Перетворення сталі при охолодженні

Якщо нагріту до аустенітного стану сталь охолоджувати, то аустеніт бу­де перетворюватися з утворенням різних мікроструктур. Порівняно невисокі швидкості охолодження призводять до утворення ферито-цементитних сумі­шей, більші швидкості — до утворення пересичених твердих розчинів. При цьому властивості сталі будуть істотно розрізнятись між собою.

В результаті охолодження сталі з дуже великою швидкістю і перетво­рення у-заліза в а-залізо без змін концентрації вуглецю (бездифузійний про­цес) утвориться структура загартованої сталі — мартенсит.

Мартенсит — це кристалічна структура твердого пересиченого роз­чину проникнення вуглецю в а-залізі. Значне пересичення твердого розчину вуглецем створює більші внутрішні напруження і призводить до одержання центрованих тетрагональних решіток з параметрами а и с (рис. 3.6), де атом вуглецю перебуває в центрі грані основи тетрагональної призми. Від­ношення с/а характеризує ступінь тетрагональності мартенситу. Параметри а й с тісно пов'язані із вмістом вуглецю в мартенситі.

Мартенситне перетворення здійснюється шляхом орієнтованого перемі­щення атомів основних кристалічних решіток, що призводить до перебудови гранецентрованої решітки у-заліза в об'ємноцентровану а-заліза. Воно, як і ферито-перлітне перетворення, є фазовим і підкоряється всім законам фазо­вого перетворення. Причиною мартенситного, як і фазового перетворення, є прагнення системи (аустеніту), що має більшу вільну енергію, перейти до си­стеми (мартенситу), що має менше значення вільної енергії (див. рис. 3.1) в області температур перетворення від точки М_п до точки М_к(див. рис. 3.7). У цих умовах переміщення атомів дуже ускладнюється і процес стає бездифу-зійним. Однак для здійснення мартенситного перетворення в сталі її охоло­дження необхідно проводити зі швидкістю не нижче критичної.

Критична швидкість гартування У_к — це найменша швидкість пере­охолодження аустеніту в зону мартенситного перетворення сталі, при якій не можуть відбуватися дифузійні процеси, а перетворення іде з утворенням тільки мартенситної структури. Ця швидкість для кожної марки сталі різна. Вона визначається за діаграмою ізотермічного перетворення аустеніту.

На величину критичної швидкості впливає, головним чином, хімічний склад аустеніту (рис. 3.8), однорідність системи й розмір аустенітних зерен.

Легуючі елементи, що збільшують стійкість переохолодженого аустені­ту, а також збільшення однорідності системи й розміру зерна аустеніту зни­жують критичну швидкість охолодження сталі.

Карбіди або неметалічні включення (сульфіди), які зменшують стійкість аустеніту, сприяють збільшенню критичної швидкості охолодження.

Таким чином, перетворення аустеніту в мартенсит має ряд особливос­тей, основними з яких є наступні:

а) перебудова решітки Ре_у ГЦК у решітку Ре_а ОЦК відбувається за
зсувовим механізмом без виділення вуглецю із решіток а-заліза;

б) мартенситне перетворення протікає в інтервалі температур М_п і М_к, які
залежать від вмісту вуглецю в сталі;

в) у точці М_к перетворення практично зупиняється і не доходить до
кінця, що призводить до того, що в загартованій сталі крім мартенситу
зберігається залишковий аустеніт;

г) дуже високі швидкості росту (до 1000 м/с) мартенситних кристалів;

д) необоротність мартенситного перетворення (М— >А при нагріванні не від­
бувається), тому що нагрівання мартенситу приводить до утворення ферито-
цементитних сумішей;

є) структура мартенситу має характерну голчасту будову, однак голки явля­ють собою поперечний переріз пластин;

ж) величина мартенситних кристалів залежить від величини зерна аус­теніту: із дрібнозернистого аустеніту утвориться дрібноголчастий мартен­сит, із грубозернистого — крупноголчастий.

Залишковий аустеніт у результаті релаксації напруг піддається стабілі­зації, тобто стає більш стійким у порівнянні з первісним станом. У цьому випадку для повного перетворення аустеніту в мартенсит необхідно сталь піддати охолодженню в області мінусових температур, тобто піддати обро­бці холодом.

