Теория конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 11

Термическая обработка стали

Термическая обработка - совокупность операций нагрева и охлаждения с целью изменить структуру и свойства сплава в нужном направлении.

Различают упрочняющую термическую обработку, при которой повышаются твердость, прочность и износостойкость, и разупрочняющую обработку, повышающую пластические свойства и вязкость, но снижающую твердость и сопротивление деформации и разрушению.

Для стальных изделий широко применяются оба варианта термической обработки.

Любую операцию термической обработки можно представить графически в виде кривой в координатах «температура - время», включающей участки нагрева, выдержки и охлаждения. Главные параметры, определяющие результат термической обработки, - температура нагрева tн, время выдержки в и скорость охлаждения vохл.:

Термическая обработка стали основана на фазовых превращениях, происходящих при нагреве ее выше критических температур и охлаждении с различными скоростями.

Превращения при нагреве стали

Температуры превращений, или критические точки, при нагреве стали принято обозначать:

· начало превращения феррита в аустенит (Fe Fe) - Ac1 (эти точки расположены на линии PSK);

· завершение превращения феррита в аустенит (Fe Fe) - Ac3 (эти точки лежат на линии GS);

· окончание растворения цементита в аустените - Accm (точки находятся на линии SE).

Точки A2 относятся к магнитному, а не фазовому превращению, которое мы здесь не рассматриваем.

Следует обратить внимание на то, что точки Ac3 и Accm - свои для каждой стали, а точка Ac1 - одна для всех углеродистых сталей: 727 С.

Обозначение критических точек буквой «A» происходит от французского слова «arreter» - «остановка» (площадка на кривой охлаждения). Индекс «c» означает первую букву французского слова «chauffer» - нагревать; при охлаждении стали те же самые точки обозначаются индексом «r» («refroidir» - охлаждать): Ar3, Ar1.



Рассмотрим превращения, происходящие при нагреве эвтектоидной стали (состав 1-1).

Нагрев от комнатной температуры до линии PSK не приводит к каким-либо изменениям структуры, она остается перлитной. При достижении температуры Ac1 = 727 С начинается превращение перлита в аустенит. В ферритных участках, на границах между ферритом и цементитом, возникают зародыши новой фазы - аустенита (позиция а на рисунке). Кристаллическая решетка железа перестраивается из кубической объемно-центрированной в кубическую гранецентрированную: Fe Fe. Стимул превращения - разница в свободной энергии новой и старой фазы: при повышенных температурах -железо обладает меньшим запасом свободной энергии и является равновесной фазой. Превращение идет по диффузионному механизму за счет присоединения все новых атомов железа к растущему кристаллу аустенита. Цементит постепенно растворяется в образовавшихся аустенитных зернах.

Для эвтектоидной стали Ac3 = Ac1 = 727 С, т. е. превращение начинается и заканчивается при одной и той же температуре. (Поступающая при нагреве энергия расходуется на образование новой поверхности раздела.)

Дальнейший нагрев от Ac3 до солидуса не приводит к фазовым превращениям, но с ростом температуры растет зерно аустенита (позиции б и в на рисунке). Это объясняется тем, что в крупнозернистой структуре поверхность границ зерен меньше, поэтому меньше и поверхностная энергия, т.е. крупнозернистая структура является термодинамически более стабильной. Одновременно за счет диффузии выравнивается содержание углерода в твердом растворе (сразу после превращения бывшие ферритные и цементитные участки сильно отличаются по концентрации углерода).

При нагреве доэвтектоидной стали (состав 2-2) в перлитных участках происходят те же самые превращения при температуре Ac1 = 727 С. Затем, при увеличении температуры до Ac3, избыточный феррит постепенно превращается в аустенит путем зарождения и роста зерен новой фазы. Дальнейший нагрев сопровождается выравниванием концентрации углерода за счет диффузии и ростом зерна аустенита.

При нагреве заэвтектоидной стали (состав 3-3) отличие одно: в интервале от Ac1 до Accm происходит растворение избыточного цементита в аустените.

Зерно аустенита и свойства стали

В каждой перлитной колонии зарождается несколько зерен аустенита, поэтому при нагреве происходит измельчение зерна. Но важно помнить, что нагрев до слишком высоких температур неизбежно приведет к его росту. При этом возможно возникновение двух видов дефектов:

а) Перегрев - укрупнение зерна аустенита выше балла, допустимого по условиям работы детали. Перегретая сталь имеет пониженную пластичность и ударную вязкость. Но этот брак можно исправить повторным нагревом до нормальных температур.

б) Пережог - окисление и оплавление границ зерен при температурах, близких к солидусу. Появление оксидов на границах аустенитного зерна - неисправимый брак, такая сталь имеет камневидный излом и очень высокую хрупкость. Ее отправляют на переплав.

Не во всех сталях рост зерна при нагреве идет с одинаковой скоростью. У сталей, раскисленных кремнием и марганцем, наблюдается очень быстрый рост зерна аустенита, их называют природно-крупнозернистыми. А стали, раскисленные еще и алюминием, являются природно-мелкозернистыми: до 1000-1100 С зерно в них почти не растет.

Величина зерна влияет на все механические свойства стали, но особенно сильно - на ударную вязкость KCU. Чем крупнее зерно аустенита перед закалкой, тем больше вероятность возникновения трещин при закалке. И в эксплуатации такая сталь будет менее надежной, чем мелкозернистая.

Величина зерна является одним из важнейших контрольных показателей качества термической обработки. Ее оценивают номером или баллом шкалы по ГОСТу металлографическим методом, сравнивая видимую в микроскопе структуру со стандартной шкалой.

Превращения аустенита при охлаждении

Диаграммы состояния строятся для равновесного, очень медленного охлаждения. Но в практике термообработки скорость охлаждения всегда конечна. С ростом скорости охлаждения увеличивается степень переохлаждения аустенита t, т. е. превращение аустенита начинается при температуре, все более низкой по сравнению с равновесной. Здесь наблюдается такая же закономерность, как и при кристаллизации.

От степени переохлаждения зависит не только скорость протекания, но и сам механизм превращения переохлажденного аустенита, а значит, структура и свойства его продуктов.

Как правило, охлаждение осуществляется непрерывно, но изучать кинетику превращения (протекание процесса во времени) удобнее в изотермических условиях (при постоянной температуре). Поэтому для каждой стали построена своя диаграмма изотермического превращения аустенита в координатах «температура - время». Ее еще называют С-образной диаграммой (по форме кривых). Построение ведется экспериментально, по изменению каких-либо свойств, обычно магнитных. С-образная диаграмма для эвтектоидной стали (0,8 % С):

Две кривые, напоминающие по форме букву «С», показывают начало (кривая a-a) и окончание (кривая b-b) превращения аустенита в другие структуры. Слева от линии a-a расположена область переохлажденного аустенита. Как видно из диаграммы, время существования аустенита при температурах ниже Ar1 различно и зависит от степени переохлаждения. Минимальная устойчивость аустенита проявляется при 550 С: время до начала превращения составляет всего 1 секунду. При 700 С это время равно 10 с, а при 300 С - уже 60 с. Справа от линии b-b - область продуктов превращения, равновесных при определенных температурах.

Диффузионное (перлитное) превращение переохлажденного аустенита. В диапазоне температур 727-550 С (область I) процесс распада аустенита идет диффузионным путем за счет перераспределения атомов углерода в твердом растворе. Естественные колебания содержания углерода в объеме каждого зерна аустенита происходят все время, но выше температуры A1 они не приводят к фазовым превращениям. Ниже критической точки A1 аустенит становится термодинамически неустойчивым. Поэтому, как только в зерне аустенита возникает участок с повышенной концентрацией углерода, в этом участке сразу же образуется кристаллик новой фазы - цементита. Как правило, это происходит на границах зерен, где зарождение и рост новой фазы облегчается повышенной дефектностью решетки. К растущему кристаллу цементита присоединяются атомы углерода из соседних областей, и в этих обедненных углеродом участках происходит полиморфное превращение
Fe Fe. Так появляются зародыши безуглеродистой фазы - феррита.

Растущий кристалл феррита отталкивает атомы углерода, которые не могут встроиться в его решетку, поэтому рядом с ним возникает область, обогащенная углеродом, и там образуется еще один кристалл цементита (позиция б на рисунке).

Образующиеся кристаллы феррита и цементита имеют пластинчатую форму и растут параллельно друг другу в обе стороны от границы зерна. Одновременно зарождаются перлитные колонии и в других участках зерна аустенита (позиция в). Диффузионное превращение продолжается до полного исчезновения исходной фазы - аустенита (позиция г). Коротко можно записать этот процесс следующим образом:

А0,8 Ф0,02 + Ц6,69, или А0,8 П0,8.

Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения аустенита и тем больше кристалликов новых фаз возникает в единице объема каждую секунду (как и при кристаллизации). Поэтому, чем ниже температура превращения аустенита в феррито-цементитную смесь, тем мельче пластинки этих равновесных фаз. Их величину оценивают средней суммарной толщиной соседних пластинок феррита и цементита, которую называют межпластиночным расстоянием:

Продукты перлитного превращения по величине зерна (или по дисперсности структуры) условно подразделяют на перлит, сорбит и троостит. Механические свойства зависят от величины зерна: твердость и прочность стали возрастает с измельчением продуктов диффузионного распада, а пластичность и вязкость - уменьшается. Оптимальное сочетание пластичности и вязкости имеет сорбит.

Поскольку в каждом зерне аустенита возникает несколько перлитных колоний, то очевидно, что при перлитном превращении тоже происходит измельчение зерна стали.

Продукты диффузионного превращения аустенита

Структура	Температура образования, С	Межпластиночное расстояние, мкм	Твердость, HB
перлит	670	0,5-0,7	170-230
сорбит	590-640	0,3-0,4	230-330
троостит	550-580	0,1-0,2	330-400

(Названия сорбит и троостит происходят от фамилий ученых Сорби и Труста, изучавших эти структуры.)

Бездиффузионное (мартенситное) превращение переохлажденного аустенита. С понижением температуры коэффициент диффузии углерода в железе уменьшается. При большой скорости охлаждения можно переохладить аустенит до такой температуры, когда диффузия практически не идет. Для эвтектоидной стали это примерно 250 С. Ниже 250 С, в области III, превращение переохлажденного аустенита происходит по бездиффузионному механизму.

Горизонтальные линии, ограничивающие эту область, обозначены на диаграмме Мн и Мк. Мн - температура начала, а Мк - температура окончания бездиффузионного превращения.

Чтобы переохладить аустенит до температуры Мн, нужно достичь скорости охлаждения, превышающей величину Vкр. Критическая скорость охлаждения Vкр - это минимальная скорость, при которой аустенит не распадается диффузионным путем на феррито-цементитную смесь. Геометрически - это касательная к кривой начала распада (к линии a-a).

Переохлажденный до точки Мн аустенит претерпевает полиморфное превращение Fe Fe, которое происходит бездиффузионно, т. е. не сопровождается перераспределением атомов углерода. Превращение развивается по сдвиговому механизму: за счет одновременного смещения всех атомов кристаллической решетки железа по определенным плоскостям на расстояние меньше межатомного. При этом меняется тип решетки, а соседние атомы так и остаются соседними. Весь углерод, растворенный в решетке -железа, остается после превращения в решетке -железа.

Образно можно представить разницу между диффузионным и бездиффузионным превращениями так. Если стоящим в строю солдатам командир скомандует: «Вольно! Разойдись!» - то каждый из них пойдет своим путем, независимо от остальных. Строй сломается, соседи, стоявшие рядом, окажутся далеко друг от друга. Это - диффузионное превращение. Если же команда была: «Два шага вперед! Нале-во!» - то все солдаты шагнут и повернутся одновременно. При этом весь строй сместится на новое место, но сохранится тот же самый порядок и соседи останутся соседями. Это - бездиффузионное превращение.

В результате бездиффузионного превращения гранецентрированная кубическая решетка аустенита перестраивается в объемно-центрированную. Но поскольку в этой решетке остается весь имеющийся в стали углерод (в данном случае 0,8 %), то каждая элементарная ячейка -железа искажается, вытягивается и из кубической становится тетрагональной. Мерой искажения решетки является так называемая тетрагональность - отношение высоты элементарной ячейки c к стороне основания a. Тетрагональность с/а возрастает при увеличении содержания углерода в твердом растворе.



Полученная таким образом структура представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в тетрагональной решетке -железа и называется мартенситом.

(Название дано в честь немецкого ученого А. Мартенса.)

Мартенситный кристалл имеет форму пластины, похожей на выпуклую линзу. Первая возникшая в зерне аустенита мартенситная пластина ограничена размерами этого зерна, следующие образующиеся пластины не пересекают друг друга и не переходят через границы зерен аустенита, т. е. имеют меньший размер. Очевидно, что при мартенситном превращении, как и при перлитном, тоже происходит измельчение зерна стали.

Мартенсит имеет очень высокую твердость: при содержании углерода 0,8 % она составляет 65 НRC (670 НВ), а относительное удлинение и ударная вязкость близки к нулю. Мартенсит является хрупкой структурой, пластически не деформируется и режущим инструментом не обрабатывается.

Высокая твердость мартенсита объясняется сильным упрочнением за счет одновременного действия всех четырех механизмов торможения движущихся дислокаций:

1) растворенными атомами углерода;

2) деформационным упрочнением при росте мартенситных кристаллов;

3) измельчением зерен;

4) дисперсными частицами цементита Fe3C.

Наибольший вклад в упрочнение дают искажения кристаллической решетки -железа внедренными атомами углерода. Отсюда следует, что твердость мартенсита будет тем больше, чем больше в нем углерода:

Содержание углерода в мартенсите, %	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0
Твердость, НRC	40	48	55	59	62	65	66

Пластины мартенсита образуются с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (5 км/с). Иногда возникает звуковой эффект. Характерная особенность мартенситного превращения: оно развивается только при непрерывном охлаждении до точки Мк. При увеличении содержания углерода температуры точек Мн и Мк понижаются, и мартенситное превращение смещается в область более низких температур:

Это означает, что в реальных условиях термической обработки весь мартенситный интервал не проходится: обычно охлаждение осуществляется до температуры цеха, т. е. до 20 С. Поэтому мартенситное превращение в сталях, содержащих более 0,6 % С, до конца не доходит, и в стали после закалки остается некоторое количество аустенита. Его называют остаточным аустенитом.

Количество остаточного аустенита в закаленной стали зависит от содержания в ней углерода и температуры охлаждающей среды. Оно может составлять несколько процентов у высокоуглеродистых сталей и несколько десятков процентов у легированных сталей.

Для того чтобы остаточный аустенит исчез, инструментальные (высокоуглеродистые) стали обрабатывают холодом.

Промежуточное (бейнитное) превращение переохлажденного аустенита. В диапазоне 500-250 С (область II на С-образной диаграмме) происходит промежуточное превращение, которое начинается с диффузионных процессов, а затем продолжается бездиффузионно, как мартенситное.

Промежуточное превращение начинается с диффузии углерода, в результате чего в аустените образуются участки, обогащенные и обедненные углеродом. Затем в бедных углеродом участках процесс развивается бездиффузионным путем, как при образовании мартенсита (поскольку температура начала мартенситного превращения Мн повышается с уменьшением содержания углерода в твердом растворе). В богатых же углеродом участках аустенита образуются мельчайшие кристаллики цементита.

В результате получается структура, представляющая собой тонкие иглы феррита (или малоуглеродистого мартенсита, так как содержание углерода в нем 0,1 %) и мелкие частицы цементита. Она называется бейнитом и имеет механические свойства, промежуточные между свойствами мартенсита и перлитных структур: 370-450 HB.

Превращения при нагреве мартенсита

Мартенсит является неравновесной структурой. Атомы углерода, внедренные в кристаллическую решетку -железа, создают внутренние напряжения. Каждый такой атом является точечным дефектом. Кроме того, в мартенсите велика плотность дислокаций (109-1012 см-2). Поэтому мартенсит обладает повышенным запасом внутренней энергии. При комнатной температуре он может сохраняться неограниченно долго, но как только нагрев придаст атомам углерода дополнительную энергию, необходимую для диффузии, начнется превращение мартенсита в более равновесные фазы.

При нагреве мартенсита углерод выделяется из -твердого раствора, образуя при этом цементит Fe3C. Мартенсит распадается на феррито-цементитную смесь. В зависимости от температуры и времени превращения могут возникнуть структуры сорбита и троостита. Строение их зернистое, а не пластинчатое, в отличие от сорбита и троостита, полученных при распаде переохлажденного аустенита:

Итак, при нагреве мартенсита идут следующие процессы:

1) снижение содержания углерода в мартенсите и образование цементита;

2) уменьшение внутренних напряжений;

3) рост частиц цементита;

4) превращение остаточного аустенита в мартенсит (важно для сталей с содержанием углерода 0,6 %, и особенно для легированных).

Лекция 12

Основные виды термообработки стали

Отжиг

Отжиг является разупрочняющей термической обработкой.

Отжигом I рода называют нагрев стали с неравновесной в результате предшествующей обработки структурой до (или ниже) температуры фазового превращения.

Обычно причиной появления неравновесной структуры является холодная обработка давлением или ускоренное охлаждение после горячей обработки. Температурный режим отжига I рода не связан с фазовыми превращениями в стали.

Цель: Перевести сталь в более устойчивое, равновесное состояние.

Пример: рекристаллизационный отжиг для снятия наклепа; смягчающий отжиг для улучшения обрабатываемости резанием (его еще называют низким).

Отжигом II рода называют нагрев стали выше температуры фазового превращения с последующим медленным охлаждением (вместе с печью).

Цель: Получить устойчивое, равновесное состояние (как на диаграмме).

Разновидности:

1) Полный отжиг доэвтектоидных (конструкционных) сталей выполняется с целью полной фазовой перекристаллизации.



