книги из ГПНТБ / Физические основы электротермического упрочнения стали

А К А Д Е М И Я

Н А У К

У К Р А И Н С К О Й

С С Р

У Д К

G69. 017. 3: 539. 3. 539.

4: 069.

07 5. 8

6П3.1

Ф50

5

о, >. v - -••

- Э др, д

278

3111—

27в

М22К04)—73 2 2 - 7 3

(С) Издательство «Наукова думка», 1973 г.

Разработка новых методов упрочнения металлических

сплавов и

самого

распространенного

из

них — стали

является

актуальной

задачей современной физической и металловедческой науки и прак­

тики. В последние годы появилось много новых способов воздействия на

структурное состояние сплавов, что позволило существенно повысить

их прочность, надежность и другие эксплуатационные характеристики.

Благодаря успехам, достигнутым в технологии скоростных методов на­

грева, например токами высокой частоты, широкое промышленное при­

менение получила индукционная закалка как один из современных

видов упрочняющей обработки машиностроительных деталей. Это сти­

мулировало научные исследования по проблеме образования аустенита

при нагреве со скоростями 100

и более градусов в секунду. За сравни­

тельно короткий период был накоплен обширный экспериментальный

'

материал и сделаны во многом неожиданные выводы, в которых под­

черкивалась принципиальная важность изучения превращений в сталях

при скоростном нагреве как самостоятельной проблемы современного

физического металловедения.

Систематические исследования фазовых и структурных

превраще­

ний в сплавах при повышенных скоростях нагрева были начаты более

•

30 лет тому

назад и проводились на эвтектоидных

медно-алюминиевых

сплавах,

в которых впервые были

обнаружены новые явления, получив­

шие название обратных мартенситных превращений. Именно на этих

сплавах с помощью микрокиносъемки в 1938 г. удалось показать кине­

тику образования мартенситоподобных фаз при нагреве закаленных

сплавов. В последующие годы мартенситный

механизм образования вы­

сокотемпературных фаз был обнаружен в других

системах

(железо —

никель, железо — марганец, титан — хром, титан — олово), и, таким об­

разом, это явление оказалось не столь редким, как первоначально пред­

полагалось.

Вполне естественным

развитием исследований был поиск

обратных мартенситных превращений при нагреве

железоуглеродистых

и

ряда легированных сталей. Казалось, что при очень высоких скорос­

тях нагрева (10*—105 град/сек)

удастся подавить

диффузию

углерода и

создать

благоприятные условия для упорядоченного бездиффузионного

превращения. Однако эти предположения не подтвердились. В лучшем

случае лишь о некоторых легированных сталях были получены данные,

свидетельствовавшие о частичной реализации этого процесса

(например,

в

сплавах

железо — никель — углерод).

Вскоре

было установлено,

что механизм, кинетика и температурные условия фазовых

переходов

существенно зависят от исходного состояния сплава. При кратковре­

менном (импульсном) нагреве сплавов, находящихся в метастабильном

состоянии (закаленных, деформированных, облученных), неизбежны

релаксационные процессы с потенциальной

возможностью образования

$

таких промежуточных структур, которые не могут быть получены при

стандартных видах термической

обработки.

Интерес к исследованию особенностей фазовых и структурных изме­

нений в сталях при быстром нагреве особенно повысился, когда выяс­

нилось, что, применяя электроотпуск к закаленной стали,

можно до«

стнчь сочетания механических свойств, аналогичного эффекту

легирова­

ния стали. Формирование нового вида упрочняющей обработки — ско­

ростной электротермической обработки стали (СЭТО) связано с разви­

тием исследований по электроотпуску,

начало которым было положено

уральской школой металловедов. Оказалось, что в формировании струк­

турных состояний, приводящих к необходимому эффекту упрочнения,

электроотпуск играет не менее значительную роль, чем электрозакал:<а.

Именно благодаря объединению этих двух элементов в едином процес­

се создается новое качество, новый вид обработки — СЭТО, который в

будущем для некоторых изделий (проволока, пружины и др.) практи­

чески заменит обычную обработку в печах, и радикально

преобразует

всю технологию термического упрочнения стали.

