При комнатной температуре структура доэвтектоидной стали с содержанием углерода ниже 0,8 % состоит из перлита и избыточного феррита; эвтектоидной стали – из одного перлита и заэвтектоидной стали с содержанием углерода выше 0,8 % - из перлита и избыточного цементита, расположенного в виде сетки по границам перлитных зерен. При нагреве углеродистой стали любого состава до температуре ниже 7230С, т.е. ниже критической точки, никаких фазовых превращений и структурных изменений в стали не происходит. В точке Ас1, в областях, занятых перлитом, a-железо переходит в g -железо, а цементит распадается, освободившийся углерод с гамма-железом образует твердый раствор – аустенит. Таким образом в точке перлит переходит в аустенит. Выше точки Ас1 в доэвтектоидной стали идет постепенное растворение в аустените избыточного феррита, а в заэвтектоидной стали – растворение избыточного цементита. При дальнейшем нагреве выше точек Ас3 и Аст в области гамма-железа химический состав твердого раствора стали выравнивается путем диффузии атомов углерода и других примесей из мест с высокой концентрацией в места с низкой концентрацией. Кроме того, в этой области температур протекает практически очень важный процесс – рост аустенитных зерен.
При нагреве стали выше критических точек в области аустенита сталь имеет зернистое (полиэдрическое) строение. При этом размер аустенитных зерен зависит от природы самой стали и от условий ее нагрева.
Величина аустенитных зерен стали оказывает большое влияние на поведе-ние стали при закалке, а также на ее механические и физико-химические свойства.
При полиэдрическом (зернистом) строении стали поверхность каждого зерна имеет неравновесную, искаженную атомно-кристаллическую решетку, которая стремится перейти в устойчивое равновесное состояние. Чем меньше размер зерен, тем больше их суммарная поверхность в одном и том же объеме.
Поэтому в процессе нагрева зерна стали стремятся объединиться между собой, вследствие чего общее количество их уменьшается, а размеры увеличиваются, т.е. зерна растут, а их суммарная поверхность уменьшается.
Рис. 10.3. Схема изменения величины зерна эвтектоидной стали при нагреве
На рис. 10.3. показано изменение величины зерна литой эвтектоидной углеродистой стали при нагреве до разных температур.
 |
При нагреве стали до критической точки Ас1 – 3 размер зерен практически не изменяется, а при переходе через эту точку в момент превращения альфа-железа в гамма-железо и распада цементита старые перлитные зерна исчезают и появляются новые зерна твердого раствора углерода в гамма-железе, т.е. зерна аустенита. Зерна аустенита зарождаются из громадного количества центров кристаллизации, поэтому при переходе через критическую точку размер зерен стали скачкообразно уменьшается и эвтектоидная сталь, нагретая до температуры лишь на несколько градусов выше точки Ас1– 3, получает мелкозернистое строение.
Следует отметить, что полиморфные превращения по математическому описанию ничем не отличаются от кристаллизации¸ скорость роста новой фазы в них определяется соотношением теплоты фазового превращения и теплоотводом¸ имеются аналогичные коэффициенты распределения между старой и новой фазой. Однако теплота перехода и коэффициенты диффузии при этом значительно меньше и образующаяся фаза имеет значительно меньшие размеры.
При дальнейшем нагреве мелкие зерна аустенита начинают объединяться в крупные, и чем выше температура нагрева, тем интенсивнее увеличиваются размеры зерен.
Выдержка при нагреве, по сравнению с повышением температуры, на рост зерна оказывает слабое влияние. При этом, если при нагреве зерно аустенита получилось крупное, то после охлаждения стали до комнатной температуры ферритно-перлитные зерна будут также крупными, так как в период охлаждения при переходе через критические точки зерна стали не дробятся, как в период нагрева, и новые зерна, образовавшиеся при распаде аустенита, сохраняют размеры исчезнувших аустенитных зерен. 
Из диаграммы видно, что в первый момент выдержки при температуре нагрева зерна стали растут очень быстро, затем размеры их достигают определенной для данной температуры величины и дальнейший рост замедляется, т.е. на рост зерна в стали оказывает влияние углерод. Чем выше содержание углерода в доэвтектоидной стали, тем интенсивнее растет зерно, поэтому эвтектоидная сталь более склонна к росту зерна и легче перегревается, чем доэвтектоидная. В заэвтектоидной стали, наоборот, с повышением содержания углерода рост зерна несколько уменьшается, так как избыточный вторичный цементит изолирует одни зерна от других и затрудняет их объединение. Однако при значительном перегреве стали выше точки Аст избыточный цементит растворяется и не задерживает рост зерна. Поэтому чем выше температура нагрева стали, тем при более высоком содержании углерода наблюдается в ней максимальный рост зерна.
Исходная структура перлитной стали – перлит и цементит с концентрацией углерода при 7270С соответственно 0,025 и 6,67 %. Как видно из диаграммы равновесия, наиболее стабильным является в области эвтектоидного превращения аустенит с 0,8 % углерода. Таким образом, в соответствии со схемой, приведен-ной на рис. 10.5, в неоднородной по химическому составу механической смеси феррита и цементита при нагреве стали выше 7270С должен образоваться однородный аустенит. При небольшом перегреве процесс происходит в три стадии, а именно: первый процесс – выравнивание в микрообъемах на границе феррита и цементита содержания углерода, происходящее по двум различным схемам – в заэвтектоидном составе при нагреве выше 7270С феррит неустойчив и способен растворять углерод в концентрациях более 0,025 %, а в доэвтектоидных составах цементит неустойчив и начинает растворяться от поверхности, граничащей с ферритом. Второй процесс – когда микрообъемы на границе неустойчивого феррита обогатятся углеродом, а объемы на границе неустойчивого в доэвтектоидной стали цементита обеднятся до 0,8 % углерода, начинается перестройка ОЦК-феррита и смешанного расположения атомов железа на границе феррита и цементита (ОЦК – ромбическое) в ГЦК-решетку стабильного аустенита. Процесс идет диффузионно и заключается в скачке атома железа на расстояние примерно a 0 /2 и, по-видимому, не может лимитировать рост аустенита, так как время одного перескока при DFe » 10-12 см2/с и t » 10-4 с, а лимитируется перераспределением углерода в объеме ферритно-цементитной ячейки. Третий процесс – подвод необходимого тепла для перестройки ОЦК®ГЦК-решеток, составляющего около 1 кДж/моль или D Т=30 К. Для практически применяемых скоростей нагрева не более 1 К/с именно подвод тепла, необходимый для фазового превращения, наряду с перераспределением углерода, определяет кинетику превращения. Так, при скорости нагрева 1 К/с время превращения 30 с, а выравнивание содержания углерода в ферритно-цементитной ячейке размером (длиной) 10 мкм составит при Dc =10-6 см2/с:
. (10.2)
Превращение перлита в аустенит, являясь диффузионным, лимитируется скоростью нагрева. Одновременно может расти множество зародышей аустенита (рис.4.5), при этом они обладают различной энергией и после полного превращения перлита становятся способными поглощать друг друга по механизму рекристаллизации, поскольку температура фазового превращения существенно выше температуры рекристаллизации.
Кинетика превращения показана на рис.10.6. Как следует из приведенных ранее рассуждений, процесс превращения должен происходить с инкубационным периодом, необходимым для образования в перлите микрообъемов с концентрацией, близкой к 0,8 % по углероду, и зародыша со структурой ГЦК. Далее при постоянной температуре процесс идет диффузионно и замедляется при уменьшении количества перлита. В соответствии с кинетической кривой для наблюдения первых зерен аустенита при нагреве выше 7270С необходимо некоторое время, тем меньшее чем выше температура. На рис. 10.6 кривая 1 определяет время появления первых зерен аустенита при разных температурах, кривая 2 – время исчезновения последних ячеек перлита. До кривой 1 (выше 7270С) структура стали, состоит из неравновесного (перегретого) перлита, за кривой 2 – из равновесного аустенита, между кривыми существуют обе фазы. При нагреве с малой скоростью (кривая 3) время, в течение которого образуется зерно аустенита, t3, при нагреве с большей скоростью (кривая 4) время меньше, следовательно, зерно аустенита мельче.
Мелкое зерно аустенита наблюдается при нагреве доэвтектоидной стали в интервале температур Ас1-Ас3 и заэвтектоидной стали в интервале Ас1-Асм, при этом избыточный феррит и избыточный цементит сдерживают рост зерна аустенита и структура стали – двухфазная.
10.4. Отжиг и нормализация отливок
Отжиг и нормализация стали относятся к предварительной термической обработке, подготавливающей структуру стальных отливок к механической и дальнейшей окончательной термической обработке.
Процесс термической обработки состоит из трех периодов: периода нагрева до определенной температуры, периода выдержки при этой температуре и периода охлаждения. Таким образом, любая термическая обработка может быть представлена в виде графика температура – время (рис. 10.7.), где по вертикальной оси отложена температура, а по горизонтали – время:
Температура нагрева при термообработке оказывает решающее влияние на структуру и свойства термически обработанной стали, и поэтому ее точно устанавливают в зависимости от марки стали и назначения термообработки.
Продолжительность выдержки при заданной температуре нагрева устанавливают в зависимости от процессов, совершающихся в стали, но чаще всего дается не больше того времени, которое необходимо для полного прогрева отливки. Это время устанавливается практически и зависит от размера отливки, конструкции печи, величины садки и т.д.
Скорость охлаждения стали после нагрева выше критических точек имеет исключительно важное значение при термической обработке, поэтому строго устанавливается в зависимости от назначения термической обработки, марки стали и от механических и физико – химических свойств, которыми должна обладать сталь после термообработки.
Отжигом называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении. Основная цель отжига стальных отливок – понизить твердость и улучшить механическую обрабатываемость, снять напряжения, измельчить зерно и подготовить структуру стали для последующей закалки.
В зависимости от температуры различают:
- полный отжиг – нагрев на 20 – 30 0C выше точки АС3;
- неполный отжиг – нагрев выше точки АС1 , но ниже АС3;
- низкий отжиг – нагрев на 20 – 30 0C ниже точки АС1;
Полный отжиг назначают в случаях, когда требуется снять напряжения, понизить твердость, изменить форму и размер зерен путем фазовой перекристаллизации.
Неполный отжиг назначают в тех случаях, когда требуется снять напряжения и понизить твердость без коренного изменения формы и размера зерен.
Низкий отжиг применяется, в основном, только для снятия напряжений и понижения твердости стали.
Скорость охлаждения при отжиге обычно устанавливают в зависимости от состава стали и от требований, которым должны удовлетворять отожженные изделия. Для простой углеродистой (нелегированной) стали охлаждение при отжиге, как правило, проводится со скоростью от 50 до 1500C в час. Чем медленнее охлаждается сталь, тем более равновесной получается структура, ниже твердость и выше вязкость отожженных стальных отливок. При ускоренном охлаждении структура стали получается более дисперсной (менее равновесной), вследствие чего твердость и прочность изделий повышается, а пластичность и вязкость понижается.
Нормализация является одной из разновидностей отжига. При нормализации сталь нагревают на 40 – 50 0C выше критических точек, выдерживают при этой температуре до полного прогрева изделий и охлаждают на спокойном воздухе. Цель нормализации – повышение механических свойств стали, получение мелкого и равномерного зерна, улучшение обрабатываемости и подготовка структуры к последующей окончательной термообработке.
Нормализации обычно подвергают низкоуглеродистую сталь, с содержанием углерода до 0,3 %. Скорость охлаждения стали на воздухе зависит от формы и толщины отливок, поэтому, как правило, нормализуют заготовки только простой формы с одинаковым диаметром (толщиной) по всей длине, так как в тонких сечениях изделия охлаждаются быстрее, чем в массивных, и из-за не одинаковой скорости охлаждения может получиться различная структура и различные механические свойства, т.е. цель нормализации – приведение структуры и свойств в однородное состояние – не будет достигнута.
Скорость нагрева при отжиге и нормализации устанавливается в зависимости от марки (состава) стали, от формы и размеров отливки, от равномерности подвода тепла и т.д. Изделия простой формы диаметром до 50 мм, изготовленные из углеродистой стали, в отжигательных и нормализационных печах можно нагревать с любой скоростью, которая достижима в данной печи. Изделия из легированной стали, особенно крупные и сложной формы (с резкими переходами от толстых сечений к тонким), нагревают значительно медленнее и осторожнее.
Для фасонного стального литья обычно используют доэвтектоидную сталь с содержанием углерода от 0,15 до 0,45 % при содержании марганца около 0,6 % и кремния 0,3 %.
В стальных отливках в период охлаждения образуются большие внутренние напряжения, такие отливки имеют неоднородную структуру и чрезвычайно крупное и неравномерное зерно. В таком состоянии литая сталь обладает неудовлетворительными механическими свойствами: низкий предел текучести, низкая пластичность и вязкость и т.д., поэтому целью отжига стального литья является снятие внутренних напряжений, измельчение зерна, улучшение микроструктуры и повышение механических свойств стали. Для снятия напряжений и устранения возможного коробления литых деталей во время их службы достаточен низкий отжиг, но при такой обработке не происходит перекристаллизации , поэтому зерно стали не измельчается и механические свойства остаются по-прежнему неудовлетворительными. Для устранения литейных напряжений, измельчения зерна и повышения вязкости стали стальные отливки подвергают полному отжигу с нагревом на 20 – 30 0C выше точки АС3. Для равномерного прогрева отливок по всему сечению и частичного устранения дендритной ликвации отливки выдерживают при заданной температуре, при этом длительность выдержки равна 1/5 от времени нагрева. При отжиге отливки охлаждают вместе с печью до температуры 400 – 450 0C, скорость охлаждения не выше 100 0С в час, дальнейшее охлаждение отливок происходит на воздухе.
Точное время нагрева, выдержки и охлаждения зависит от конкретных условий отжига: конструкции печи, величины садки, размеров отливок и т.д.
В табл. 10.1. приведены механические свойства литой стали с содержанием углерода около 0,3 % до и после отжига.
Таблица 10.1.
Механические свойства литой стали с 0,3 % С
| Термическая обработка | Без обработки | Отжиг при 860 0 С |
| Предел прочности, Мпа | 550 | 500 |
| Предел текучести, Мпа | 280 | 350 |
| Относительное удлинение, % | 10…12 | 15…18 |
| Относительное сужение, % | 15…20 | 20…25 |
| Ударная вязкость KCU, МДж/м2 | 20…40 | 50…80 |
| Твердость НВ | 170 | 130 |
Из таблицы видно, что предел прочности у отожженной стали ниже, чем у неотожженной, так как после отжига структура стали становится более равновесной. В результате снятия внутренних напряжений предел текучести после отжига несколько повышается, особенно сильно повышаются удлинение, сужение и ударная вязкость, т.е. пластические свойства стали.
Для улучшения механических свойств стальные отливки простой формы с низким содержанием углерода (примерно 0,15 … 0,20 %) обычно подвергают не отжигу, а нормализации с отпуском. Температура нагрева при нормализации берется примерно на 50 – 60 0C выше точки АС3, отпуск проводят при 600 – 650 0C с выдержкой до полного прогрева. Для сокращения времени обработки и экономии топлива изделия при нормализации охлаждают на воздухе до 450 – 500 0C (до исчезновения цвета каления) и сразу же помещают в отпускную печь.
В некоторых случаях отжиг слитков и крупных стальных отливок проводят с целью выравнивания химической неоднородности стали, вызванной сильным развитием дендритной ликвации при затвердевании больших масс металла. Для уменьшения или уничтожения дендритной ликвации путем отжига требуется длительный нагрев стали в области высоких температур. Такой отжиг называется диффузионным или гомогенизацией.
Выравнивание химического состава стали и уничтожение дендритной ликвации (химической неоднородности дендритов) осуществляется путем диффузии (перемещения) атомов примесей из мест с высокой концентрацией в места с низкой концентрацией. При этом чем выше температура нагрева стали, тем становится больше подвижность атомов, и тем легче и быстрее они перемещаются в атомно-кристаллической решетке железа. Поэтому для обеспечения лучших условий диффузии атомов примесей гомогенизация стали проводится при очень высокой температуре, порядка 1100 – 1150 0C с длительной выдержкой в течение 10 – 15 часов и медленным охлаждением. После такого отжига дендритная ликвация стали несколько уменьшается, но чрезвычайно сильно растет зерно стали и механические свойства получаются низкими. Поэтому для измельчения зерна и улучшения механических свойств сталь после гомогенизации дополнительно подвергают нормальному отжигу с нагревом на 30 – 40 0C выше точки А3 и охлаждения со скоростью 120 – 150 0С в час.
В качестве окончательной термообработки крупных поковок из углеродистых сталей на большинстве заводов применяют нормализацию или отжиг, а поставщики США отдают предпочтение закалке в воде с охлаждением в ней до комнатной температуры [17].
Рассмотрение микроструктуры по сечению крупных поковок сплошного сечения, подвергавшихся закалке, показывает, что с приближением к поверхности меняется толщина и форма выделения феррита. В центре структура более грубая и выделение феррита крупнее вследствие замедленного охлаждения в интервале температур Ас3 – Ас1. Ближе к поверхности феррит выделяется в виде сетки, причем толщина сетки уменьшается по направлению к поверхности, и в поверхностных слоях на некоторых участках ферритная сетка отсутствует. Пластические и вязкие свойства (y и KCU) растут в направлении к поверхности, а величина d несколько уменьшается.
Однако небольшая толщина сетки по границам зерен также имеет свои отрицательные стороны, так как в процессе деформирования сдвиги накапливаются в мягком феррите, который исчерпывает свой запас пластичности и разрушается. При более интенсивном охлаждении пластичность получается выше из-за подавляющего выделения феррита по границам зерен.
Исходный размер зерна аустенита зависит также от скорости нагрева в интервале превращения a ® g. В результате ускоренного нагрева в интервале аустенизации получается более мелкозернистая структура (скорость должна быть не менее 60 град/ч).
Для увеличения скорости нагрева на заводах США применяют выдержку в печи с температурой выше точки Ас1 с последующим переносом в печь с большей тепловой емкостью при температуре закалки, это обусловлено поглощением тепла при превращении a ® g. Существенную роль в повышении свойств играет понижение внутренних напряжений. С этой целью применяют подстуживание перед закалкой, попеременное погружение в охлаждающую среду.
Дата: 2019-04-23, просмотров: 202.