Для этого сталь нагревают на 30-50 выше критической точки Ас3 (т.е. линии GS) и после небольшой выдержки медленно охлаждают. Практически детали охлаждаются вместе с печью со скоростью 30-100 С/ч:

При нагревании феррит и перлит доэвтектоидной стали превращаются в аустенит. Затем, при медленном охлаждении, распад аустенита происходит в верхней части С-образной диаграммы с образованием новых зерен феррита и перлита. Таким образом, если структура была дефектная (крупные зерна, зерна искаженной формы и т.п.), то при полном отжиге она исправляется, получается однородной и мелкозернистой. Сталь после отжига имеет хорошие пластические свойства и низкую твердость. Это обеспечивает хорошую обрабатываемость стали резанием и давлением.

Отжиг полностью снимает остаточные напряжения.

2) Неполный отжиг заэвтектоидных (инструментальных) сталей выполняется с целью получения структуры зернистого перлита. Для этого сталь нагревают на 30-50 выше критической точки Ас1 (т.е. линии PSK). Применяют несколько различных режимов:



В результате отжига цементитные пластины растворяются только отчасти, и при охлаждении получаются сферические, а не пластинчатые кристаллы цементита. Поэтому такой отжиг называют еще сфероидизирующим. Инструментальные стали со структурой зернистого перлита мягче и пластичнее, чем с пластинчатым перлитом. Этот способ отжига повышает обрабатываемость стали и улучшает ее структуру перед закалкой.

При неполном отжиге доэвтектоидной стали ферритная составляющая структуры не изменяется, так как феррит сохраняется при нагреве. Поэтому полного исправления структуры не происходит.

3) Диффузионный отжиг стальных отливок и поковок выполняют с целью устранения неоднородности литой или деформированной структуры. Устранение микроликвации достигается за счет диффузионных процессов. Поэтому, чтобы обеспечить высокую скорость диффузии, сталь нагревают до высоких температур в аустенитной области (близких к солидусу). Для сталей это чаще всего температуры 1000-1200 С. При этих температурах делается длительная выдержка (8-15 ч) и затем медленное охлаждение. Выравнивание состава стали улучшает механические свойства, особенно пластичность.



Температурные интервалы нагрева стали при отжиге:

Нормализация

Нормализация является разновидностью отжига II рода с ускоренным охлаждением.

Нормализация заключается в нагреве стали до температур на 50-70 выше линии GSE и в охлаждении на воздухе после небольшой выдержки. В этом случае при охлаждении распад аустенита происходит в верхней части С-образной диаграммы, но при несколько меньших температурах, чем при полном и неполном отжиге. Это связано с более быстрым охлаждением.

Поэтому при нормализации получается более мелкая перлитная структура, чем при полном отжиге. Может даже образоваться сорбит - более мелкая, чем перлит, феррито-цементитная смесь.

Для доэвтектоидных сталей нормализация часто заменяет полный отжиг как более производительная и экономичная операция.

После нормализации сталь тверже и прочнее, чем после полного отжига. Микроструктура тоже отличается от равновесной: феррит образует сетку вокруг участков перлита. (Кажется, что в стали больше углерода, чем есть на самом деле.)

Закалка

Закалка - это упрочняющая термическая обработка, которая таким образом изменяет структуру стали, чтобы максимально повысить твердость и прочность.

Закалка заключается в нагреве стали выше температуры фазового превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением (со скоростью больше критической).

Цель: получение неравновесной структуры - пересыщенного твердого раствора углерода в -железе - мартенсита. Практическая цель - получение максимальной твердости, возможной для данной марки стали.

Быстрое охлаждение при закалке необходимо, чтобы углерод не успел выделиться из твердого раствора - аустенита - и остался в решетке железа после охлаждения.

Чтобы закалить сталь, необходимо правильно выбрать температуру нагрева и скорость охлаждения. Эти два параметра являются определяющими при проведении закалки.

При выборе температуры нагрева действует следующее правило: доэвтектоидные стали нагреваются под закалку на 30-50 выше критической точки Ас3, а заэвтектоидные - на 30-50 выше точки Ас1. Небольшое превышение критической точки необходимо, так как в печах для термообработки неизбежны некоторые колебания температуры относительно заданного значения.

Почему закалочная температура выбирается для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей по-разному?

В структуре доэвтектоидных сталей ниже линии GS присутствует феррит. Если закалить сталь из этой температурной области, то аустенит превратится в твердый и прочный мартенсит, а феррит не изменится, так как он является равновесной фазой. Поскольку феррит очень мягкий, то его присутствие в закаленной стали снижает ее твердость. Цель закалки не будет достигнута. Поэтому необходим нагрев до более высоких температур (выше линии GS), где феррит уже отсутствует.

Закалка из однофазной (аустенитной) области, с температур выше Ас3, называется полной. Так закаливают доэвтектоидные (конструкционные) стали.

Для заэвтектоидных сталей такой высокий нагрев не требуется, так как выше точки А1, но ниже линии SE структура состоит из аустенита и цементита. При закалке из этой области аустенит превратится в мартенсит, а цементит сохранится, так как он является равновесной фазой. Наличие в закаленной стали такой твердой структурной составляющей полезно, потому что мелкие частицы цементита являются дополнительными препятствиями для движения дислокаций, повышают твердость и износостойкость.

Закалка из двухфазной области, где присутствуют аустенит и цементит, или аустенит и феррит, называтся неполной. Такой закалке подвергают заэвтектоидные (инструментальные) стали.

Критическая скорость охлаждения при закалке углеродистых сталей составляет не менее 400 С/c. Такая скорость достигается при охлаждении в воде или водных растворах солей (NaCl) и щелочей (NaOH), увеличивающих охлаждающую способность воды. При этом деталь необходимо энергично перемещать в закалочной жидкости, чтобы удалять с поверхности металла образующийся пар, который замедляет охлаждение. Для легированных сталей критическая скорость охлаждения значительно ниже, что позволяет применять более мягкие закалочные среды - минеральные масла или растворы полимеров.

Закалка является наиболее «жесткой» из всех операций термообработки, так как сталь испытывает резкое снижение температуры. При этом в деталях возникают большие внутренние напряжения. Они складываются из термических напряжений, возникающих из-за разности температур на поверхности и в сердцевине детали при быстром охлаждении, и структурных напряжений, образующихся за счет объемных изменений при мартенситном превращении.

