Конспект «Материаловедение» icon

Конспект «Материаловедение»




Скачать 125.66 Kb.
НазваниеКонспект «Материаловедение»
Дата конвертации08.08.2013
Размер125.66 Kb.
ТипКонспект
источник



Опорный конспект «Материаловедение»


тема 2.2. Упрочняющая термическая обработка

сталей (влияние структурных превращений при закалке и отпуске на свойства стали)

В предыдущей теме 2.1 был сделан важный вывод о том, что механические свойства углеродистых сталей определяются количеством содержащегося в них углерода.

Свойства стали с данным содержанием углерода могут изменяться в широких пределах в результате термической обработки.

Для получения оптимальных механических свойств все ответственные стальные изделия из качественных углеродистых и, тем более, легированных1 сталей обязательно подвергаются упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки и отпуска.

2.2.1. Закалка ( превращения в стали при охлаждении)

Закалка – это нагрев стали до аустенитного состояния, выдержка и последующее ускоренное охлаждение со скоростью V  Vкр (Vкр – «критическая скорость закалки», см. ниже) с целью максимального повышения твердости и прочности. Подчеркнем сразу, что эффективное упрочнение стали при закалке обусловлено явлением полиморфизма этих сплавов (см. тему 2.1.1).

Обсудим последовательность структурных превращений, происходящих в стали в процессе закалки, на примере эвтектоидной стали (0,8 %С). Для удобства обсуждения на рис. 2.2.1 показан «стальной угол» диаграммы «железо – цементит» (ср. с рис. 2.1.1)

Исходная структура эвтектоидной стали - перлит2 - эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита (рис. 2.1.2), в сокращенной записи – П(Ф+Ц).

Рис. 2.2.1. «Стальной угол» диаграммы «железо–цементит»


А1, А3, Асm – общепринятые обозначения критических линий

При нагреве сталей под закалку в них происходят превращения, обратные тем, которые были рассмотрены в теме 2.1.1. Так эвтектоидная сталь при Т > А1 (727 оС) приобретает однофазную аустенитную структуру, т.е.

П (Ф + Ц) А

В теме 2.1.1 отмечалось, что при последующем охлаждении аустенит при Т ≤ А1, становится неустойчивым и распадается на смесь феррита и цементита, т.е.

А (0,8 %С) Ф (0,02 %С) + Ц (6,67 %С) (2.2.1)

Время начала и конца этого распада дается «диаграммой изотермического превращения переохлажденного аустенита («С – диаграмма») – рис. 2.2.2.

Левая С – образная линия на рис. 2.2.2 характеризует время (τ) начала, а правая – конца распада аустенита на смесь Ф и Ц (2.2.1) в зависимости от температуры изотермической выдержки. Для удобства обозначим эти линии буквами «н» и «к» соответственно.




Рис. 2.2.2. Диаграмма изотермического превращения

переохлажденного аустенита эвтектоидной стали1 (а) и характеристики перлитных структур (б).

Слева от линии «н» аустенит может какое-то время сохраняться в переохлажденном (относительно критической температуры А1=727оС), а значит неравновесном, неустойчивом состоянии. Правее линии «к» распад аустенита (2.2.1) завершается.

Степень дисперсности (величина, обратная размеру зерна) образующейся в результате феррито-цементитной смеси (Ф+Ц) зависит от конкретной температуры Т, при которой происходит распад переохлажденного аустенита, или, что то же – от степени его переохлаждения

∆Т = А1 – Т (2.2.2)

С понижением температуры распада (увеличением ∆Т) быстро уменьшается скорость диффузионного роста образующихся кристаллов, т.е. происходит измельчение феррито-цементитной смеси, соответственно возрастает ее твердость.

В связи с этим принято различать три структуры перлитного типа: перлит, сорбит, троостит1. Они имеют одинаковое строение (это смеси пластинок Ф и Ц), но отличаются степенью дисперсности, а значит и твердостью.

