Цель работы: изучение влияния легирующих элементов на термическую обработку сталей.
7.1 Общие положения
Закалка. Закалкойназывается такой вид термической обработки, который заключается в нагреве на 30 – 50 ºС выше точки Ас3 или Ас1, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью, как правило, выше критической V к (рисунок 7.1).
При охлаждении со скоростью выше критической аустенит переохлаждается ниже температуры точки Мн, при которой атомы железа и углерода практически теряют диффузионную подвижность, и происходит бездиффузионная перестройка гранецентрированной решетки аустенита в тетрагональную объёмно-центрированную решетку мартенсита. При этом весь углерод остается в твердом растворе Fеg(С) ® Fеa(С). Таким образом, мартенсит является пересыщенным твердым раствором углерода в a -железе.
В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку. Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке (рисунок 7.2).
| Рисунок 7.1 – Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали | Рисунок 7.2 – Диаграмма Fe–Fe3C |
Оптимальным является нагрев на 30–50 оС выше точки Ас3. В качестве охлаждающей среды для углеродистых сталей применяют воду. В результате такой обработки получается структура мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита. Мартенсит имеет игольчатое строение. Размер игл мартенсита определяется величиной исходного зерна аустенита. Чем больше зерно аустенита, тем крупнее размер игл образовавшегося мартенсита. При нормальной закалке образуется мелкоигольчатый мартенсит. Если сталь нагревать под закалку до температур, значительно превышающих точку Ас3, а затем охладить в воде, то получится структура крупнозернистого мартенсита. В доэвтектоидной стали (0,4 % углерода) структура крупнозернистого мартенсита образуется при нагреве до 1000 ºС. Нормальная температура закалки этой стали равна 860 ºС. Сталь со структурой крупноигольчатого мартенсита обладает повышенной хрупкостью. При закалке сталей с высоким содержанием углерода после охлаждения структура состоит из мартенсита и некоторого количества остаточного аустенита в связи с тем, что в таком (высокоуглеродистом) аустените конец мартенситного превращения (рисунок 7.3, точка Мк) сдвигается в область отрицательных температур. Согласно этой схеме после закалки сталей с содержанием углерода более 0,5 % в структуре всегда будет присутствовать остаточный аустенит (см. точку пересечения линий конца мартенситного превращения Мк и температуры охлаждающей жидкости). Остаточный аустенит ухудшает свойства закаленной стали.
|
|
|
Рисунок 7.3 – Изменение температурного интервала мартенситного превращения в зависимости от содержания углерода в аустените
При скорости охлаждения стали меньше критической, например, V2, V3 (см. рисунок 7.1), аустенит распадается с образованием смеси частиц феррита и цементита, называемой сорбитом или трооститом. Эти структуры отличаются друг от друга величиной зерен (степенью дисперсности) цементита. Наиболее дисперсная структура у троостита. Ферритоцементитные смеси, образующиеся при охлаждении аустенита, имеют пластинчатое строение.
При скорости охлаждения, равной V4 (см. рисунок 7.1), структура стали будет состоять из троостита и мартенсита. Как следует из диаграммы, в этом случае при охлаждении ниже точки а 1 аустенит частично превращается в троостит. Оставшийся аустенит ниже точки в 1 превратится в мартенсит. При закалке в масле сталь 40 будет иметь структуру, состоящую из троостита и мартенсита. Металлографически троостит выявляется в виде темных участков по границам зерен, светлые участки представляют собой мартенсит.
В случае нагрева под неполную закалку (выше Ас1, но ниже Ас3) доэвтектоидная сталь имеет структуру аустенита и феррита, а заэвтектоидная – аустенита и вторичного цементита. При охлаждении со скоростью больше критической аустенит превращается в мартенсит, а феррит в доэвтектоидной стали и вторичный цементит в заэвтектоидной не претерпевают фазовых превращений. Количество избыточных фаз (феррита или цементита) зависит от температуры закалки. Чем ближе температура нагрева к точке Ас3, тем меньше в структуре закаленной стали избыточных фаз.
Заэвтектоидные стали подвергаются неполной закалке. Наличие в структуре закаленных заэвтектоидных сталей вторичного цементита повышает твердость и износостойкость инструмента, изготавливаемого из этих сталей. При полной закалке заэвтектоидных сталей в результате более высокого нагрева сталь получает структуру крупноигольчатого мартенсита с повышенным содержанием остаточного аустенита. Механические свойства при этом снижаются. Неполная закалка для доэвтектоидных сталей не рекомендуется, так как имеющийся в этом случае, наряду с мартенситом, феррит приводит к снижению твердости и прочности материала.
Высокая твердость и прочность мартенсита объясняются искажением решетки вследствие образования пересыщенного твердого раствора.
Отпуск. После закалки сталь подвергают отпуску. Под отпуском понимается совокупность операций, заключающихся в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас1, выдержке и охлаждении до комнатной температуры. Практическими целями отпуска являются уменьшение закалочных напряжений, получение нужного комплекса механических свойств (прочности, пластичности и вязкости).
Отпуск приводит к снижению твердости, прочности и повышению пластичности. Причем влияние на указанные свойства тем больше, чем выше температура отпуска. В зависимости от температуры нагрева различают три разновидности отпуска: низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск проводят путем нагрева закаленной стали до 200 оС. При этом образуется структура отпущенного мартенсита, который представляет собой пересыщенный раствор углерода в a-железе и когерентно связанного с ним e-карбида. Низкий отпуск частично снимает внутренние напряжения и несколько повышает вязкость. Твердость при этом практически не снижается (55–60 НRС). Такой отпуск наиболее часто применяется при термической обработке инструментальных сталей и изделий после цементации.
При среднем отпуске нагрев закаленной стали производится до температур 350–450 ºС, при этом образуется структура троостита отпуска. Троостит отпуска состоит из дисперсных частиц феррита и цементита. Сталь со структурой троостита отпуска имеет высокий предел упругости. Поэтому средний отпуск обычно применяют при термической обработке рессор и пружин. Твердость троостита составляет около 40 НRС.
При высоком отпуске нагрев закаленной стали производится до температур 500–650 ºС; образуется структура – сорбит отпуска, представляющий собой смесь укрупненных частиц феррита и цементита округлой формы. Сорбит отпуска имеет хорошее сочетание свойств: прочность, пластичность и вязкость. Твердость сорбита составляет около 25 НRС. Закалка стали с последующим высоким отпуском на сорбит носит название термического улучшения. Эта обработка рекомендуется для среднеуглеродистых конструкционных сталей.
Особенности термической обработки легированных сталей
Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими. Стали, в которые для получения требуемых свойств вводят легирующие элементы, – легированными. Большинство легирующих элементов растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов – феррите, аустените, цементите или образуют специальные карбиды.
Элементы, растворимые в железе, изменяют температурный интервал существования его аллотропических модификаций, т. е. сдвигают критические точки А3 и А4 по температурной шкале.
Марганец и никель повышают точку А4 и снижают А3, расширяя аустенитную область. Хром, молибден, вольфрам, ванадий, кремний, алюминий и др. повышают точки А1, А3 и снижают А4, сужая аустенитную область и расширяя ферритную. При определенной концентрации элементов первой группы (в первую очередь никеля и марганца) температура начала мартенситного превращения снижается до зоны отрицательных температур и после закалки аустенитное состояние существует устойчиво при комнатной температуре. Такие сплавы называются аустенитными. При высоком содержании элементов второй группы образуются ферритные сплавы.
По отношению к углероду легирующие элементы делятся на две группы – карбидообразующие и некарбидообразующие. Никель, кобальт, медь, кремний относятся к некарбидообразующим элементам; марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан, цирконий – к карбидообразующим. Карбиды в сталях делятся на две группы. К первой группе относятся карбиды со сложной кристаллической решеткой – Ме3С, Ме26С6, Ме6С (например, цементит); ко второй – карбиды типа МеС и Ме2С с простой кристаллической решеткой. Карбиды первой группы при нагреве легко растворяются в аустените, а второй – трудно, поэтому при нагреве под закалку они задерживают диффузионные процессы и тормозят рост зерна аустенита (измельчают зерно).
Легирующие элементы замедляют диффузионные процессы и снижают скорость распада аустенита, что способствует переохлаждению его до интервала мартенситного превращения при более медленном охлаждении (возможно охлаждение в масле или на воздухе). При этом снижается критическая скорость закалки и увеличивается прокаливаемость легированных сталей. Наиболее сильно увеличивают прокаливаемость стали марганец, хром, никель.
Легированные стали подвергаются тем же видам термообработки, что и углеродистые, но имеют свои особенности.
Особенности закалки
1 Легирующие элементы понижают теплопроводность, поэтому нагрев легированных сталей необходимо проводить медленно, иначе возможно образование трещин. Кроме того, для равномерного прогрева по всему сечению и полного растворения карбидов в аустените требуется более продолжительная выдержка в печи.
2 Из-за повышения температур точек А1 и А3 отжиг, нормализация и закалка легированных сталей должны проводиться при более высоких температурах, чем у углеродистых (исключая стали, легированные никелем и марганцем).
3 Все легирующие элементы (исключая Со) снижают критическую скорость закалки, следовательно, легированные стали можно охлаждать с меньшей скоростью, в масле или даже на воздухе (что позволяет существенно снизить вероятность коробления и образования трещин).
4 Почти все легирующие элементы понижают температуру мартенситного превращения и увеличивают количество аустенита остаточного.
Особенности отпуска
1 Большинство легирующих элементов замедляют процесс распада мартенсита при отпуске. Поэтому для получения одинаковых результатов легированную сталь нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска по сравнению с углеродистой.
2 Из-за искажения кристаллической решетки аустенита диффузионные процессы замедляются и второе превращение при отпуске (превращение Аост в Мотп) происходит при более высоких температурах. Так как при этом превращении твердость стали повышается, этот процесс называют вторичной закалкой.
3 Карбидообразующие элементы способствуют образованию красностойкого (жаропрочного) мартенсита, т. к., располагаясь по границам зерен, карбиды тормозят диффузию углерода и, соответственно, третье превращение при отпуске – распад мартенсита на троостит отпуска. Это способствует сохранению твердости инструментальной стали при нагреве до высоких температур. Если мартенсит углеродистых сталей превращается в троостит отпуска при температурах около 250 °С, то у легированных сталей третье превращение начинает развиваться после нагрева до температур свыше 450 ºС (а у быстрорежущих сталей при нагреве свыше 620 °С).
4 У высоколегированных (хромом, вольфрамом, ванадием) инструментальных сталей при температуре отпуска 560 °С происходит частичный распад высоколегированного мартенсита с образованием высоколегированного троостита (высокодисперсной смеси феррита и карбидов вольфрама, хрома, ванадия), что приводит к увеличению твердости. Это явление называют вторичной твердостью.
5 В отличие от углеродистых, в легированных сталях после высокого отпуска отмечается резкое снижение ударной вязкости. Это явление получило название отпускной хрупкости второго рода. Она может быть предотвращена путем быстрого охлаждения (в воде) после выдержки в печи.
Контрольные вопросы
1 Дать определения закалки, отпуска, указать виды отпуска и образующихся при отпуске структур, области их применения.
2 Изучить влияние легирующих элементов на положение критических точек, диффузионные процессы, критическую скорость закалки и прокаливаемость сталей.
3 Объяснить особенности закалки и отпуска легированных сталей.
4 Объяснить явление повышения красностойкости легированных сталей.
Задание
1 Изобразить часть диаграммы железо–цементит, относящуюся к области стали, и диаграмму изотермического превращения аустенита. Изучить влияние температуры нагрева и скорости охлаждения на фазовые превращения и структуру стали с различным содержанием углерода.
2 Изучить структуру предложенных шлифов, изобразить ее и указать структурные составляющие и фазы.
3 Провести закалку стали 40 и стали 40Х в масле и в воде, измерить твердости и сделать выводы о полученных структурах и свойствах.
4 Методом торцовой закалки определить прокаливаемость сталей 40 и 40Х.
