Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ

зовываться мартенсит 1— неравновесная фаза — пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fеа (рис. 6.19). Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (~ 5000 м/с). Их росту препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита (рис. 6.20).

Г.В. Курдюмов дал классическое определение мартенситному превращению: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные». При этом перестройка решетки происходит по тем кристаллографическим плоскостям исходной модификации, которые по строению одинаковы, а по параметрам близки к определенным плоскостям кристаллической решетки образующей фазы, т.е. выполняется принцип структурного и размерного соответствия (рис. 6.21). Для мартен-ситного превращения характерно, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы. Два кристалла считаются когерентными, если они соприкасаются по такой поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток. При нарушении когерентности решеток интенсивный упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост кристалла мартенсита прекращается.

В процессе мартенситного γ→α-превращения углерод остается в твердом растворе, искажая кристаллическую решетку Fеа, так как растворимость его в Fеа значительно меньше, чем в Fеγ. Мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку (рис. 6.22). На рисунке крестиками показаны возможные места расположения атома углерода. Чем больше углерода было в аустените, тем большее число элементарных ячеек мартенсита будет содержать атом углерода и тем большими окажутся средние искажения пространственной решетки.

Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворенного в нем углерода. На рис. 6.23, а показано влияние содержания углерода на твердость мартенсита. По аналогичной кривой изменяется и временное сопротивление сталей. Мартенсит имеет очень высокую твердость, равную или превышающую 60 НRС, при содержании углерода, большем 0,4%. С увеличением количества углерода возрастает хрупкость мартенсита. Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объема (рис. 6.23, б). Весьма сильно изменяются и другие физические свойства стали.

Небольшое количество остаточного аустенита (1-3 %) после мартенситного превращения сохраняется в сталях, температура Мk к выше 20 —

25 ° С. Затрудненность распада последних порций аустенита связывают с появлением значительных сжимающих напряжений, возникающих вследствие увеличения объема при переходе решетки ГЦК в ОЦК.

На температуры Мн и Мk помимо содержания углерода существенно влияют растворенные в аустените легирующие элементы. Подавляющее большинство легирующих элементов понижают температуры Мн и Мк, поэтому в закаленных легированных сталях даже при небольшом содержании углерода после охлаждения до 20 - 25 ° С может сохраниться значительное количество остаточного аустенита.

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита В интервале температур промежуточного превращения аустенит рас-

падается с образованием структур, называемых бейнитом. Бейнит представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита. Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму.

Предполагают, что превращение в данном участке объема начинается с перераспределения углерода, в результате которого одни зоны зерен аустенита обедняются, а другие обогащаются углеродом. С уменьшением количества растворенного углерода повышается температура мартенситного превращения, поэтому происходит оно в первую очередь в обедненных углеродом зонах 7-твердого раствора. В зонах твердого раствора, обогащенного углеродом, протекает карбидообразование — выделение очень мелких (в виде коротких палочек) кристаллов цементита; по мере обеднения аустенита углеродом развивается мартенситное превращение. К моменту полиморфного превращения γ-твердый раствор не полностью освобождается от растворенного углерода, поэтому кристаллы Fеа, имеющие форму очень тонких пластин, несколько пересыщены углеродом.

Бейнит, образовавшийся при 400550 ° С, называют верхним; он имеет перистое строение. Бейнит, образовавшийся при более низких температурах, называют нижним; он имеет пластинчатое строение.

Скорость промежуточного превращения обычно изменяется так же, как скорость перлитного превращения (см. рис. 6.13, а). В некоторых легированных сталях кинетика превращения иная (см. рис. 6.13, б): по окончании инкубационного периода распад аустенита начинается с максимальной скоростью, а затем его скорость убывает. Характерно, что промежуточное превращение не доходит до конца, часть аустенита остается непревращенной. Степень превращения убывает с повышением температуры. Непревращенный аустенит при охлаждении либо сохраняется, либо превращается в мартенсит, что зависит от состава стали.

Верхний бейнит имеет неблагоприятное сочетание механических свойств: пониженная прочность из-за сохранения нераспавшегося аустенита сочетается с низкими пластичностью и вязкостью. Высокой прочностью и одновременно достаточно высокими пластичностью и вязкостью обладает нижний бейнит, а именно бейнит, полученный при температуре на 50 - 100 ° С выше мартенситной точки Мн.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Горячекатаные полуфабрикаты, поковки, штамповые заготовки и стальные отливки отжигают или нормализуют; легированные стали после нормализации подвергают высокотемпературному отпуску.

Отжиг и нормализация могут быть промежуточными видами термической обработки, если детали или инструменты после обработки резанием термически упрочняются, а в некоторых случаях эти виды обработки определяют и эксплуатационные свойства металла, если к специальному термическому упрочнению не прибегают.

Термическое упрочнение состоит из закалки и последующего отпуска.

ОТЖИГ СТАЛЕЙ

Существует несколько разновидностей отжига. Для конструкционных сталей наибольшее применение находит перекристаллизационный отжиг, а для инструментальных — сфероидизирующий отжиг.

Перекристаллизационный отжиг конструкционных сталей Конструкционные стали чаще всего содержат углерод в количестве до

0,7%, т.е. являются доэвтектоидными сталями.

Перекристаллизационный отжиг проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры. Одновременно при отжиге полностью снимаются остаточные напряжения.

Полуфабрикаты из конструкционных сталей после литья или горячего деформирования из-за ускоренного охлаждения с высоких температур могут иметь повышенную твердость, что затруднит их обработку резанием и приведет к понижению пластичности. Кроме того, отливки и горячедеформированная сталь часто приобретают структурные дефекты, ухудшающие их свойства.

Характерный структурный дефект стальных отливок — крупнозернистость.

При ускоренном охлаждении крупнозернистого аустенита создаются условия для образования видманштеттовой структуры1. При ее образовании выполняется принцип размерного и структурного соответствия, в результате чего кристаллы доэвтектоидного феррита ориентированно прорастают относительно кристаллической решетки аустенита и имеют форму пластин.

Типичная структура литой стали и видманштеттовая структура горячедеформированной стали показаны на рис. 6.24.

Размер зерна аустенита, образующегося после обработки давлением, как показывает опыт, определяется температурой окончания обработки:

если эта температура намного превышает Ас3, то образуется крупнозернистый аустенит и после охлаждения — грубая стрктура продуктов распада, если же она лежит в межкристаллическом интервале

температур (между А1 и Ас3), возникает другой структурный дефект — строчечность в расположении структурных составляющих — феррита и перлита, что обусловливает значительную анизотропию свойств.

Строчечная структура значительно чаще возникает из-за загрязнения стали неметаллическими включениями, обычно сульфидами, а также в результате ликвации фосфора.

При обработке давлением включения вытягиваются. Феррит, зарождаясь на вытянутых включениях, образует вытянутые скопления. Строчечность структуры, вызванная неметаллическими включениями, не исправляется отжигом.

Горячекатаная сталь со строчечной структурой (рис. 6.25) имеет худшие механические свойства (прочность, пластичность и вязкость) в поперечном и высотном направлениях по сравнению с основным направлением деформации.

Для полной перекристаллизации структуры конструкционные стали нагревают до температуры, превышающей температуру Ас3 на 30 — 50 ° С. При более высоком нагреве произойдет укрупнение аустенитных зерен. После сквозного прогрева изделия следует медленно охлаждать, чтобы обеспечить в результате распада аустенита равновесную ферритноперлитную структуру и соответственно низкую твердость и высокую пластичность.

Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от степени легированности стали. Углеродистые стали получаются достаточно мягкими при скорости охлаждения 100 - 200° С/ч. Легированные стали с более высокой устойчивостью переохлажденного аустенита нужно охлаждать медленнее — со скоростью 20 — 70° С/ч. Высоколегированные стали экономичнее подвергать изотермическому отжигу, т.е. дать выдержку при

температуре немного меньшей Аr1, чтобы получить продукты распада аустенита с низкой твердостью.

Охлаждение при отжиге чаще всего проводят вместе с печью. Сфероидизирующий отжиг инструментальных сталей (сфероидизация) Инструментальные стали для режущего, измерительного инструмента и

для инструмента, деформирующего металл в холодном состоянии, содержат углерод в количестве от 0,7 до 2 %. Высокое содержание углерода обусловливает высокую твердость инструментальных сталей, что затрудняет их обработку резанием. Для снижения твердости такие стали отжигают. Для заэвтектоидных сталей сфероидизирующий отжиг, кроме того, подготовляет структуру к закалке.

Наименьшую твердость имеют стали со структурой зернистого перлита, когда цементит перлита имеет округлую форму. Отсюда и название отжига — « сфероидизация».

Зернистый перлит (рис. 6.26) в инструментальных сталях обычно получают путем нагрева сталей до температуры 750 — 770 0 С (немного выше, чем Аr1) и последующего медленного охлаждения или изотермической выдержки при субкритической температуре 650 - 680 ° С. При нагреве до температуры, лишь немного превышающей критическую, даже в доэвтектоидных сталях сохраняются нераспавшиеся мелкие карбидные частицы, которые при охлаждении или изотермической выдержке выполняют роль центров кристаллизации сфероидального цементита.

В заэвтектоидных сталях требуется сфероидизировать не только эвтектоидный цементит, но и цементит вторичный (избыточный), который при нарушениях режима обработки давлением выделяется в виде сплошных оболочек аустенитных зерен (на шлифе — сетка). Этот заэвтектоид-ный цементит сфероидизируется труднее, чем цементит перлита, поэтому заэвтектоидные стали предварительно нагревают выше температуры Асст) для распада цементита и охлаждают на воздухе. Такая обработка вызывает измельчение цементита и разрыв сетки цементита на границах зерен, что облегчает сфероидизацию при вторичном нагреве.

Низко-, средне- и высоколегированные инструментальные стали сфероидизируют аналогичным образом, однако чаще вместо непрерывного охлаждения от температуры нагрева используют субкритические изотермические выдержки.

НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛЕЙ

Нормализации, как и перекристаллизационному отжигу, чаще всего подвергают конструкционные стали после горячей обработки давлением и фасонного литья. Нормализация отличается от отжига в основном условиями охлаждения; после нагрева до температуры на 50 — 70 ° С выше Ас3 сталь охлаждают на спокойном воздухе.

Нормализация - более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как меньше времени затрачивается на охлаждение стали. Кроме того, нормализация, обеспечивая полную перекристаллизацию структуры, приводит к получению более высокой прочности стали, так как при ускорении охлаждения распад аустенита происходит при более низких температурах.

Легированные конструкционные стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита после нормализации приобретают высокую твердость, затрудняющую последующую обработку резанием. В связи с этим после нормализации проводят отпуск при температурах, обеспечивающих получение требуемой твердости (650 — 750° С в зависимости от состава стали).

После нормализации углеродистых и низколегированных сталей, так же как и после отжига, образуется ферритно-перлитная структура, однако имеются и существенные структурные отличия (рис. 6.27). При ускоренном охлаждении, характерном для нормализации, доэвтектоидный феррит при прохождении температурного интервала Аr3— Аr1 выделяется на границах зерен аустенита; поэтому кристаллы феррита образуют сплошные или разорванные оболочки вокруг зерен аустенита — ферритную сетку.

Нормализация позволяет несколько уменьшить анизотропию свойств, вызванную наличием в горячедеформированной стали вытянутых неметаллических включений. При ускоренном охлаждении (по сравнению с

отжигом) возникает больше самопроизвольно образующихся центров кристаллизации, поэтому строчечность структуры менее резко выражена. Это дополнительное преимущество данного вида обработки.

Свойства нормализованных горячекатаных полуфабрикатов существенно зависят от сечения: чем меньше сечение, тем быстрее произойдет охлаждение на спокойном воздухе и тем выше будет прочность стали.

ОСОБЕННОСТИ ЗАКАЛКИ СТАЛЕЙ

Вбольшинстве случаев при закалке желательно получить структуру наивысшей твердости, т.е. мартенсит, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали. При равной твердости структуры, полученные при отпуске мартенсита, имеют лучшие механические свойства, чем структуры, полученные непосредственно в результате распада аустенита, за исключением нижнего бейнита.

Взависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке сталь переводят в однофазное аустенит-ное

состояние, т.е. нагревают выше критических температур Ас3 или Асст, при неполной — до межкритических температур — между Ас1 и Ас3 (Асст) (рис.

6.28, a).

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура Ас3+(30...50° С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и соответственно после охлаждения — мелкокристаллического мартенсита. Недогрев до температуры Ас3 приводит к сохранению в структуре кристаллов доэвтектоидного феррита, что при некотором уменьшении прочности обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали.

Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура нагрева углеродистых и низколегированных сталей при этом — температура Ас1+ (30 ... 50 ° С).

После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтектоидные стали имеют

более высокую твердость, чем при полной. Так как сталь предварительно подвергалась сфероидизирующему отжигу, избыточные карбиды округлой формы не вызывают снижения вязкости. Высоколегированные инструментальные стали ледебуритного класса (рис. 6.28, б) для повышения теплостойкости¹ нагревают при закалке до очень высоких температур (область 1), близких к эвтектической. При этом происходит распад всех вторичных карбидов, аустенит обогащается не только углеродом, но и легирующими элементами, содержащимися в карбидах. В результате получается высоколегированный, а следовательно, и теплостойкий мартенсит.

Если высоколегированные инструментальные стали используют не как теплостойкие, а только как износостойкие, температуру закалки понижают (см. рис. 6.28, область 2), сохраняя некоторое количество вторичных карбидов нерастворенными. При такой закалке температура нагрева достаточно высокая (900 - 1000 ° С). Это связано с влиянием легирующих элементов на критические температуры стали (см. гл. 4) и с малой скоростью диффузии легирующих элементов в твердом растворе.

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения; следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую скорость г;Кр (см. рис.

6.18).

Для углеродистых сталей г;Кр составляет 400 - 1400 ° С/с. Для того чтобы переохладить аустенит таких сталей до температуры мартенситного превращения, необходимо прибегать к очень резкому охлаждению, которое достигается погружением закаливаемых деталей в холодную воду либо воду с добавками соли или едкого натра (табл. 6.2).

При охлаждении на поверхности стальной детали не должна образоваться паровая пленка, препятствующая теплообмену с закалочной средой.

Таблица 6.2 .ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ОХЛАЖДАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЗАКАЛОЧНЫХ СРЕД

	Температура, ° С		Относительная
Охлаждаю-	охлаж-	пузырь-	интенсивность
щая среда	дающей	кового	охлаждения в
	среды	кипения	середине ин-
			тервала
			пузырь-
			кового кипения
Вода	20	400 - 100	1
	40	350 - 100	0,7
	80	250 - 100	0,2
10 %-й
раствор
в воде:
NaCl	20	650 - 100	3
NaОН	20	650 - 100	2,5
Масло ми-

Лучшей является стадия пузырькового кипения охлаждающей жидкости. Чем больше температурный интервал этой стадии, тем интенсивнее охлаждает закалочная среда.

Лучше пользоваться добавками едкого натра, так как щелочная среда не вызывает последующей коррозии стальных деталей. Многие легированные стали приобретают мартенситную структуру при охлаждении в холодных или подогретых маслах, а высоколегированные стали закаливаются на мартенсит даже при охлаждении на воздухе.

Охлаждение при закалке наиболее просто осуществляется погружением закаливаемой детали в жидкую среду (воду или масло), имеющую температуру 20 - 25 ° С. Однако в некоторых случаях для уменьшения деформации (коробления) деталей или для предотвращения образования трещин условия охлаждения усложняют.

Коробление и растрескивание вызываются значительными остаточными напряжениями, возникающими при закалке. Основной источник напряжений — увеличение объема при превращении аустенита в мартенсит. Модуль упругости в температурном интервале мартенситного превращения достаточно велик, поэтому возникающие из-за объемных изменений напряжения релаксируют с малой скоростью. Значительные макроскопические напряжения возникают изза неодновременности превращения по сечению, а также в закаливаемых деталях сложной формы. Остаточные напряжения уменьшаются при условии одновременного превращения по сечению и понижения скорости охлаждения в интервале температур Мн — Мк.

В практике термической обработки сталей широкое использование нашли следующие способы охлаждения, позволяющие значительно уменьшить величину остаточных напряжений: закалка в двух средах и ступенчатая закалка.

Закалка в двух средах. Схема обработки показана на рис. 6.29. После нагрева под закалку деталь погружают на определенное время в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение температурного интервала минимальной устойчивости аустенита, а затем переносят в более мягкую охлаждающую среду, обычно в масло.