На рис. 2.2.2,б приведены усредненные характеристики (d - средняя толщина пластинок Ф и Ц, HRCэ - твердость) перлитных структур в эвтектоидной стали.

Все эти структуры получаются в результате превращения перлитного типа (2.2.1). Его протекание вызвано полиморфизмом железа и сплавов на его основе – сталей. Характерной чертой этого превращения является его диффузионный механизм (благодаря высоким температурам ≈ 500…720оС и достаточно длительным временным выдержкам). Это видно из реакции (2.2.1), где несовпадение химического состава участвующих фаз означает активную диффузию атомов углерода.

На практике различные типы перлитных структур получают обычно не при изотермических выдержках, а при непрерывном охлаждении стали из аустенитного состояния с различными скоростями2. Степень дисперсности образующихся при этом феррито-цементитных смесей (и соответственно, тип перлитной структуры) зависит от величины скорости охлаждения V. Эта зависимость отчетливо проявляется, когда на С – диаграмму наносят кривые охлаждения Т=f(τ), наклон которых характеризует величину скорости охлаждения, т.к.

V = (2.2.3)

Очевидно, что на рис. 2.2.3 V123< V4. Из рисунка следует, что чем больше скорость охлаждения, тем при более низкой температуре происходит распад переохлажденного аустенита, тем более дисперсной и твердой получается перлитная структура: при скорости V1 – перлит, V2 – сорбит, V3 – троостит.

Видно также, что при скорости V ≥ V4 аустенит не успевает превратиться ни в одну из перлитных структур, т.к. при таком быстром охлаждении «проскакивает» область высоких температур, в результате его диффузионный распад на феррит и цементит становится невозможным.



Рис.2.2.3. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита (эвтектоидная сталь) с нанесенными на нее скоростями охлаждения

Тm и m – температура и времи минимальной устойчивости переохлажденного аустенита

^ Минимальная скорость охлаждения, при которой не происходит распада аустенита на смесь Ф+Ц, называется критической скоростью закалки Vкр (она характеризуется наклоном линии V, касательной к кривой начала распада А на Ф и Ц, т.е. Vкр = V4).

Таким образом при охлаждении стали со скоростью V ≥ Vкр (закалке, см. начало темы 2.2.1) аустенит переохлаждается до таких низких температур, где диффузия атомов практически отсутствует. Если бы стали не обладали полиморфизмом, закалка приводила бы к сохранению аустенитной структуры1. Наличие полиморфизма вызывает γ→α превращение аустенита, но, в отличие от перлитного превращения, бездиффузионным мартенситным путем при охлаждении в интервале Мн…Мк (температуры начала и конца мартенситного превращения соответственно, см. рис. 2.2.3).

Равновесная α–фаза в сталях – это феррит – твердый раствор углерода в α–железе, содержащий ≤0,02 %С2. Из-за бездиффузионного характера мартенситного превращения содержание углерода в исходной γ–фазе (аустените) и конечной α–фазе должно быть одинаково. Но, т.к. в аустените углерода гораздо больше (0,8 %), в результате закалки α–фаза оказывается пересыщенной углеродом; она называется мартенситом.

Таким образом, мартенсит, как и феррит – твердый раствор углерода в α–Fe, но в отличие от феррита он пересыщен углеродом.

Вследствие этого пересыщения решетка мартенсита становится тетрагональной (в отличие от ОЦК решетки феррита – рис. 2.2.4), она характеризуется двумя параметрами с и а; очевидно, что степень тетрагональности >1.





Рис. 2.2.4. Кристаллические решетки феррита и мартенсита

Образование мартенсита с тетрагональной решеткой приводит к появлению сильных внутренних напряжений, резкому повышению плотности дислокаций и степени дисперсности структуры, соответственно значительно возрастает твердость и прочность (вспомни пути повышения прочности, раздел 1.2.2 и 1.2.3). Очевидно, что действие перечисленных упрочняющих факторов тем эффективнее, чем больше углерода в стали, т.к. возрастает степень пересыщения решетки мартенсита углеродом, увеличиваются степень тетрагональности и внутренние напряжения. Поэтому твердость закаленной стали (мартенсита) растет с увеличением содержания в ней углерода – рис. 2.2.5.