Для исследования фазозых

превращений при высоких

скоростях

нагрева была разработана специальная безынерционная

аппаратура,

с помощью которой можно было одновременно регистрировать измене­

ние нескольких параметров (температуры, удлинения, электрического

сопротивления, магнитных свойств, параметра кристаллической решет­

ки, ширины рентгеновских линий), что позволило получить широкую

информацию и значительно повысить надежность эксперимента. По мере

совершенствования методов исследования непрерывно расширялся круг

его задач. Первоначально определялось влияние скорости нагрева на

температуру фазовых превращений и делались попытки выяснить ме­

ханизм превращений, в последующие

же годы исследовалось

также

влияние дефектов кристаллического строения на механизм и кинетику

фазовых переходов, выяснилась роль «наследственной» передачи дефек­

тов от одной фазы к другой, G помощью методов микрокалориметрии бы­

ли получены важные данные о кинетике релаксации запасенной энергии

в результате предварительной механико-термической обработки, о ка­

чественных и количественных ее изменениях в период фазовых

перехо­

дов и в период развития рекристаллизационных и полигонизационных

процессов. Наконец, в самое последнее время для изучения структурных

изменений в карбидной фазе при пластической деформации и последую­

щих кратковременных нагревах был использован метод Мёссбауэра.

Наиболее важные в теоретическом и практическом отношении ре­

зультаты получены при исследовании корреляционной связи между

структурой и свойствами сплава. Установленные закономерности поз­

волили не только выяснить природу упрочнения, но и прогнозировать

возможность получения высокопрочных сплавов. Большой экспери­

ментальный материал, накопленный за многие годы нашим коллекти­

вом, дает основание утверждать, что СЭТО является очень эффективным

методом получения высокодисперсных

(или мелкозернистых)

структур

с оптимальным соотношением свойств

прочности и пластичности, Ра-

6

зумеется, для создания оптимальных структур не могут быть рекомен-

обобщен

большой экспериментальный

материал,

полученный нами

за многие

годы исследований. Принятый

в книге

порядок изложения

вестно, что за последние

50 лет временное сопротивление о в углероди­

стых сталей в изделиях

массового выпуска возросло примерно с 30 до

75 кГ/мм*, а в изделиях специального назначения — с 75 до 300 кГ/мм*

•

Г л а в а

п е р в а я

От условий нагрева при аустенизации, и в первую очередь от

скорости

и температуры нагрева, а также от времени выдержки в

нагретом

состоянии часто

зависят

конечные свойства

закаленной

стали [1 ]. Поэтому процессам аустенизации в металловедении и тер­

мообработке стали всегда уделялось большое внимание. На основе

многолетнего опыта и научных исследований построена диаграмма

состояния железо — углерод 12], по которой можно научно обосно­

вать выбор режима аустенизации стали при различных видах терми­

ческой обработки с помощью обычного технологического оборудо­

вания — печей и ванн с расплавами. Однако по диаграмме состоя­

ния, являющейся диаграммой фазовых равновесий, принципиально

невозможно определить кинетические условия аустенизации. Необ­

ходимые технологические рекомендации можно получить только при

лабораторных исследованиях. По существу выбор длительности тех

или иных

технологических

операций при термической

обработке

стали, особенно для аустенизации,

ранее был построен

на сугубо

эмпирической основе. Первые эксперименты по изучению фазовых

превращений в стали при прямом нагреве электрическим током [3J

дали неожиданные результаты. Оказалось, что процесс аустенизации

при электронагреве происходит намного быстрее, чем при тех же

температурах в печах или ваннах. Это настолько не соответствовало

установившимся представлениям и принятым нормам термообработ­

ки, что возник вопрос о причинах столь резкого ускорения процесса

образования аустенита при прямом электронагреве стали — пробле­

ма «специфики электронагрева». Н. В. Гевелинг выдвинул идею о

локальных перегревах вблизи различных структурных составля­

ющих вследствие проявления микронеоднородностей в

выделении

9