Эти напряжения могут привести к деформации детали и даже образованию трещин. Особенно это опасно в отношении деталей сложной формы, имеющих концентраторы напряжений в виде проточек, отверстий, углов, галтелей и т. п.

По способу охлаждения можно также выделить разновидности закалки:

1) непрерывная закалка (закалка в одной среде) - кривая 1. Это наиболее простой способ, но при этом в детали появляются большие внутренние напряжения.

2) закалка в двух средах, или прерывистая закалка (кривая 2), заключается в том, что сталь быстро охлаждается в интервале температур 750-400 С, а затем деталь переносится в другую, более мягкую, охлаждающую среду, и в мартенситном интервале охлаждение происходит замедленно. Это приводит к уменьшению возникающих при закалке внутренних напряжений и снижает вероятность появления трещин. Примером такой закалки может быть процесс с охлаждением вначале в воде, а затем в масле.

3) ступенчатая закалка (кривая 3) производится погружением нагретой детали в жидкую среду с температурой на 20-30 выше точки Мн. При этом обеспечивается быстрое охлаждение стали в верхней области температур, а затем делается выдержка, во время которой температура по сечению детали выравнивается, и термические напряжения уменьшаются. Затем детали вынимаются из закалочной ванны, и дальнейшее охлаждение происходит в другой среде, чаще всего на воздухе или в масле. В этом случае мартенситное превращение происходит при медленном охлаждении, в условиях меньших внутренних напряжений. В качестве жидких сред для ступенчатой закалки используют расплавы щелочей, селитры, легкоплавких металлов.

4) Изотермическая закалка (кривая 4) существенно отличается от других способов. Здесь выдержка в охлаждающей среде при температуре бейнитного превращения продолжается до полного распада аустенита. Во всех предыдущих случаях при закалке происходит образование мартенситной структуры, а в этом случае - бейнита.

При изотермической закалке напряжения в детали минимальны, исключается образование трещин, деформации значительно меньше. Кроме того, у некоторых легированных сталей (пружинных, штамповых) этот способ закалки позволяет получать оптимальное сочетание прочности и пластичности.

Итак, ступенчатая и прерывистая закалка уменьшают закалочные напряжения, поскольку разница температур на поверхности и в центре детали уменьшается. Но из-за очень маленького периода существования переохлажденного аустенита в углеродистых сталях ступенчатую и изотермическую закалку чаще применяют для легированных сталей.

Возможные дефекты закалки:

а) перегрев - крупное зерно;

б) пережог - окисление границ зерен, очень крупное зерно;

в) недогрев - у доэвтектоидных сталей закалка из интервала Ас1-Ас3 приводит к двухфазной структуре (мартенсит + феррит) и низким механическим свойствам;

г) коробление и трещины - вызываются внутренними напряжениями. Удельный объем мартенсита больше удельного объема аустенита, что вызывает напряжения в структуре стали. Особенно это опасно для деталей сложной формы и при сложении структурных напряжений с термическими, возникшими из-за разности температур на поверхности и в центре детали.

Чтобы избежать коробления, тонкие изделия - пилы, ножовочные полотна, бритвы - охлаждают заневоленными в специальных закалочных прессах.

С технологией закалки тесно связаны два важных понятия.

Закаливаемость - это способность стали получать высокую твердость при закалке. Закаливаемость зависит от содержания углерода в стали и характеризуется максимальной возможной твердостью (HRC) для данной марки.

Прокаливаемость - это способность стали получать закаленный слой определенной глубины. Скорость охлаждения уменьшается от поверхности детали к центру, поэтому при большой толщине детали может оказаться, что в ее сердцевине скорость охлаждения меньше критической. В этом случае на мартенсит закалится только поверхностный слой детали, а сердцевина будет незакаленной, с мягкой феррито-перлитной структурой.

Для характеристики прокаливаемости стали в справочниках приводят величину критического диаметра. Критический диаметр - это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в конкретной охлаждающей среде.

Чем больше прокаливаемость стали, тем лучше. Углеродистая сталь при охлаждении в воде имеет критический диаметр всего 10-15 мм. Прокаливаемость стали зависит от содержания легирующих элементов, которые затрудняют диффузионный распад аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость охлаждения при закалке. Чем больше легирующих элементов в стали, тем выше ее прокаливаемость.

Отпуск

Закаленная сталь очень твердая, но она хрупкая, у нее низкая пластичность и большие внутренние напряжения. В таком состоянии изделие не работоспособно, не надежно в эксплуатации. Поэтому для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности после закалки всегда следует еще одна операция термической обработки, которая называется отпуск.

Отпуск - это нагрев закаленной стали до температур ниже критических с последующим охлаждением, обычно на воздухе.

Цель отпуска - создание требуемого комплекса эксплуатационных свойств стали, получение более устойчивой, чем после закалки, структуры, уменьшение внутренних напряжений.

Отпуск - последняя операция в технологической цепочке термообработки стали, поэтому полученная при отпуске структура должна обеспечивать свойства, необходимые при работе детали.

В процессе отпуска происходит распад мартенсита за счет выделения из него углерода, тем более полный, чем больше температура и время выдержки. Поэтому уменьшаются внутренние напряжения и плотность дислокаций. Остаточный аустенит при отпуске превращается в мартенсит.

По температуре нагрева отпуск подразделяется на 3 вида: низкий, средний и высокий.

· При низкотемпературном (или низком) отпуске (150-200 С) из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода в мартенсите остается.

Такая структура представляет собой малоуглеродистый мартенсит и очень мелкие карбидные частицы. Ее называют отпущенный мартенсит.

В результате низкого отпуска уменьшаются внутренние напряжения, немного увеличивается вязкость и пластичность, твердость почти не снижается. Детали могут работать в условиях, где необходима высокая твердость и износостойкость.

Низкий отпуск применяют для режущего и мерительного инструмента, деталей подшипников качения.