Рис. 2.2.5. Влияние содержания углерода на твердость стали в закаленном состоянии и отожженном состояниях. Для сравнения наряду с твердостью мартенсита (М) приведены значения твердости перлита (П), сорбита (С), троостита (Т) эвтектоидной стали


На этом же рисунке для сравнения приведены твердости перлитных структур в эвтектоидной стали (из данных рис. 2.2.2,б), а также зависимость твердости сталей в отожженном состоянии от содержания углерода (из рис. 2.1.3).

Из рис. 2.2.5 отчетливо видно, что:

1. степень упрочнения стали в результате закалки (характеризуется разницей между двумя зависимостями HRC=f(С)) возрастает пропорционально содержанию в ней углерода;

2. мартенсит – самая твердая из всех структур, которые могут быть получены из переохлажденного аустенита. Это основное достоинство мартенсита (закаленной стали), но, к сожалению, он обладает повышенной хрупкостью, которая растет с увеличением содержания углерода в стали. Поэтому после закалки на мартенсит стали необходимо подвергать отпуску, главная цель которого повышение пластичности и ударной вязкости закаленной стали.

^ 2.2.2. Отпуск (превращения в закаленной стали при нагреве)

Мартенсит, получаемый в результате закалки неравновесная, неустойчивая структура, поэтому он может длительно сохраняться лишь при достаточно низких температурах (≤ 100…150 оС), где диффузия атомов несущественна.

При нагреве закаленной стали в докритическом интервале температур (Т<А1=727 оС) в ней развиваются диффузионные процессы, постепенно приближающие структуру и свойства стали к равновесному состоянию – это процессы отпуска.

Структура и свойства стали при отпуске зависят от температуры нагрева. Соответственно различают три вида отпуска: низкий (≈200 оС), средний (≈400 оС), высокий (≈600 оС).

При низком отпуске существенных изменений в структуре еще не происходит (структура - мартенсит отпуска), лишь уменьшается степень тетрагональности, частично снимаются внутренние напряжения, незначительно понижается твердость и повышается пластичность. Низкий отпуск применяют в тех случаях, когда от изделий в первую очередь требуется высокая твердость (режущий, измерительный и холодноштамповый инструмент, детали шариковых подшипников, шестерни после цементации и т.п.).

^ При среднем отпуске избыточный углерод в виде мельчайших частиц цементита практически полностью покидает решетку мартенсита. Решетка мартенсита обезуглероживается и превращается в ОЦК решетку феррита (степень тетрагональности = 1).

В результате образуется феррито – цементитная смесь, называемая трооститом отпуска. Твердость и прочность заметно понижаются, повышается ударная вязкость. Такая структура при твердости HRC 35…45 обеспечивает наибольшую упругость стали, поэтому средний отпуск обычно применяют для пружин, рессор, мембран, ударного инструмента.

^ При высоком отпуске изменений в фазовом составе (Ф+Ц) уже не происходит (см. диаграмму Fe–Ц), но развиваются диффузионные процессы укрупнения и округления частиц цементита, что сопровождается дальнейшим снижением прочности и твердости, повышением пластичности и ударной вязкости. Соответствующая структура называется сорбитом отпуска.

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она применяется для ответственных изделий (валов, рычагов, зубчатых колес и т.п.), изготавливаемых из среднеуглеродистых (0,3…0,5 %С) улучшаемых сталей, т.к. обеспечивает в этом случае наилучший комплекс механических свойств – максимальную ударную вязкость при достаточно высокой прочности. Высокие механические свойства сорбита отпуска обусловлены малыми размерами и округлой формой частиц цементита (в отличие от сорбита закалки, в котором острые концы пластинок цементита играют роль концентраторов напряжений, способствующих зарождению микротрещин).