Мартенсит має високу твердість і міцність, низьку пластичність й у порівнянні з іншими структурами, має найбільший питомий об'єм.

Висока твердість мартенситу обумовлюється наявністю в а-решітках великої кількості дислокацій й інших дефектів кристалічної будови.

Низька пластичність, як вважають, пов'язана з утворенням атмосфер Коттрелла з атомів вуглецю на дефектах решітки мартенситу.

Збільшення питомого об'єму мартенситу викликано перенесенням твердого а-розчину вуглецем. Це призводить до появи більших внутрішніх напружень, які є причиною деформації загартованих деталей і появи в них тріщин.

 

16. Перетворення в загартованій сталі при нагріванні. Відпуск та старіння.

При нагріванні сіалі відбуваються перетворення мартенсит}' і залишко­вого аустеніту.

Залежно від температури нагрівання умовно можна виділити чотири перетворення: перше відбувається в інтервалі температур 80-200°С. друге — при температурах 200-300°С третє — при 300-400°С и четверте — при температурах вище 400°С.

У таблиці позначено: М — мартенсит, Ф — ферит, М_вш — мартенсит відпущений, А_зал — аустеніт залишковий, Ре₂С — є-карбід.

З табл.3.1 видно, що в результаті першого перетворення структура за­гартованої сталі складається з так названого відпущеного мартенситу мета­стабільного є-карбіду Ре₂С, що виділився з нього, а також залишкового аус­теніту, який не зазнав змін.

В результаті другого перетворення залишковий аустеніт перетворюється в перенасичений а-розчин фериту і цементиту, тобто перетворення закін­чується повним виділенням з розчину цементиту й утворенням кубічного мартенситу.

Третє перетворення закінчується утворенням ферито-цементитної суміші.

Коагуляція часток цементиту відбувається при подальшому нагріванні вище 400°С, при так названому, четвертому перетворенні. Зазначені в табли­ці температурні інтервали для кожної марки сталі різні й можуть зміщатися в більшу або меншу сторону.

Відпуск сталі: Процеси перетворення мартенситу і залишкового аустеніту при нагрі­ванні називаються відпуском загартованої сталі. Відпуск залежно від одер­жаної мікроструктури називають низьким, середнім або високим.

Після низького відпуску (120-250°С) у загартованій сталі зберігається мікроструктура мартенситу. Після середнього відпускання (350-500°С) утво­риться тростит відпуску, після високого (500-б50°С) — сорбіт відпуску. Останні дві структури (тростит і сорбіт) розрізняються лише за ступенем ди­сперсності цементитних часток і механічних властивостей.

У ферито-цементитних сумішах, які утворюються при розпаді переохо­лодженого аустеніту, цементит має пластинчасту форму, а при розпаді мар­тенситу — зернисту.

Відпуск є кінцевий вид термічної обробки, який призначається для ство­рення в сталі певної структури в цілях отримання заданих якостей.

Таким чином, відпуском називають технологічний процес термічної обробки, який полягає в нагріванні загартованої сталі до певної температури, яка не перевищуює точки Ас_ь витримці при ній і подальшим охолодженням до кімнатної температури.

Низький відпуск проводять шляхом нагрівання загартованої сталі до те­мператури 120-250°С. При даних температурах утворюється структура від­пущеного мартенситу, дещо знімаються внутрішні напруження і зберігається властива мартенситу висока твердість. Цьому відпуску підлягають деталі, які працюють в умовах тертя і зносу, цементовані (шестерні, вали коробок пере­дач, диски фрикційних механізмів та ін.), а також ріжучі і вимірювальні ін­струменти. Температура відпуску вибирається у вказаних рамках в залежнос­ті від призначення виробу. Наприклад, ріжучий і вимірювальний інструмент в цілях збереження високої твердості і зносостійкості відпускають при тем­пературах

150-200°С. Цементовані вироби, твердість яких повинна бути в рамках НКС 50-60, відпускають при температурах 200-220°С.

Інколи на виробництві, особливо інструментальному, використовують гартування з самовідпуском. Температуру самовідпуску в цьому випадку ви­значають по кольорам побіжалості, які представляють собою кольори тонкої плівки окисла, яка утворюється при температурах: 220°С — світло-жовтий; 255°С — коричневий; 285°С — фіолетовий; 295-3І0°С -темно-синій; 330°С — темно-сірий. З підвищенням температури відпуску збільшується товщина оксидної плівки і змінюється її забарвлення.

Середній відпуск проводять шляхом нагрівання загартованої сталі до температури 350-500°С. В результаті середнього відпуску сталь набуває структури троститу відпуску, твердість помітно знижується, при цьому збері­гається висока міцність і пружність сталі. Такому відпуску підлягають пру­жини, ресори, торсіонні та інші пружинні елементи. Середній відпуск здійс­нюється в електричних печах чи в розплавах солей.

Високий відпуск проводять при температурах 500-650°С. При цьому сталі набувають структуру сорбіту відпуску, яка поєднує високу в'язкість і пластичність з достатньо високою твердістю і міцністю. При високому відпу­ску майже повністю знімаються внутрішні напруження. Високий відпуск ви­користовується для деталей, які працюють при великих ударних і знакозмін-них навантаженнях (шатуни, поршні і силові шпильки двигунів).

Термічна обробка, яка складається з гартування і подальшого високого відпуску з метою отримання мікроструктури сорбіту відпуску, в техніці отримала назву покращення. Покращенню піддають середньовуглецеві (0,3-0,6%С) конструкційні і леговані сталі, від яких вимагають високої межі теку­чості о_т, межі міцності а_в, ударної в'язкості а„.

Для деяких сталей, які містять леговані елементи Сг, \У, V, Мо, темпера­турні інтервали розпаду мартенситу зміщуються в бік підвищення темпера­тури, тому і вказані інтервали для різних видів відпуску також зміщуються вгору.

Старіння сталі

Розпад пересиченого а-розчину низьковуглецевої сталі, що протікає в часі і обумовлює зміну властивостей, називається старінням.

У низьковуглецевих сталях при швидкому охолодженні процес виділен­ня третинного цементиту (відповідно до лінії Р(3) затримується. Це призво­дить до одержання при нормальній температурі пересиченого вуглецем фе­риту. Отже, твердий розчин є метастабільним і буде прагнути до зменшення своєї внутрішньої енергії шляхом розпаду.

Відомо 3 види старіння: старіння загартованої, низьковуглецевої і дефо­рмованої сталі.

Процеси, що відбуваються в сталі при кімнатній температурі, називають природним старінням, при підвищених температурах — штучним.

Штучне старіння загартованих сталей відбувається при температурах 50-150°С, деформованих — при температурах 200-350°С протягом декількох хвилин.

При старінні термічно-оброблених сталей, як вважається, відбуваються процеси виділення третинного цементиту у вигляді дисперсних частинок або нітридів Ре₄Н або Ре₆И₂. Ці частинки, створюють атмосфери Коттрелла, ускладнюють рух дислокацій, що призводить до підвищення твердості сталі. Одночасно знижується ударна в'язкість і підвищується поріг холодноламкос­ті сталі.

Старіння деформованої сталі розвивається протягом 15-16 діб, при 20°С, та протягом декількох хвилин при 200-350°С. Воно пов'язано не з виділен­ням надлишкової фази з пересиченого твердого розчину, а тільки з перероз­поділом атомів у решітках розчину. В результаті спотворень, при холодній деформації в решітках фериту, виникають області стиску й розтягнення. Атоми вуглецю, що перебувають у розчині, при нагріванні або навіть при кі­мнатній температурі переміщаються в області стиску, а атоми заліза — у роз­тягнуті місця. Скупчення вуглецю, утворюючи атмосфери Коттрелла навколо дислокацій, впливають на механічні властивості так само, як дисперсні виді­лення цементиту при термічно-обробленій сталі.

Старіння негативно позначається на експлуатаційних і технологічних властивостях багатьох сталей, викликає руйнування конструкції після зварю­вання, згинання, а також погіршує штамповку сталей. Для зменшення схиль­ності сталі до старіння її легують алюмінієм, титаном, або ванадієм.