· Среднетемпературный (или средний) отпуск проводится при более высоких температурах - 300-450 С. При этом из мартенсита уже выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с очень мелкими, в виде иголочек, частицами цементита, которая называется трооститом отпуска.

Средний отпуск еще уменьшает внутренние напряжения, увеличивает вязкость, при этом прочность остается высокой, а предел текучести и предел выносливости достигают максимума. Такому отпуску подвергают рессоры, пружины и другие упругие элементы, а также штамповый инструмент.

· В интервале 500-650 С скорость диффузионных процессов уже настолько возрастает, что при распаде мартенсита образуется феррито-цементитная смесь с более крупными, сферической формы, зернами цементита. Такой отпуск называется высокотемпературным (или высоким); получаемая структура - сорбит отпуска.

В результате высокого отпуска сильно возрастают вязкость и пластичность стали, внутренние напряжения снимаются почти полностью, твердость и прочность снижаются, но все же остаются достаточно высокими.

Закалка с высоким отпуском называется термическим улучшением стали. Такой обработке подвергают детали машин, работающие в условиях знакопеременных и ударных нагрузок: валы, рычаги, шестерни и др.

Время выдержки при низком отпуске составляет от 1 до 10-15 часов, так как при таких низких температурах диффузия углерода идет медленно. Для среднего и высокого отпуска обычно достаточно 1-2 часа.

Изменение механических характеристик углеродистой стали при отпуске:

Итак, с повышением температуры и продолжительности отпуска увеличиваются пластические свойства стали, но снижаются ее твердость и прочность. В практике термической обработки стали режим отпуска назначают в соответствии с требуемыми свойствами, которые определяются условиями работы детали.

Поверхностное упрочнение

Для некоторых деталей при эксплуатации необходима высокая твердость и износостойкость поверхности в сочетании с хорошей вязкостью в сердцевине. Это касается деталей, работающих в условиях износа с одновременным действием динамических нагрузок (например, шестерни, пальцы, скрепляющие звенья трака гусеничных машин).

В таких случаях подвергают упрочнению не всю деталь, а только тонкий (несколько мм) поверхностный слой.

Поверхностная закалка - это нагрев до закалочных температур только поверхностного слоя детали с последующим быстрым охлаждением и образованием мартенситной структуры только в этом слое.

Осуществляют такую закалку быстрым нагревом поверхности, при котором сердцевина не успевает прогреваться за счет теплопроводности. При таком нагреве температура по сечению детали резко падает от поверхности к центру.

После охлаждения в сечении детали получаются три характерных зоны с разной структурой и свойствами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В зоне I после закалки получается мартенситная структура с максимальной твердостью, так как эта зона нагревалась выше критической температуры Ас3.

В зоне II после закалки в структуре, кроме мартенсита, будет присутствовать и феррит. Следовательно, твердость там будет ниже.

В зоне III нагрев и охлаждение не приводят к каким-либо изменениям структуры. Значит, здесь сохраняется исходная феррито-перлитная структура с низкой твердостью, но высокими пластическими свойствами.

После поверхностной закалки деталь может сопротивляться динамическим нагрузкам за счет вязкой сердцевины и хорошо работать в условиях износа благодаря твердой поверхности.

Быстрый нагрев поверхности, необходимый при такой технологии, осуществляется чаще всего индукционным способом (закалка ТВЧ). Деталь помещается в индуктор, подключенный к генератору тока высокой частоты. Переменное магнитное поле высокой частоты наводит в тонком поверхностном слое металла вихревые токи, и нагрев осуществляется за счет сопротивления металла протеканию этих токов. Немедленно после нагрева, который длится секунды, деталь помещают в спрейер для охлаждения.

Поверхностная закалка должна сопровождаться низким отпуском.

Чем выше частота внешнего переменного магнитного поля, тем тоньше слой, в котором сосредоточены вихревые токи. Поэтому глубина закаленного слоя может легко регулироваться и составляет от десятых долей миллиметра до 3-5 мм. Операцию закалки ТВЧ можно полностью автоматизировать. Способ очень производительный; коробление и окисление поверхности детали при этом минимально.

Иногда для поверхностной закалки используют и другие способы нагрева: газопламенный, лазерный, в расплавах солей, в электролитах.

Для такого способа термообработки созданы специально стали пониженной прокаливемости, например, 55ПП (0,55 % С и не более 0,5 % примесей).

Химико-термическая обработка стали (ХТО) - это диффузионное насыщение поверхности стальных деталей различными элементами с целью упрочнить поверхность и защитить металл от коррозии.

Существует много разновидностей ХТО, но в любом случае необходимо получить насыщающую атмосферу с высокой концентрацией активного элемента в атомарном виде. Атомы или ионы адсорбируются поверхностью металла, а затем за счет диффузии проникают вглубь. В результате образуется диффузионный слой, отличающийся от основного металла химическим составом, структурой и свойствами.

Разновидности ХТО:

1) Цементация - это насыщение поверхности стали углеродом. Применяется для низкоуглеродистых сталей (20, 20Х и т.д.).

Выполняется при высокой температуре - 930 С. Атомарный углерод получают при диссоциации метана: CH4 > 2H2 + C. Толщина науглероженного слоя составляет до 2 мм. Структура слоя - заэвтектоидная сталь (перлит и цементит).

Высокая прочность поверхности достигается после закалки и низкого отпуска цементованной детали. Твердость цементованного слоя составляет 62 HRC (или 750 HV); в сердцевине получается структура сорбита с твердостью 30-45 HRC.

Цементацию применяют для зубчатых колес, валов, пальцев.

2) Азотирование - это насыщение поверхности стали азотом. Применяется для легированных сталей (38Х2МЮА, 35ХЮА).

Выполняется при температуре 500-520 С. Атомарный азот получают при разложении аммиака: 2NH3 > 2N + 3H2. Толщина азотированного слоя - не более 0,6 мм. Структура слоя - нитриды железа Fe2N и легирующих элементов.

Азотирование является заключительной операцией, т. е. выполняется после механической обработки и закалки с отпуском. Твердость и износостойкость азотированного слоя еще выше, чем цементованного: до 1100 HV. Повышается также коррозионная стойкость. Недостаток: процесс очень длительный (десятки часов).

