Перетворення, що відбуваються в структурі сталі, при нагріванні та охолодженні
Перетворення, що відбуваються у структурі сталі, при нагріванні та охолодженні. Технологічні можливості відпалу, нормалізації, загартування та відпустки
Це перетворення має місце при високих швидкостях охолодження, коли дифузійні процеси пригнічуються. Солровоочдається поліморфним перетворенням на
Мінімальна швидкість охолодження Vк, коли він весь аустеніт переохолоджується до температури т.мн і перетворюється, називається критичної швидкістю загартування.
Так як процесу дифузії не відбувається, весь вуглець аустеніту залишається в решітці і розташовується або в центрах тетраедрів, або в середині довгих ребер (рис. 13.1).
Мартенсит – пересичений твердий розчин застосування вуглецю.
Кристали мають форму пластин, що звужуються до кінця, під мікроскопом така структура виглядає як голка. Утворюючись миттєво, пластини ростуть або до межі зерна аустеніту, або до дефекту. Наступні пластини розташовані до перших під кутами 60 0 або 120 0 їх розміри обмежені ділянками між першими пластинами (рис. 13.2).
3. Дуже висока швидкість росту кристала до 1000 м/с.
Мал. 13.3. Залежність температур початку (МН) та кінця (МК)
Мартенситне перетворення чутливе до напруг, і деформація аустеніту може викликати перетворення навіть за температур вище МН .
Твердість до 65 HRC. Висока твердість викликана впливом впроваджених атомів вуглецю в решітку -фази, що викликає її спотворення та виникнення напружень. З підвищенням вмісту вуглецю сталі зростає схильність до тендітного руйнування.
Має місце при нагріванні загартованих сталей. Перетворення пов'язане з дифузією вуглецю.
Мартенсит гарту - нерівноважна структура, що зберігається при низьких температурах. Дляодержання рівноважної структури виробу піддають відпустці.
При нагріванні загартованої сталі відбуваються такі процеси.
При нагріванні до 400 С весь надлишковий вуглець виділяється з . Карбідні частинки повністю відокремлюються, набувають будови цементиту і починають рости. Форма карбідних частинок наближається до сферичної.
Високодисперсна суміш фериту та цементиту називається трооститом відпустки;
При нагріванні вище 400 С зміни фазового складу не відбувається, змінюється тільки мікроструктура. Мають місце зростання та сфероїдизація цементиту. Спостерігається розчинення дрібних та зростання великих карбідних частинок.
При температурі 550…600ºС одержують сорбіт відпустки. Карбіди мають зернисту будову. Поліпшуються властивості сталі.
При температурі 650…700ºС отримують грубішу феритно-цементитну суміш – перліт відпустки (зернистий перліт).
Технологічні можливості та особливості відпалу, нормалізації, загартування та відпустки
Під час розробки технології необхідно встановити:
– режим нагріву деталей (температуру та час нагріву);
– характер середовища, де здійснюється нагрівання та її впливом геть матеріал стали;
Режими термічної обробки призначають відповідно до діаграм стану і діаграмою ізотермічного розпаду аустеніту.
Нагрівання може здійснюватися в нагрівальних печах, паливних або електричних, у соляних ваннах або у ваннах з розплавленим металом, пропусканням через виріб електричного струму або внаслідок індукційного нагріву.
З точки зору продуктивності, нагрівання з максимальною швидкістю зменшує окалиноутворення, обезуглерожування та зростання аустенітного зерна. Однак необхідно враховувати перепад температур перетину, що веде до виникнення термічних напруг. Якщорозтягувальні напруги перевищать межу міцності або межу плинності, то можливе короблення або утворення тріщин.
Мал. 13. 4. Лівий кут діаграми стану залізо – цементит та температурні області нагріву при термічній обробці сталей
Швидкість нагрівання тим вище, чим менш легована сталь, однорідніша її структура, простіше конфігурація.
Швидкість нагріву приймається 0,8...1 хв на 1 мм перерізу. Час витримки приймається близько 20% часу нагрівання.
Середовище нагрівання при нагріванні у печі з газовим середовищем.
Складові можуть чинити на сталь різну дію:
Окислення з утворенням окалини перешкоджає отриманню високої і рівномірної твердості при загартуванні, призводить до зміни розмірів, вимагає збільшення припусків на механічну обробку.
Обезуглероживание (вигоряння вуглецю в поверхневому шарі металу) сприяє появі м'яких плям при загартуванні і виникненню напружень, що розтягують, в поверхневому шарі, що знижують втомну міцність.
На рис. 13.4 показані температурні області нагрівання при термічній обробці сталей.
Відпал та нормалізація. Призначення та режими
Відпал, знижуючи твердість і підвищуючи пластичність і в'язкість за рахунок отримання рівноважної дрібнозернистої структури, дозволяє:
– покращити оброблюваність заготовок тиском та різанням;
– виправити структуру зварних швів, перегрітої при обробці тиском та лиття сталі;
– підготувати структуру до подальшої термічної обробки.
Характерно повільне охолодження зі швидкістю 30...100 º С/год.
Відпал першого роду
- Дифузійний (гомогенізуючий) відпал. Застосовується для усунення ліквації, вирівнювання хімічного складу металу.
В його основі –дифузія. В результаті нагрівання вирівнюється склад, розчиняються надлишкові карбіди. Застосовується переважно для легованих сталей.
Температура нагрівання залежить від температури плавлення, ТН = 0,8 Тпл.
Тривалість витримки: год.
2. Рекристалізаційний відпал проводиться зі зняттям напруг після холодної пластичної деформації.
Температура нагрівання пов'язана із температурою плавлення: ТН = 0,4 Тпл.
Тривалість залежить від габаритів виробу.
- Відпал для зняття напруги після гарячої обробки (лиття, зварювання, обробки різанням, коли потрібна висока точність розмірів).
Температура нагріву вибирається залежно від призначення, знаходиться в широкому діапазоні: ТН = 160……700ºС.
Тривалість залежить від габаритів виробу.
Деталі прецизійних верстатів (ходові гвинти, високонавантажені зубчасті колеса, черв'яки) відпалюють після основної механічної обробки при температурі 570…600ºС протягом 2…3 год, а після остаточної механічної обробки для зняття шліфувальних напруг – при температурі 2…26… 5 год.
Відпал другого роду призначений зміни фазового складу.
Температура нагрівання та час витримки забезпечують необхідні структурні перетворення. Швидкість охолодження має бути такою, щоб встигли відбутися зворотні фазові дифузійні перетворення.
Є підготовчою операцією, яку піддають виливки, поковки, прокат. Відпал знижує твердість і міцність, покращує оброблюваність різанням середньо- та високовуглецевих сталей. Подрібнюючи зерно, знижуючи внутрішні напруження і зменшуючи структурну неоднорідність сприяє підвищенню пластичності та в'язкості.
Залежно від температури нагрівання розрізняють відпал:
1. повний, з температурою нагріву на 30...50 ºС вище за критичну температуру А3
Проводиться для доевтектоїдних сталей для виправлення структури.
За такої температури нагрівання аустеніт виходить дрібнозернистий, і після охолодження сталь має також дрібнозернисту структуру.
2. неповний, з температурою нагріву на 30…50ºЗ вище за критичну температуру А1
Застосовується для заевтектоїдних сталей. При такому нагріванні в структурі зберігається вторинний цементит, в результаті відпалу цементит набуває сферичної форми (сфероїдизація). Одержання зернистого цементиту сприяє попередня відпалу гаряча пластична деформація, при якій дробиться цементитна сітка. Структури із зернистим цементитом краще обробляються і мають кращу структуру після загартування. Неповний відпал є обов'язковим для інструментальних сталей.
Іноді неповний відпал застосовують для доевтектоїдних сталей, якщо не потрібно виправлення структури (сталь дрібнозерниста), а необхідно лише знизити твердість для поліпшення оброблюваності різанням.
3. циклічний або маятниковий відпал застосовують, якщо після проведення неповного відпалу цементит залишається пластинчастим. У цьому випадку після нагрівання вище температури А1 слід охолодження до 680 ºС, потім знову нагрівання до температури 750...760 ºС і охолодження. В результаті одержують зернистий цементит.
- ізотермічний відпал – після нагрівання до необхідної температури, виріб швидко охолоджують до температури, на 50…100ºС нижче критичної температури А1 , і витримують до перетворення аустеніту в перліт, потім охолоджують на спокійному повітрі (рис. 13.5). Температура ізотермічної витримки близька до температури мінімальної стійкості аустеніту.
В результаті отримують більшеоднорідну структуру, оскільки перетворення відбувається за однакового ступеня переохолодження. Значно скорочується тривалість процесу. Застосовують для легованих сталей.
Мал. 13.5. Режими ізотермічного відпалу
- Нормалізація. - Різновид відпалу.
Термічна обробка, при якій виріб нагрівають до аустенітного стану, на 30…50 ºС вище за А3 або Аст з подальшим охолодженням на повітрі.
В результаті нормалізації отримують більш тонку будову евтектоїду (тонкий перліт або сорбіт), зменшуються внутрішні напруги, усуваються вади, отримані в процесі попередньої обробки. Твердість і міцність дещо вищі ніж після відпалу.
У заевтектоїдних сталях нормалізація усуває грубу сітку вторинного цементиту.
Нормалізацію частіше застосовують як проміжну операцію, яка покращує структуру. Іноді проводять як остаточну обробку, наприклад, при виготовленні сортового прокату.
Для низьковуглецевих сталей нормалізацію застосовують замість відпалу.
Для середньовуглецевих сталей нормалізацію або нормалізацію з високою відпусткою застосовують замість гарту з високою відпусткою. У цьому випадку механічні властивості дещо нижчі, але виріб піддається меншій деформації, виключаються тріщини.