Лекции Материаловедение_Петроченко / Лекция 6

Лекция 6

Термическая обработка сталей.

Термической обработкой называется технологический процесс, включающий нагрев стали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с необходимой скоростью. Целью термической обработки является получение заданных свойств стали путем изменения ее структуры без изменения формы и размеров деталей.

Термическая обработка вызывает изменения в структуре материала в том случае, если сплав претерпевает превращения, вызванные полиморфизмом, диффузией или изменением растворимости одного компонента в другом. Часто эти процессы могут накладываться друг на друга и оказывать влияние на свойства материалов.

В исходном состоянии углеродистая сталь может иметь различную структуру в зависимости от содержания углерода: доэвтектоидная – феррит и перлит; эвтектоидная – перлит; заэвтектоидная – перлит и цементит вторичный.

Превращения в стали при нагревании. Перегрев и пережег стали. Видманштеттовая струкрура. Влияние размера зерна на свойства стали.

Рассмотрим процесс нагрева эвтектоидной стали выше критической температуры Ас₁, когда структура состоит из перлита (рис. 1). Это превращение можно записать, согласно диаграмме железо-цементит: П (Ф + Ц) → А,

где Ф (феррит) содержит 0,02 % углерода, Ц (цементит) – 6,67 % углерода и А (аустенит) – 0,8 % углерода.

Когда сталь переходит критическую температуру Ас₁, превращение сопровождает два параллельно идущих процесса: полиморфное превращение α-Fe (ОЦК) → γ-Fе (ГЦК) и растворение цементита в γ-Fe.

Растворение цементита не может начаться, пока сохраняется кристаллическая решетка феррита. Как известно, в ней может максимально растворяться углерода в количестве 0,02 %. Поэтому вначале происходит зарождение кристаллов аустенита на межфазной поверхности раздела феррита и цементита. Зарождение сопровождается образованием центров кристаллизации аустенита и, следовательно, происходит измельчение зерна. Только после образования γ-Fе возможно дальнейшее растворение углерода в аустените.

Полиморфное превращение происходит с более высокой скоростью, чем процесс растворения цементита. Поэтому первоначально аустенит сохраняет неоднородность по углероду и за образованием зародыша аустенита следует его насыщение углеродом.

Начальная величина зерна аустенита зависит от количества зародышей, возникающих в данном объеме в единицу времени и скорости их роста. Чем дисперснее структура перлита, тем мельче начальное зерно аустенита, т.к. у такой структуры больше поверхность раздела между ферритной и карбидной фазой, где и идет образование зародышей.

К окончанию превращения, после того как весь перлит превратится в аустенит, сталь состоит из большого количества мелких аустенитных зерен. Дальнейший нагрев или выдержка после окончания превращения ведет к росту аустенитных зерен. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к уменьшению свободной энергии за счет сокращения поверхности зерен. Он происходит в результате увеличения одних зерен за счет других, более мелких.

Чтобы охарактеризовать поведение стали при нагреве в отношении изменений размера зерна, рассмотрим понятие о зерне аустенита которое может быть:

начальным зерном – размер аустенитного зерна в момент окончания перлито-аустенитного превращения;

действительным зерном – зерном аустенита, полученным в данных конкретных условиях нагрева;

наследственным зерном аустенита, характеризующим склонность зерна к росту при высоких температурах.

Склонность стали к росту зерна зависит от состава стали и ее раскисления. Стали, раскисленные только марганцем или марганцем с кремнием, относят к наследственно-крунозернистым. Стали, раскисленные и модифицированные дополнительно алюминием, титаном, церием и другими элементами в количестве 0,05 – 0,1 %, относят к группе мелкозернистых.

Переход через критическую точку А_С1 сопровождается резким уменьшением размеров зерна. При дальнейшем нагреве зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет до весьма высоких температур, после чего зерно начинает быстро расти. В крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна, который начинается сразу после перехода через критическую точку (рис. 1).

