Изучение микроструктуры стали

В НЕРАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ. ЗАКАЛКА СТАЛИ

Цель работы - изучить микроструктуры, образующиеся в стали при охлаждении с различными скоростями; установить влияние скорости охлаждения на изменение твердости стали.

Содержание работы

Закалкой стали называется термическая операция, состоящая из нагрева ее до определенной температуры, выдержки и последующего быстрого охлаждения. Целью закалки является резкое повышение твердости и прочности стали. Результаты закалки в наибольшей степени зависят от температуры нагрева и режима охлаждения.

Температура нагрева под закалку назначается в зависимости от содержания углерода в стали и может быть определена по диаграмме железо – углерод, нижний левый угол которой приведен на рис. 11. Доэвтектоидные стали для получения однородного аустенитного состояния нагревают на 30 – 50 °С выше критической точки . Достаточно большая скорость охлаждения (такая закалка называется полной) обеспечивает структуру мелкоигольчатого мартенсита [1, рис. 24]. Прогрев до более высоких температур приводит к ухудшению свойств сталей вследствие роста зерна аустенита и к образованию крупноигольчатого мартенсита [1, рис. 25]. При нагреве в интервале температур в структуре доэвтектоидных сталей остаются участки феррита, которые при последующем охлаждении не претерпевают никаких превращений: после закалки в структуре, наряду с мартенситом, присутствует феррит [1, рис. 26], ферритные участки в доэвтектоидной стали снижают ее механические свойства и особенно вязкость. Закалка с нагревом в межкритическом интервале температур, называемая неполной, не должна применяться для доэвтектоидных сталей.

Эвтектоидную сталь нагревают под закалку до 30 ¸50 °С.

Для заэвтектоидных сталей оптимальной температурой закалки также является 30¸50 °С, т.е. неполная закалка. В структуре стали, закаленной при указанной температуре, наблюдаются мартенсит и вторичный избыточный цементит. Включения вторичного цементита, если они равномерно распределены в мартенсите, не снижая твердости, повышают износостойкость [1, рис. 27]. Если же вторичный цементит образует сетку, то он разобщает зерна и резко снижает прочность и вязкость стали [1, рис. 28]. Нагрев выше А_сm опасен, так как он вызывает ненужный рост зерна аустенита и увеличивает закалочные напряжения; твердость же при этом не только не растет, но даже несколько снижается из-за повышенного количества остаточного аустенита.

Скорость охлаждения. При медленном охлаждении в стали при температурах, близких к равновесным, происходят фазовые превращения. В эвтектоидной стали в критической точке аустенит превращается в феррито-цементитную смесь, называемую перлитом. В доэвтектоидных и заэвтсктоидных сталях наряду с перлитом выделяется феррит или цементит. При увеличении скорости охлаждения аустенит переохлаждается, и превращение его происходит при более низких температурах. Из переохлажденного аустенита образуются метастабильные структуры, характер которых целиком зависит от температуры превращения.

Рассмотрим особенности превращения переохлажденного аустенита в изотермических условиях при переохлаждении его до различных температур. Кинетика изотермического превращения переохлажденного аустенита изучена для большей части промышленных углеродистых и легированных сталей. По виду диаграммы кинетики изотермического превращения переохлажденного аустенита напоминают русскую буксу «С» и потому называются С-образными диаграммами.

На рис. 12 показана С-образная диаграмма эвтектоидной стали. Линия, проведенная параллельно оси абсцисс на уровне критической точки А₁, отделяет аустенит в устойчивом состоянии от переохлажденного аустенита. Левая кривая диаграммы соответствует началу распада переохлажденного аустенита в феррито-цементитную смесь; правая - концу распада. Линия М _н показывает температуру начала мартенситного превращения. Таким образом, на С-образной диаграмме выявляются следующие области: I – устойчивого аустенита; II – переохлажденного аустенита; III – область, в которой появились продукты распада аустенита и переохлажденный аустенит; IV – область продуктов распада переохлажденного аустенита в феррито-цементитную смесь; V – область мартенсита с остаточным аустенитом.

Из С-образной диаграммы видно, что превращение переохлажденного аустенита происходит не сразу, а через некоторый промежуток времени, называемый инкубационным периодом. Во время инкубационного периода в аустените происходит перераспределение углерода и скопление его до концентраций, способных к образованию цементита. Инкубационный период изменяется в зависимости от степени переохлаждения аустенита: вначале он уменьшается, достигает минимального значения при 500 – 550 °С (Т _мин.), а затем возрастает вплоть до температуры мартенситного превращения. Изменения инкубационного периода объясняются тем, что процесс превращения аустенита в феррито-цементитную смесь совершается под влиянием двух противоположных факторов:

а) степени переохлаждения, увеличивающей скорость распада переохлажденного аустенита, и б) скорости диффузии углерода, которая с понижением температуры уменьшается, понижая скорость распада.

Продукты превращения переохлажденного аустенита, образующиеся в интервале температур А₁ – Т_мин, и называемые перлитом, сорбитом и трооститом, представляют собой феррито-цементитную смесь различной степени дисперсности.

Процесс превращения аустенита в указанном интервале температур имеет диффузионный характер и подчиняется общему закону кристаллизации.

Если распад аустенита совершается в температурном интервале 700 – 650 °C, то образуется относительно грубая механическая смесь феррита с цементитом, называемая перлитом (рис. 11 альбома).

При температуре распада аустенита 650 - 600° образуется более мелкая ферритно-цементитная смесь, называемая сорбитом [1, рис. 29]. При переохлаждении до 550 – 500° пластинки цементита в феррито-цементитной смеси получаются чрезвычайно мелкими и обнаруживаются только при больших увеличениях. Такая структура называется трооститом [1, рис. 30].

Природа перлита, сорбита и троостита одна и та же – механическая смесь феррита с цементитом; различна только степень дисперсности, которая определяет механические свойства, например, твердость. Так, в эвтектоидной стали твердость будет приблизительно равна:

для перлита – 10 - 20 HRС;

для сорбита – 20 - 35 HRС;

для троостита – 35 - 45 HRС.

При переохлаждении аустенита ниже температуры М _н (для стали эвтектоидного состава – 220 °С) происходит бездиффузионное превращение аустенита, т.е. аллотропическое изменение кристаллической решетки Fe_g ® Fe_a без выделения углерода. Атомы углерода оказываются насильственно внедренными в кристаллическую решетку Fe_a в таком же количестве, как и в аустените. Полученный в результате бездиффузионного превращения пересыщенный твердый раствор углерода в Fe_a называется мартенситом [1, рис. 24].

Так как растворимость углерода в феррите в равновесном состоянии ничтожна (около 0,03 %), то при образовании пересыщенного твердого раствора кристаллическая решетка Fe искажается и принимает тетрагональную форму. С увеличением содержания углерода тетрагональность возрастает. Искажения кристаллической решетки и вызванные ими внутренний наклеп и измельчение мозаичных блоков определяют высокую твердость мартенсита (HRC = 60 – 65). При образовании мартенсита происходит увеличение объема и потому возникают значительные внутренние напряжения.

Распад аустенита в промежуточной области температур (Т _мин – М _н) происходит вначале по мартенситному типу, но вследствие высокой температуры из мартенсита диффундирует углерод и образуется структура, представляющая собой механическую смесь пересыщенного феррита и цементита высокой степени дисперсности. Превращения при температурах, примыкающих к Т_мин, приводят к образованию верхнего бейнита, для которого характерно перистое строение [1, рис. 31]. Превращения, происходящие при температурах ближе к М _н, приводят к образованию нижнего бейнита, имеющего игольчатое строение, сходное с мартенситом [1, рис. 32]. Твердость бейнита находится в пределах 45 HRС (верхний бейнит) – 60 HRС (нижний бейнит).

Таким образом, С-образные диаграммы дают представление об изотермическом превращении переохлажденного аустенита и об образующихся при этом продуктах превращения.

Однако часто закалка стали производится при непрерывном охлаждении путем погружения изделий в различные закалочные среды. Скорость охлаждения может быть показана кривыми охлаждения, имеющими различный наклон. Если эти кривые наложить на С-образную диаграмму, то в первом приближении можно определить, какая структура образуется при данной скорости охлаждении. При скорости охлаждения n ₁ распад аустенита совершается в температурном интервале 700 – 650 °С и образуется перлит [1, рис. 10]. При увеличении скорости охлаждения до n ₂ распад аустенита происходит при 650 – 550 °С и образуется структура сорбита [1, рис. 33]. При увеличении скорости охлаждения до n ₃распад аустенита начинается при 570 °С образованием троостита по границам зерен аустенита, но в это превращение не завершается до конца и из оставшегося аустенита, переохлажденного ниже М _н, образуется мартенсит. Структура, полученная при такой скорости охлаждения, представляет сфероиды троостита и мартенсита [1, рис. 34]. Присутствие в структуре составляющих с резко различными свойствами обусловливает нежелательную неоднородность механических свойств соседних объемов. При скоростях охлаждения, равных n _к и больших происходит образование мартенсита, так как весь аустенит переохлаждается до температуры ниже 200 °C. Скорость охлаждения n _к, касательная к кривой начала распада аустенита, является наименьшей скоростью охлаждения, при которой образуется мартенсит (с остаточным аустенитом), и называется критической скоростью закалки.

Из сказанного следует, что скорость охлаждения при закалке является средством, с помощью которого устанавливаются необходимые степени переохлаждения аустенита; характер же образующейся структуры определяется температурами, при которых происходят превращения, переохлажденного аустенита.