На рис. 2.2.6 в качестве примера показано изменение механических свойств стали 45 в зависимости от температуры отпуска.



Рис. 2.2.6. Зависимости механических свойств закаленной стали от температуры отпуска (сталь 45)

Заметим, что с повышением температуры отпуска свойства приближаются к значениям, соответствующим отожженному (равновесному) состоянию, но не достигают их даже при высоком отпуске (в частности, сохраняется более высокая твердость и прочность).

Очевидно, что правильный выбор температуры отпуска позволяет сформировать окончательную структуру и комплекс механических свойств, обеспечивающих успешную работу изделия данного назначения.


Внимание!

В начале этой темы (2.2) отмечалось, что все ответственные стальные изделия должны проходить упрочняющую термическую обработку, состоящую из закалки и отпуска. Поэтому данная тема с точки зрения и теории и практики – одна из наиболее важных в курсе материаловедения. Соответствующие знания совершенно необходимы для выполнения как первой, так и второй части контрольной работы, посвященной выбору материалов для изделий различного назначения. Поэтому изучению материала данной темы нужно уделить особое внимание. Все явления, касающиеся термической обработки сталей, входят и в обязательный перечень экзаменационных вопросов. Рекомендуется также выполнить лабораторную работу 6 и, конечно, ответить на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки к теме 2.2

1. Из каких этапов состоит упрочняющая термическая обработка сталей?

2. Что такое закалка сталей? Какова ее цель?

3. Нарисуйте диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали; объясните смысл ее линий.

4. Что такое критическая скорость закалки (Vкр)? Как определяется ее величина?

5. Какую структуру и механические свойства приобретает сталь при охлаждении со скоростью V ≥ Vкр?

6. Какие структуры получаются в стали при охлаждении со скоростями Vкр? Что у них общего, чем отличаются?

7. В чем принципиальное отличие мартенситного превращения от перлитного?

8. В чем причина высокой твердости мартенсита? Как зависит твердость закаленной стали от содержания в ней углерода?

9. Каков недостаток стали после закалки?

10. Что такое отпуск, какова его цель?

11. Перечислите виды и режимы отпуска.

Как изменяются структура и свойства закаленной стали с повышением температуры отпуска?

12. Что такое «улучшение»? Какие стали (и изделия) ему подвергаются?

Промежуточные Тесты к теме 2.2

I. Какая обработка стальных изделий называется «улучшением»:

1. закалка;

2. закалка + низкий отпуск;

3. высокий отпуск;

4. закалка + высокий отпуск;

5. шлифовка поверхности.

II. Какая фаза должна обязательно присутствовать в стали при температуре ее нагрева под закалку:

1. мартенсит;

2. цементит;

3. феррит;

4. аустенит;

5. перлит.

III. Какая структура обеспечивает максимальную твердость доэвтектоидной стали:

1. перлит + феррит;

2. троостит;

3. мартенсит отпуска;

4. мартенсит;

5. сорбит отпуска.

IV. Какую структуру должна иметь ответственная деталь из среднеуглеродистой стали, работающая при динамических (ударных) нагрузках:

1. мартенсит;

2. феррит + перлит;

3. мартенсит + цементит вторичный;

4. мартенсит отпуска;

5. сорбит отпуска.

V. Полная закалка – это закалка стали из однофазного аустенитного состояния. Какая структура получается при полной закалке доэвтектоидных сталей:

1. мартенсит + цементит вторичный;

2. мартенсит;

3. феррит + перлит;

4. мартенсит +феррит;

5. аустенит.

VI. Для заэвтектоидных сталей применяют закалку из двухфазного состояния (неполную). Какую структуру должна иметь сталь У10 после такой закалки:

1. перлит + цементит вторичный (П + Ц II);

2. мартенсит (М);

3. аустенит + ЦII ;

4. М + ЦII;

5. М + феррит.

VII. Как изменяются прочность (в) и ударная вязкость (KCU) с повышением температуры отпуска:

1. в и KCU увеличиваются;

2. в растет, KCU падает;

3. в падает, KCU растет;

4. в не изменяется, KCU растет;

5. в и KCU уменьшаются.

