Превращения в закаленной стали при нагреве после закалки. Отпуск стали. Обработка холодом.

Превращения в стали при нагреве. Наследственно мелкозернистые и крупнозернистые стали.

При нагреве до 727град. в стали превращений не происходит. Когда температура достигает 727град начинаются фазовые превращения. При этом должно произойти два процесса:

1. Ф_0,025 (ОЦК) → А_0,025 (ГЦК) – ПП(полиморфное превращение)

2. А_0,025 + Ц_6,67 → А_0,8 (растворение углерода в решетке)

А обр-ся в результате полиморфного превращения Ф. Т.к. в одной перлитной колонии может образоваться несколько зародышей А, неизбежно измельчение размеров зерна. По окончанию превращения полученный размер зерна называется начальным зерном аустенита. При дальнейшем росте температуры начинается рост аустенитного зерна. Рост, в зависимости от состава стали, может идти по-разному. Если в стали не содержатся нерастворимые примеси, то зерно начинает расти с самого начала, называется наследственно крупнозернистой. Если в стали содержатся нерастворенные примеси, то до какой-либо температуры они сдерживают рост зерна, а после их растворения зерно интенсивно растет – наследственно мелкозернистая. Зерно А, полученное в результате ТО называется действительным зерном А. Действительное зерно зависит от состава стали и температуры нагрева. Температура нагрева для доэвтектоидной стали при фазовой перекристаллизации определяется из расчета: А_С3+(30..50)град.С. для эвтектоидной и заэвтектоидной стали t определяется из сообношения: АС1+(50..70)град.С. Для доэвтектоидной и эвтектоидной стали эти температуры обеспечивают полную фазовую перекристаллизацию и называется полным отжигом. Для заэвтектоидной стали эта температура не обеспечивает полной фазовой перекристаллизации, т.к. в структуре присутствуют 2 фазы и такой вид обработки называют неполным отжигом. Полный отжиг для заэвтектоидных сталей не используется, т.к. при этом интенсивно растет зерно.

Превращения в стали при охлаждении. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита.

(распад аустенита)

сущность заключается в том, что при переходе через линию Аr1 образуется почти чистое железо и цементит.

А_0,8 → Ф_0,025 + Ц_6,67

Процесс осуществляется с помощью двух реакций:

1. А_0,8 → А_0,025+Ц_6,67

2. А_0,0025 → Ф_0,025

выделение угрерода из аустенита – процесс диффузионный и представляет собой процесс зарождения центров Ц и их последующего роста. Образование цементитных пластинок способствует образованию ферритной пластинки, т.к. соседние области обедняются углеродом. В результате из одного аустенитного зерна образуются несколько ферритных колоний, следовательно, размеры зерен уменьшаются.

Превращение аустенита в перлит можно изобразить в виде кинетической кривой превращения:

а-начало превращения, оа-инкубационный период 1-1,5%, в-конец превращения, ∆Т-const для строго определенной степени переохлаждения. Если взять различные степени переохлаждения и определить для каждой из них точки а и в то получим так называемые С-образные кривые превращения. (а1,в1 – для одной степени переохлаждения,а2,в2 – для другой). Различные степени переохлаждения получаются в зависимости от скорости переохлаждения, следовательно, получаются различные структуры распада. При скорости охлаждения 1-2град в мин.степень переохлаждения составляет 10-15град., такая скорость обеспечивается при охлаждении вместе с печью. При этом распад А происходит при t=700град., полученная структура называется пластинчатым перлитом, а обработка – отжигом. Сталь со структурой перлита имеет хорошую пластичность и низкую твердость. HB=180-200. Охлаждение со скоростью 1 град/сек дает степень переохлаждения 100-150град. Такую скорость обеспечивает охлаждение на воздухе. В результате получается более мелкий (дисперсный) перлит, называемый сорбитом. Твердость сорбита более высокая (НВ=250-280), такая термообработка называется нормализацией.

Охлаждение со скоростью 100-150 град/с обеспечивает степень переохлаждения 250-300град. в результате получаеца очень дисперсный перлит, называемый трооститом. (НВ=400-450). Такая ТО называется одинарной. При охлаждении можно достичь таких скоростей, когда превращения аустенита не происходит, т.е. А распадается на Ф и Ц. скорость охлаждения, когда кривая охлаждения касается С-образной кривой называется критической скоростью, в этом случае превращения А в П не происходит. Такая скорость обеспечивается при охлаждении в воде, степень переохлаждения больше 200град, а скорость охлаждения 300-500 град/сек. При этой степени переохлаждения скорость диффузии углерода в А очень мала, но ГЦК неустойчива и начинаются полиморфные превращения А без выделения углерода. При этом начинается бездиффузионное превращение аустенита в новую фазу – мартенсит.

А0,8%(ГЦК)→М0,8%(ОЦК)

Т.к. превращение бездиффузионное, углерод не успевает выделиться, возникают внутренние напряжения, повышается твердость. Особенности перехода А в М: 1. не сопровождается изменением состава, бездиффузионный. 2. кристалл.решетка обр-ся мартенсита закономерно ориетированна к крист.решетке аустенита. 3.решетка тетрагональная. 4. кристаллы М имеют пластинчатую форму и образуются почти мгновенно.

превращения в закаленной стали при нагреве после закалки. Отпуск стали. Обработка холодом.

При нагреве до t=80гр.,при t ниже 80гр.превращения происходят медленно. Суть превращений при нагреве закаленной стали. При температуре 120-200град. начинается распад аустенита, заключающийся в том, что в отдельных участках образуются карбиды – пластиночки толщиной в несколько анстрем, диаметром порядка 100 анстрем. Решетка карбида когерентно связана с решеткой мартенсита. Решетка стабильна. Часть углерода уходит в метастабильный карбид, степень тетрогональности решетки ниже, твердость ниже на несколько единиц – мартенсит отпущенный (мартенсит отпуска). Такой отпуск – низкий. Низкому отпуску подвергаются все режущие инструменты. Нагреваем дальше. При температуре порядка 250 град.аустенит остаточный превращается в мартенсит. Твердость и размеры выше. Греем дальше. При температуре 350-400 Fe_2,3C превращается в Fe₃C – карбид железа. Структура становится двухфазной, состоит из Fe₃C – мелких частиц и феррита. Такой отпуск называется средним, ему подвергаются все упругие элементы. Греем дальше. При температуре 550-600град. размеры частиц цементита увеличиваются, но остаются круглыми. Полученная структура называется сорбит отпуска, отпуск – высокий. Такому отпуску подвергаются все детали, воспринимающие ударные нагрузки: зубчатые колеса, валы и т.д., т.к. при этом заметно повышается ударная вязкость. Сочетание закалки с последующим высоким отпуском называется термоулучшением, структура – сорбит отпуска. Отличие сорбита отпуска от сорбита закалки заключается в том, что в сорбите отпуска цементит зернистый, а в сорбите закалки он – пластинчатый, хотя твердость их отличается незначительно. При дальнейшем нагреве сорбит превращается в перлит.

Таким образом, отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже А_С1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью.

Обработка стали холодом. В закаленной стали особенно с содержанием углерода более 0,4-0,5% всегда присутствует остаточный аустенит, который понижает твердость, износостойкость. Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали используют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температур ниже 0. Понижение температур до -30 - -70град. для большинства сталей вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит, что повышает твердость. Но т.к. одновременно возрастают напряжения, то изделия охлаждают медленно и сразу после обработки холодом выполняют отпуск. Обработку холодом используют для измерительных инструментов, пружин и деталей из цементируемых высоколегированных сталей, сохраняющих много аустенита после закалки.