Рис. 1. Схема роста зерна аустенита в наследственно мелкозернистой и крупнозернистой эвтектоидной стали

Наследственно-мелкозернистая сталь при достаточно высокой температуре может иметь более крупное зерно аустенита, чем наследственно-крупнозернистая сталь. Поэтому различают еще действительное зерно, полученное в стали при данной температуре нагрева. Размер действительного зерна аустенита определяется температурой нагрева, длительностью выдержки и склонностью данной стали к росту зерна. Известно, что мелкозернистая сталь имеет более высокие механические свойства. Поэтому природную зернистость сталей оценивают баллами специально разработанной шкалы зернистости (ГОСТ 5639-82).

Нагрев доэвтектоидной стали до температуры, значительно превышающей Ас₃ (1100-1200 ⁰С) и последующее охлаждение, приводит к образованию структуры, состоящей из крупных игл избыточного феррита, прорезающих крупные зерна перлита. Такая структура в честь австрийского ученого А.Б. Видманштетта названа Видманштеттовой структурой (рис. 2).

Нагрев стали до высоких температур, приводящих к образованию крупного действительного зерна и получению Видманштеттовой структуры, называется перегревом стали. Грубую крупнозернистую структуру можно исправить повторной аустенизацией до температуры на 30-50 ⁰С выше точки Ас_3.

а) б)

Рис. 2. Схема (а) и фотография (б) микроструктуры Видманштетта

Еще более высокий нагрев стали, при котором по границам зерна появляются участки оплавления и происходит их окисление, вызывает пережог стали. При пережоге излом стали становится камневидным и является неисправимым браком.

Изотермическое превращение аустенита. Мартенситное превращение.

Увеличивая скорость охлаждения или вводя легирующие элементы, можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, т.е. понизить температуру его превращения. От степени переохлаждения аустенита зависят механизм и кинетика превращения, структура и свойства продуктов превращения.

Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяют на перлитное, промежуточное бейнитное, мартенситное.

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше Ас₃ (для доэвтектоидной стали) или выше Аст (для заэвтектоидной стали), или выше А₁ (для эвтектоидной стали), переохлаждать до температуры ниже А₁ с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, то можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.

Рассмотрим превращение переохлажденного аустенита на примере эвтектоидной стали (0,8 % углерода). Во время охлаждения ниже критической температуры А_с1 происходит превращение его на почти чистое α-Fe и цементит.

А_{0,8 % С} → Ф_{0,02 % С} + Ц_{6,67 % С}

Процесс образования перлита – это процесс зарождения центров перлита и рост перлитных кристаллов. Этот процесс происходит во времени и может быть изображен в виде кинетической кривой превращения (рис. 3), показывающей количество перлита в зависимости от времени.

Рис. 3. Кинетическая кривая превращения аустенита в перлит

Начальный период характеризуется малой скоростью превращения и имеет инкубационный период 0а. Длительность инкубационного периода зависит от степени переохлаждения аустенита. При снижении температуры, т.е. увеличении степени переохлаждения, скорость превращения возрастает, а продолжительность инкубационного периода и продолжительность всего превращения сокращается.

Для изучения изотермического (при постоянной температуре) превращения аустенита образцы стали нагревают до стабильного аустенита, а затем переохлаждают аустенит до температур ниже А₁ (700, 600, 500 °С и т.д.) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита, фиксируя начало и окончание превращения.

Рис. 4. Построение диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (0,8 % углерода)

Пусть эти температурные значения будут t₁ > t₂ > t₃ (см. рис. 3), тогда построение диаграммы изотермического превращения аустенита будет выглядеть так, как показано на рис. 4. Горизонтальная линия Мн показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения, Мк – его окончание.

Превращения, которые совершаются при разных степенях переохлаждения выше и ниже пика С-образной диаграммы, отличаются по кинетике превращений и по форме продуктов распада. Условно они разделены на три зоны: перлитное, бейнитное и мартенситное превращения.

Перлитное превращение переохлажденного аустенита является диффузионным. В начале на границе аустенитного зерна образуется зародыш цементита. Объем вблизи его обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное γ→α превращение. Кристаллы феррита зарождаются на границе с цементитом. В результате происходит совместный рост кристаллов феррита и цементита, образуются так называемые перлитные колонии. Чем больше переохлаждение, тем мельче получается феррито-цементитная смесь и тем прочнее и тверже она становится.