VIII. Какое из перечисленных утверждений неверно?

Высокая твердость стали с мартенситной структурой обусловлена:

1. высокой плотностью мартенсита;

2. дисперсностью структуры;

3. пересыщением решетки мартенсита углеродом;

4. большим количеством дислокаций;

5. наличием сильных внутренних напряжений.



1 Стали, в которые специально вводятся примеси – легирующие элементы (см. ниже, раздел 2.3); очевидно, они еще дороже качественных углеродистых, поэтому экономически нецелесообразно использовать изделия из этих сталей в неупрочненном состоянии.

2 Обычно перед закалкой делается отжиг для улучшения структуры заготовок и облегчения механической обработки. Отжиг – нагрев стали до аустенитного состояния и последующее медленное охлаждение с печью, в результате чего формируется равновесная структура в стали в соответствии с диаграммой Fe–Ц.

1 Поскольку в до – и заэвтектоидных сталях помимо перлитного превращения (2.2.1) происходят изменения в структуре на линияхА3 и Асm диаграммы Fe–Ц, то и «С – диаграммы» этих сталей выглядят сложнее. Однако главные процессы, происходящие при закалке сталей, могут быть поняты с помощью наиболее простой диаграммы, приведенной на рис. 2.2.2.

1 Названия последних структур – по фамилиям исследователей: Sorby и Troost.

2


 Это осуществляется использованием закалочных сред с различными охлаждающими способностями.

1


 В общем случае под закалкой понимают сохранение высокотемпературного состояния с помощью быстрого охлаждения сплава.

2 Такой низкий предел растворимости С в α–Fe обусловлен отсутствием в ОЦК решетке феррита необходимых по размеру межатомных пустот для размещения атомов углерода.


©Шадричев Е.В.

©Северо-западный государственный заочный технический университет, кафедра материаловедения, технологии металлов и покрытий


Добавить документ в свой блог или на сайт



Похожие:

Конспект «Материаловедение» iconКонспект лекций «материаловедение» ч. 1
Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. 528с

Конспект «Материаловедение» iconКонспект лекций «материаловедение» ч. 1
Дефекты кристаллической решетки (несовершенства кристаллического строения реальных металлов)

Конспект «Материаловедение» iconКонспект «Материаловедение»
Особый интерес представляет влияние структурных превращений при термической обработке на механические свойства сталей

Конспект «Материаловедение» iconСписок основной: Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. 528 с. Материаловедение / Под общ ред. Б. Н. Арзамасова. М.: Изд-во мгту им. Н. Э. Баумана, 2002
Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. 528 с

Конспект «Материаловедение» iconКонспект «Материаловедение»
Во Введении подчеркивалось, что свойства (в нашем случае механические) – наиболее интересующая потребителя часть информации о материале...

Конспект «Материаловедение» iconПрограмма курса электротехническое материаловедение
Обязательный минимум содержания образовательной программы по направлению 551300 по дисциплине дн. 04 “Электротехническое материаловедение”...

Конспект «Материаловедение» iconКонспект лекций «материаловедение» ч. 1
В предыдущей теме отмечалось, что в технике используют в основном не чистые металлы, а сплавы различного назначения конструкционные,...

Конспект «Материаловедение» iconКонспект лекций «материаловедение» ч. 1
Очевидно, что метод сплавления позволяет получить и более широкий диапазон специфических полезных свойств (например, жаропрочность,...

Конспект «Материаловедение» iconКонспект «Материаловедение»
Этот метод (сплавления) позволяет получить также более широкий диапазон особых полезных свойств (например, жаропрочность, коррозионную...

Конспект «Материаловедение» iconКонспект лекций «материаловедение» ч. 1
В каждом из этих агрегатных состояний вещество может находиться бесконечно долго при заданных внешних условиях, что является признаком...

Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©znanie.podelise.ru 2000-2013
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы