, для эвтектоидной углеродистой стали. наступит лишь при температуре - 50 ^o.

Рассмотрев диаграмму (рис. 3), отметим следующее. Верхняя часть диаграммы характеризует изотермическое распадение аустенита в смесь феррита, цементита. Левее кривой I находится поле, отвечающее переохлажденному аустениту, область между кривыми I и II определяет время распада переохлажденного аустенита, правее кривой II находится поле продуктов распада аустенита: перлита, сорбита и троостита. Инкубационный период распада аустенита изменяется в зависимости от степени переохлаждения последнего: сначала уменьшается до некоторой критической величины, затем вновь увеличивается. Этот период для каждой температуры определяется абсциссой кривой I – начала распадения аустенита. Кривая II показывает, что длительность превращения также зависит от температуры переохлаждения. Прямая M н является границей между верхней и нижней частями диаграммы. Эта прямая характеризует начало мартенситного превращения аустенита и соответствует прямому участку кривой A ” r (см. рис. 2).

Нижняя часть диаграммы показывает, что для перевода всего остаточного аустенита в мартенсит необходимо понижать температуру стали до линии M к (конец мартенситного превращения). Кривые изотермического распадения аустенита имеют форму буквы С и называют С-образными кривыми. Форма этих кривых установлена профессором С.С. Штейнбергом.

Для доэвтектоидной, заэвтектоидной сталей С-образные кривые смещены влево по сравнению с кривыми эвтектоидной стали; прямые М к и М к для первой расположены выше, а для второй – ниже, чем для эвтектоидной стали.

Свойства стали со структурой мартенсита, троостита, сорбита или перлита.

Рассмотрим сначала свойства структур эвтектоидной стали.

Рисунок 4. Диаграмма изменения механических свойств эвтектоидной стали. Состояния от перлита до мартенсита

Мартенсит – самая твердая и самая хрупкая структура.

Твердость мартенсита HB =600-650 ( HRC =62-66), а пластические свойства при растяжении ( d и y ) и ударная вязкость (а н) близки к нулю. Плотность мартенсита меньше, чем плотность других структур - 7,75 г/см³. В связи с увеличением объема стали при мартенситном превращении возникают напряжения, особенно при неравномерном охлаждении детали. Мартенсит магнитен, обладает наибольшей способностью сохранять в себе остаточный магнетизм, поэтому заготовки магнитов заливают в мартенсит.

Тростит, сорбит – промежуточные структуры между перлитом и мартенситом, поэтому их свойства будут средними между свойствами перлита и мартенсита. На рис. 4 приведены кривые изменения твердости HB , предела прочности s в и относительного удлинения d эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита.