Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Превращения в сталях при нагревании




В соответствии с диаграммой «железо-углерод» при комнатной температуре доэвтектоидная сталь имеет структуру перлит + феррит (П+Ф), а заэвтектоидная – перлит + цементит (П+Ц). При нагреве стали в точке А1 (линия PSK) начинается фазовая перекристаллизация перлита, т. е. превращение его в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве избыточный феррит (или цементит в заэвтектоидных сталях) растворяется в аустените. Этот процесс заканчивается на линии GSE. Выше этой линии структура любой стали становится аустенитной.

Итак, при нагреве выше критической точки Ас1 перлит (П) превращается в аустенит (А). Для превращения П®А (как и для любого фазового превращения) свободная энергия аустенита должна быть меньше свободной энергии перлита, а это возможно только при некотором перегреве стали выше равновесной точки Ас1. Чем больше степень перегрева n, тем интенсивней будет протекать превращение П®А (рисунок 4.2).

 

 

Рисунок 4.2 – Графики свободных

энергий перлита (П)

и аустенита (А);

n – степень перегрева

 

Это типичный кристаллизационный процесс. Он заключается в зарождении центров кристаллизации (ЦК) аустенита и постепенном росте этих кристаллов. Основной движущей силой этого процесса является стремление стали снизить запас свободной энергии.

Центром образования зерен аустенита является граница раздела между Ф и Ц (где сосредотачиваются наибольшие количества несовершенств – вакансий, смещений, дислокаций и, следовательно, имеется избыток свободной энергии). Это создает наиболее благоприятные условия для диффузии углерода в гамма-железо, т. е. для образования аустенита. Чем больше границ раздела содержит эвтектоид (перлит), тем больше образуется ЦК и тем мельче получается зерно аустенита.

Образовавшийся аустенит получается неоднородным, т. к. концентрация углерода будет неодинаковой в различных участках: в местах, где раньше располагался цементит, углерода будет больше, чем в местах, где находился феррит. Следовательно, необходимо еще диффузионное перераспределение углерода (для стали с 0,8% С)

Ф (0,02% С) + Ц (6,67% С) ® А (0,8% С).

Таким образом, процесс превращения П→А можно разбить на три этапа:

1. Перестройка альфа-решетки железа в гамма-решетку (К8→ К12).

2. Растворение (диффузия) углерода в гамма-железе.

3. Гомогенизация аустенита (диффузионное выравнивание состава).

Перестройка решетки при температуре выше температуры начала фазовых превращений идет достаточно быстро. Так как при температуре немного выше точки А1 свободная энергия аустенита ниже, чем у перлита, то это будет способствовать превращению П®А (в местах флуктуации концентраций до»0,8% С).

Рисунок 4.3 – Превращение перлита (П) в аустенит в стали с 0,8% С
(И. Л. Миркин и М. Е. Блантер).

Процесс растворения цементита (диффузия углерода в гамма-железо) протекает значительно медленнее и сильно зависит от скорости нагрева (степени перегрева). Это приводит к тому, что некоторое время будут существовать две фазы А и П (между кривыми 1 и 2 на рисунке 4.3). Кроме этого на скорость превращения влияют дисперсность структуры, химсостав стали и некоторые другие факторы.

Итак, при непрерывном нагреве превращение А в П обязательно будет происходить в некотором интервале температур.

После полного превращения П®А дальнейшее повышение температуры ведет: у доэвтектоидных сталей – к превращению избыточного феррита в аустенит, у заэвтектоидных сталей – к растворению вторичного цементита в аустените (см. диаграмму «железо-углерод»).

Таким образом, реальное превращение перлита в аустенит при нагреве имеет следующие особенности:

· протекает при температурах выше критических. Обычно температуру нагрева стали под термообработку назначают на 30-500 выше критических точек по диаграмме (А1 или А3);

· процесс совершается в интервале температур (при непрерывном нагреве);

· образующийся аустенит неоднороден по составу, поэтому необходима выдержка при назначенной температуре для диффузионного выравнивания состава (гомогенизации).

Рост зерна аустенита. Экспериментально установлено, что от размеров действительного зерна сильно зависят свойства металлов (особенно ударная вязкость, температура перехода в хрупкое состояние). Чем меньше действительное зерно, тем:

· выше ударная вязкость, особенно при низких температурах (при том же химическом составе, структуре, твердости, прочности и т. д.);

· ниже температура перехода из вязкого состояния в хрупкое;

· лучше сочетание прочности и пластичности;

· меньше чувствительность к концентраторам напряжений.

Однако у крупнозернистых сталей выше магнитная проницаемость, коррозионная стойкость, меньше коэрцитивная сила.

Обычно целью термообработки является получение мелкозернистой стали (кроме особых случаев, например, магнитомягкие стали для магнитопроводов трансформаторов, дросселей и т. п.).

Первые зерна аустенита образуются на границе между ферритом и цементитом – структурными составляющими перлита. Так как эта граница весьма разветвлена (в 1 см3 перлита поверхность границ составляет несколько квадратных метров), то по окончании превращения П®А образуется большое количество мелких зерен аустенита.

Итак, начальное зерно аустенита всегда мелкое. Переход через критическую точку А1 сопровождается резким уменьшением зерна.

Однако, дальнейшее повышение температуры или увеличение выдержки при данной температуре вызывает укрупнение (рост) зерен – слияние и поглощение мелких зерен более крупными, поскольку свободная энергия атомов, находящихся на поверхности границ зерен, больше, чем у атомов внутри зерна. Система с мелким зерном термодинамически менее устойчива, чем система с крупным зерном (так как у крупнозернистой системы меньше суммарная протяженность границ).

Различают два вида сталей:

· наследственно мелкозернистые – стали с малой склонностью роста начального зерна до температур 1000-1100 о С;

· наследственно крупнозернистые – стали, у которых начальное зерно начинает бурно расти при повышении температуры выше А1 или увеличении выдержки.

При последующем охлаждении зерна не измельчаются, поэтому окончательный размер зерна зависит только от максимальной температуры нагрева, времени выдержки и наследственности.

Чем определяется наследственность зерна? Установлено, что решающее значение оказывает способ раскисления и легирования.

Сталь раскисленная дополнительно алюминием (т. е. спокойная) – наследственно мелкозернистая, так как образующиеся нитриды и оксиды алюминия Al4N, Al2O3, располагаясь по границам зерен, создают барьеры для роста зерен (до 1000-11000 С), затем эти частицы растворяются и барьеры снимаются. Аналогично действуют карбидообразуюшие элементы (особенно вольфрам, ванадий, титан, ниобий, цирконий, хром).

Кипящие и полуспокойные стали (раскисленные только марганцем и кремнием) – наследственно крупнозернистые.

Конечно, основные свойства стали определяются величиной действительного зерна, однако наследственная зернистость имеет решающее значение при термообработке, горячей ОМД, сварке. Ковку, штамповку, прокатку можно проводить при более высоких температурах, не опасаясь получения крупного зерна (то есть эти стали не боятся перегрева).

На практике для оценки размера зерна в стали пользуются стандартной шкалой. Определение размера зерна производят под микроскопом при увеличении в 100 раз путем сравнивания со стандартной шкалой при температуре 930 0 после 3-х часовой выдержки (ГОСТ 5639-75). Стандартная шкала имеет 18 номеров зерен: -3; -2; -1; 0; 1; 2…; 14. Чем выше номер зерна, тем меньше его размер. Номеру зерна -3 соответствует структура с размером зерна 1 мм, номеру 14–20 мкм.

Зерно баллов до 4 считают наследственно крупнозернистыми, баллов 5-10 – мелкозернистыми, а выше 10 – особо мелкозернистыми.

Таким образом, в процессе превращения П®А происходит измельчение зерна. Эта очень важная особенность используется в практике термообработки для получения мелкозернистой структуры деталей. Факторы, влияющие на размер зерна, следующие:

а) скорость нагрева (чем больше скорость, тем мельче начальное зерно аустенита). Нагревом ТВЧ можно получить чрезвычайно мелкие кристаллы аустенита;

б) исходная структура (чем дисперснее перлит, тем мельче начальное зерно). Отсюда вытекает необходимость подготовки структуры перед окончательной термообработкой;

в) максимальная температура и продолжительность выдержки. Нужно точно рассчитывать и строго соблюдать эти параметры;

г) наследственность стали к росту зерна. Спокойные стали и стали легированные карбидообразующими элементами не боятся перегрева при тепловой обработке и сварке.

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...