Применяется также ионное азотирование в тлеющем разряде.

Азотируют коленчатые валы, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания.

3) Нитроцементация - это одновременное насыщение поверхности стали углеродом и азотом. Применяется для сталей 18ХГТ, 25ХГТ.

Температура процесса ниже, чем при цементации - 850 С. Толщина диффузионного слоя 0,2-0,8 мм. Структура слоя - карбонитриды железа и легирующих элементов.

Закалка выполняется непосредственно из печи, где осуществлялась нитроцементация. Затем проводится низкий отпуск. Твердость нитроцементованного слоя составляет 58-62 HRC (до 700 HV). Твердость и износостойкость получаются промежуточными между цементацией и азотированием.

Нитроцементацию широко применяют для обработки деталей автомобилей и тракторов.

4) Диффузионная металлизация - это насыщение поверхности стали металлами, повышающими жаростойкость (алюминий) и коррозионную стойкость (хром).

Лекция 13

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

С двумя группами металлических конструкционных материалов Вы уже познакомились: это углеродистые стали и чугуны. Кроме углеродистых, существует очень большое разнообразие марок сталей легированных. Это объясняется тем, что сталь является уникальным материалом: она сочетает высокую жесткость (модуль упругости E = 2,1·105 МПа), статическую и циклическую прочность с достаточно высокой надежностью работы конструкций. Получать нужное сочетание механических свойств можно как за счет изменения состава стали (содержания углерода и легирующих элементов), так и путем термической и химико-термической обработки.

Другие конструкционные материалы (сплавы алюминия, магния, титана, меди, полимеры) уступают стали по жесткости, прочности, надежности.

Легированные стали

Слово «легирование» в переводе с латинского означает «улучшение». Легирующие элементы добавляют для повышения конструкционной прочности стали и придания ей особых эксплуатационных свойств.

Для металлоконструкций и деталей, работающих в тяжелых условиях нагружения, используют легированные стали, а не углеродистые.

В первую очередь стараются применять недорогие и недефицитные элементы, особенно для деталей массового изготовления. Это марганец, кремний, хром. Дополнительно стали легируют элементами, сдерживающими рост зерна: титаном, ванадием, бором. Но для особо ответственных деталей приходится применять гораздо более дорогие и дефицитные никель, молибден, вольфрам, ниобий и др.

По количеству легирующих элементов стали подразделяют на низколегированные (содержат не более 2,5 % легирующих элементов), легированные (содержание легирующих элементов от 2,5 до 10 %) и высоколегированные (более 10 % легирующих добавок).

В строительстве широко применяются низколегированные стали, в машиностроении - легированные. Высоколегированные стали имеют специальное назначение: коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и т. д.

сталь керамика легирующий композиционный

Влияние легирующих элементов на свойства стали

1. Основной структурной составляющей конструкционных сталей является феррит (до 90 %). Поэтому легирующие элементы должны в первую очередь упрочнять феррит. (Цементит в упрочнении не нуждается.) Максимальное упрочнение феррита создают кремний, марганец и никель. Эти элементы не образуют собственных карбидов, поэтому содержатся только в твердом растворе. Кремний к тому же растворяется по типу внедрения, что дает особенно эффективное упрочнение.

На пластичность легирующие элементы почти не влияют, но снижают ударную вязкость при добавлении их более 1 %. Отсюда следует, что легирование должно быть рациональным: добавлять нужно минимально необходимое количество каждого элемента, причем предпочтительно использовать комплекс легирующих элементов, а не какой-то один.

Влияние легирующих Влияние легирующих

элементов на твердость элементов на ударную

отожженной стали вязкость стали

2. Легирующие элементы повышают критические температуры стали, поэтому температурные интервалы термообработки для легированных сталей выше, чем для углеродистых сталей.

3. Легирующие элементы снижают критическую скорость охлаждения при закалке стали. Для распада аустенита углеродистой стали нужна диффузия углерода. Маленькие атомы углерода перемещаются в кристаллической решетке железа легко. А для распада аустенита легированной стали должна пройти диффузия легирующих элементов. Их атомы по размеру сравнимы с атомами железа, и диффузия идет медленнее. Переохлажденный аустенит оказывается устойчивее.

Углеродистая Низколегированная Высоколегированная Легированная

сталь (закалка сталь (закалка в масле) сталь (закалка на воз- Ni или Mn

в воде) духе) сталь (не закаливается)

Vкр3 << Vкр2 << Vкр1; сталь 4 - аустенитного класса, точка Mн < 0 °С.

Поэтому легированные стали можно закаливать с меньшей скоростью охлаждения, в более мягких средах. Это уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин.

4. Снижая критическую скорость охлаждения, легирующие элементы увеличивают прокаливаемость стали, особенно при комплексном легировании. Есть стали, которые прокаливаются в любом сечении. Поэтому для крупных ответственных деталей и для мелких деталей сложной формы применяют только легированные стали.

5. Легирующие элементы измельчают зерно стали. Это способствует увеличению прочности, пластичности, ударной вязкости, снижает порог хладноломкости. Десятые доли процента ванадия, титана, ниобия, циркония особенно сильно измельчают зерно, так как образуют трудно растворимые в аустените карбиды.

6. Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита к отпуску. После отпуска при одинаковой температуре легированные стали будут прочнее (легирующие элементы упрочняют феррит и образуют более мелкие карбидные частицы, чем цементит).

7. Легирующие элементы придают сталям особые физические и химические свойства: коррозионную стойкость, высокую упругость, износостойкость, способность не окисляться при нагреве, особые магнитные свойства и т.п.

Маркировка легированных сталей

В начале марки ставится число, указывающее содержание углерода в сотых долях процента. Затем идут буквы, обозначающие легирующие элементы. За каждой буквой следует цифра: содержание этого легирующего элемента в целых процентах. При содержании 1-1,5 % цифра не ставится. Буква «А» в конце марки означает пониженное содержание вредных примесей.

А - азот (в середине марки) К - кобальт Т - титан

Б - ниобий Н - никель Ф - ванадий

В - вольфрам М - молибден Х - хром

Г - марганец П - фосфор Ц - цирконий

Д - медь Р - бор Ч - редкоземельные эл.

Е - селен С - кремний Ю - алюминий

«А» в начале марки означает автоматную сталь (для скоростной обработки на станках-автоматах).

Строительные низколегированные стали

Эти стали содержат не более 0,22 % С и небольшое количество недефицитных легирующих элементов: Mn, Si, Cr, Ni, Cu, V, Ti. Никель и медь добавляют потому, что они понижают порог хладноломкости и увеличивают коррозионную стойкость.

Марки: 09Г2С, 14Г2, 15ГФ, 15ХСНД, 10ХНДП. Низкое содержание углерода необходимо для хорошей свариваемости. Они прочнее углеродистых сталей. Имеют низкий порог хладноломкости. Их применение позволяет экономить металл в строительных конструкциях.

Поставляют в виде листов и сортового фасонного проката, иногда в нормализованном состоянии.

Есть сталь 16Г2АФ - она содержит ванадий и азот, поэтому в ней образуется карбонитрид ванадия, что способствует сохранению очень мелкого зерна (11-12 балл) и низкому порогу хладноломкости.

Примеры применения:

Мосты для автотранспорта - 15ХСНД, 16Г2АФ; сварные резервуары и ёмкости - 10Г2С1, 12Г2СМФ; трубы большого диаметра - 17ГС в нормализованном состоянии, для менее ответственных труб применяют горячекатаную сталь.

Цементуемые стали

Содержат 0,15-0,25 % С, суммарное содержание легирующих элементов - не более 6-7 %.

После цементации, закалки и низкого отпуска цементованный слой должен иметь твердость 58-62 HRC, а сердцевина - 30-42 HRC.

Для мелких деталей простой формы применяют хромистые стали: 15Х, 20Х, 20ХФ. Они прочнее аналогичных углеродистых.

Для крупных, ответственных деталей, работающих с динамическими нагрузками, используют стали с никелем: 12ХН3А, 12Х2Н4А.

Сталь 18Х2Н4ВА прокаливается практически в любом сечении, при любой скорости охлаждения в ней получается мартенситная структура. Ее порог хладноломкости -80 С: выше этой температуры излом вязкий. Она предназначена для крупных тяжело нагруженных деталей (например, коленвал тепловозного двигателя).

Для средненагруженных зубчатых колес в автомобильной и тракторной промышленности, в станкостроении применяют стали 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ.

Улучшаемые стали

Это стали для очень широкого круга деталей: коленчатых валов, осей, штоков, шатунов, деталей турбин и компрессоров. Содержат 0,3-0,5 % С.

Термообработка: закалка с высоким отпуском. Структура - сорбит. Имеют высокий предел текучести, предел выносливости, ударную вязкость, сопротивление росту трещины. Механические свойства зависят от термообработки, особенно - от температуры отпуска.

Средненагруженные детали, работающие без больших динамических нагрузок, делают из сталей 30Х, 40Х, 50Х, 40ХФА.

Для ответственных сварных конструкций применяют хромансили - 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС. Они имеют высокую прочность и хорошую свариваемость.

Стали с никелем обладают высокой прокаливаемостью, пределом текучести и ударной вязкостью. Это 40ХН, 50ХН, 40ХН2МА. Они работают при динамических нагрузках, при отрицательных температурах. Из них делают валы и роторы турбин, детали компрессоров и редукторов.

Автоматные стали

Это стали для массового производства мелких неответственных деталей (крепеж и т. п.). Они позволяют проводить обработку резанием с большой скоростью, увеличить стойкость инструмента и повысить качество поверхности.

Стали А12, А20, А40Г содержат повышенное количество серы (до 0,3 %), фосфора (до 0,05 %), марганца. Дело в том, что сульфиды марганца способствуют образованию короткой и ломкой стружки и оказывают смазывающее действие на резец. Фосфор дополнительно увеличивает твердость и охрупчивает сталь. В массовом производстве важно, чтобы стружка была мелкой и сыпучей (стружка надлома, а не скалывания или сливная), поэтому пришлось пойти даже на ухудшение механических свойств стали.

Легируют автоматные стали также Pb (АС14), Se, Te, Ca, но все эти добавки понижают конструкционную прочность стали. Зато скорость резания увеличивается на 40 % при неизменной стойкости инструмента. Или можно увеличить стойкость в 2-7 раз при постоянной скорости резания.

Рессорно-пружинные стали

Они должны иметь высокий модуль упругости E, предел упругости уу и предел выносливости у-1. (Надо не забывать, что именно модуль упругости E = у/д определяет жесткость материала, его сопротивление упругой деформации.)

Рессорно-пружинные стали имеют повышенное содержание углерода по сравнению с другими конструкционными сталями: 0,5-0,7 %.

Термообработка: закалка и отпуск на троостит (420-500 С), либо изотермическая закалка на нижний бейнит.

Мелкие пружины делают из углеродистых сталей 65-85 и 60Г-70Г.

Более крупные пружины и рессоры (толщиной до 18 мм) - из сталей 55С2, 60С2, 70С3А.

Для ответственных пружин и рессор автомобилей применяют стали 50ХФА, 50ХГФА.

Для тяжелонагруженных, крупных, особо ответственных пружин - 60С2ХА и 60С2Н2А.

Выбор легирующих элементов: кремний упрочняет феррит, марганец увеличивает прокаливаемость, хром и ванадий уменьшают склонность к росту зерна при нагреве, никель позволяет работать в условиях динамических нагрузок.

Для повышения предела выносливости готовые пружины и рессорные листы наклепывают дробеструйной обработкой. В поверхностном слое создаются напряжения сжатия, что повышает у-1 в 1,5-2 раза.

Шарикоподшипниковые стали

Подшипники качения - ответственные детали станков, автомобилей, электродвигателей, определяющие их точность и производительность. Шарики или ролики, катясь по наружному и внутреннему кольцам, испытывают истирание и контактную усталость. Поэтому главные свойства шарикоподшипниковых сталей - высокая твердость, износостойкость и сопротивление контактной усталости.

...