При высоких температурах превращения 650 – 700 ⁰С и малых степенях переохлаждения получается грубая смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом. При более низких температурах 550 – 600 ⁰С и, следовательно, больших степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает и твердость продуктов повышается до 2500-3500 НВ (≈25 HRC). Перлит более тонкого строения получил название сорбит (англ. ученый Г.К. Сорби).

При еще более низкой температуре 550 ⁰С дисперсность феррито-цементитной смеси еще более увеличивается и получается структура, называемая троостит (франц. ученый А.Ж. Труст), с твердостью 3500-4500 НВ (≈35 HRC).

Таким образом, перлит, сорбит и троостит – это структуры с одинаковой природой (феррит + цементит), отличающиеся между собой степенью дисперсности частиц феррита и цементита.

Перлит может иметь зернистое и пластинчатое строение. Однородный аустенит образует пластинчатый перлит. Неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения превращается в зернистый перлит.

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях сначала выделяется избыточная фаза – феррит или избыточный цементит, в остальном все происходит как в эвтектоидной стали.

Мартенситное превращение аустенита происходит в том случае, когда аустенит переохлажден до низких температур, при которых исключена диффузия.

Мартенсит (по фамилии нем. ученого А. Мартенса) – упорядоченный перенасыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Мартенситное превращение состоит в перестройке γ-решетки в α-решетку без диффузии углерода. Г.В. Курдюмов дал очень понятное определение мартенситному превращению: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные».

Образовавшиеся кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы. Сдвиг атомов образует игольчатый микрорельеф на поверхности металлического шлифа. Поэтому мартенсит называют мелкоигольчатый, скрытокристаллический, реечный и т.д. в зависимости от исходной структуры аустенита. Аустенит и мартенсит имеют разную кристаллическую решетку и разный удельный объем, поэтому происходит рост упругих напряжений во всей детали. Это необходимо учитывать при их термической обработке, т.к. объем мартенсита больше объема аустенита.

Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку (рис. 5), параметры которой c и а зависят от количества растворенного в нем углерода. Твердость мартенсита будет тем больше, чем больше углерода в стали (табл. 1).

Таблица 7.1.

Твердость мартенсита в зависимости от содержания углерода

Твердость, НRС	40	48	55	59	62	65	66
Содержание, %, С	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0

Мартенситное превращение протекает в интервале температур от Мн до Мк.. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо сталь непрерывно охлаждать. Если охлаждение прекратить в интервале между Мн и Мк, то это приведет к стабилизации аустенита. В закалённой стали, имеющей точку Мк ниже +20⁰С, а именно в углеродистых сталях, содержащих более 0,5 – 0,6%С, или легированных, всегда присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температуры точек Мн и Мк, т.е. чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов.

Рис. 5. Тетрагональная кристаллическая решетка мартенсита

Температурное значение точек М_Н и М_К не зависит от скорости охлаждения, а обусловлено химическим составом стали. С повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали (кроме кобальта и алюминия) значения температур М_Н и М_К понижаются. Размеры кристаллов мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита.

Следует помнить, что мартенсит – это перенасыщенный твердый раствор внедрения, искусственно полученная неравновесная структура и при определенных условиях она может превращаться в более равновесные структуры. Для структуры мартенсита характерна высокая прочность, твердость, износостойкость, кроме того, она имеет наибольший удельный объем в сравнении с другими структурами.

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита протекает между перлитным и мартенситным превращением и сочетает в себе диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и бездиффузионное (сдвиговое) мартенситное превращение при перестройке кристаллической решетки γ-Fе→α-Fе. Бейнит (по имени американского металлурга Э. Бейна) представляет собой двухфазную структуру, состоящую из кристаллов феррита и цементита. Особенность этого превращения заключается в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму. Бейнит, образующийся при температуре 550-350 ⁰С называют верхним бейнитом, а образующийся при температуре 350-240 ⁰С – нижним бейнитом.