книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

Перлитное превращение при охлаждении аустенита. В процессе ох­ лаждения стали в аустенитном состоянии (из области высоких темпера­ тур) превращение аустенита происходит только после его переохлажде­ ния ниже эвтектоидной температуры А гх = 727 °С. Это объясняется изме­ нением свободной энергии фаз и структур сплавов при нагреве и охлаж­ дении. При низких температурах меньшим запасом свободной энергии обладает перлит (Fn) по сравнению с аустенитом (F^ ), поэтому при пе­ реохлаждении стали аустенит превращается в пластинчатый перлит: А -»• ->Я=Ф + Ц (ферритно-цемептитную смесь). Рассмотрим процессы, когда каждый образец стали, после нагрева до аустенитного состояния, быстро переносят в ванную с определенной температурой, соответствующей за­ данной степени переохлаждения ниже точки А г^, где и выдерживают их до завершения превращения, т.е. превращение аустенита протекает изо­ термически (при постоянной температуре).

Чем больше степень переохлаждения аустенита, тем мельче образуе­ мая из него ферритно-цементитная смесь. Полученные перлитные струк­ туры называют по-разному. При малых степенях переохлаждения аусте­ нита в интервале температур 727—650 °С полученную структуру назы­ вают перлитом: А ~*П. При большей степени переохлаждения в интервале температур 650—600 °С полученную структуру после превращения аусте­ нита называют сорбитом С (более мелкая,чем перлит, пластинчатая фер­ ритно-цементитная смесь) : А -+С. При еще больших степенях переохлаж­ дения в интервале температур 600-500 °С полученную структуру назы­ вают троститом Т (более тонкопластинчатая ферритно-цементитная смесь по сравнению с сорбитом) : А ^ Т .

Превращение аустенита в перлитные структуры (Ф +lf) протекает в интервале температур, т.е. наблюдается начало и конец превращения:

А ~>П = Ф + Ц.

Образование различных структур при разных степенях переохлаж­ дения аустенита наглядно иллюстрирует диаграмма изотермического

стали). При каждой температуре изотермического превращения аустени­ та на диаграмму наносят точки начала (а1- а 6) и конца (Ьх - Ъ%) пре­ вращения аустенита. Затем точки начала распада аустенита соединяют одной линией (левая линия), а точки конца распада аустенита —другой линией (правая линия). Такая диаграмма изотермического распада аустенита носит название С-кривой. Между осью температур и линией на­ чала распада аустенита наблюдается область, в которой аустенит еще не распадается (инкубационный период) . Образующиеся при распаде аусте­ нита перлитные структуры (перлит, сорбит, тростит) находятся в интер­ вале температур до изгиба С-кривой. Между линиями начала и конца рас­ пада аустенита С-кривой структура стали состоит из аустенита и соот-

23

Рис. 16. Наложение на диаграмму изотер­ мического превращения аустенита кривых непрерывного охлаждения:

Рис. 15. Диаграмма изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали

ветствующих перлитных структур. Для до- и заэвтектоидной стали у верхней части С-кривой на диаграмме изотермического превращения аустенита имеются соответственно линия предварительного выделения феррита и линия предварительного выделения вторичного цементита.

Мартенситное превращение аустенита. При очень больших степенях переохлаждения в интервале температур 200—250 °С распада аустенита на перлитные структуры ( Ф + Ц) не происходит. В условиях такого рез­ кого переохлаждения диффузия атомов углерода не протекает. Успева­ ют лишь атомы железа перестроиться из кристаллической решетки аустенита ГЦК в кристаллическую решетку феррита ОЦК, а углерод, растворенный в аустените, остается в новой решетке, что приводит к сильному ее искажению, и кристаллическая решетка получается тетраго­ нальной —вытянутый куб (см. рис. 8,в). Структура закаленной стали называется мартенситом. Мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в железе Fea. Его микроструктура имеет игольчатый вид. Он обладает очень высокой прочностью, твердостью НВ 600 (по Бринеллю) и практически нулевой пластичностью и вязкостью.

Мартенситное превращение протекает в интервале температур: су­ ществует начало Мн и конец Мк мартенситного превращения (см. рис. 15). Чем больше в стали углерода, тем при более низких температу­ рах будет происходить превращение аустенита в мартенсит {А -+М) , тем ниже температура точек Мн и Мк . Например, при 0,6%-ном содержа­

24

нии углерода в стали мартенситное превращение заканчивается при тем­ пературах ниже нуля. Это значит, что для получения полного превраще­ ния А -+М необходимо охлаждать сталь до отрицательных температур (ниже 0).

Обычно для высокоуглеродистых сталей в условиях резкого их пе­ реохлаждения полного превращения аустенита в мартенсит не происхо­ дит, всегда остается часть непревращенного аустенита, называемого оста­ точным аустенитом. Чем больше сталь содержит углерода, тем больше в ее микроструктуре будет наблюдаться остаточного аустенита. Образова­ ние мартенсита сопровождается увеличением его объема и напряженного состояния кристаллической решетки и структуры. Структуры распада аустенита располагаются по возрастанию объема в следующем порядке: аустенит, перлит, сорбит, тростит, мартенсит.

Бейнитное превращение аустенита. При переохлаждении до темпера­ тур 500—250 °С, расположенных ниже изгиба С-кривой (см. рис. 15), аустенит превращается в бейнит —промежуточную структуру, образова­

ния в отдельных участках переохлажденного аустенита. Это происходит в результате перераспределения углерода в таких участках. В зависимости от температуры изотермического превращения различают верхний и нижний бейнит. Верхний бейнит образуется при более высоких темпера­ турах, имеет перистое строение, напоминающее перлит, его твердость НВ 350; нижний бейнит имеет игольчатое строение, похожее на строение мартенсита, его твердость НВ 450. В отличие от мартенсита бейнит наря­ ду с несколько меньшей твердостью и прочностью обладает повышенной вязкостью.

Превращение аустенита при непрерывном охлаждении. Термическую обработку стали проводят после нагрева до соответствующей температу­ ры при непрерывном охлаждении. Кривые охлаждения строят в коорди­ натах температур Т —время t , поэтому их можно нанести на диаграмму изотермического превращения аустенита (рис. 16). Верхняя кривая охлаждения Vi пересекает С-кривую в области распада аустенита при вы­ соких температурах, соответствующих небольшому переохлаждению. Значит, при охлаждении стали с медленной непрерывной скоростью аустенит будет распадаться на перлит 77, как и при изотермическом пре­ вращении, с небольшим переохлаждением. При увеличении скорости охлаждения (кривые v2 и i>3) аустенит будет превращаться в сорбит С и тростит Т соответственно, так как эти кривые v2 и v3 пересекают С-кривую при более низких температурах и более высоких степенях пе­ реохлаждения. При охлаждении стали с большой скоростью (кривая охлаждения v к касается изгиба С-кривой) превращения аустенита в пер­ литные пластинчатые структуры (Ф + Ц) не происходит (нет пересечения С-кривой). Аустенит переохлаждается до температуры начала мартенсит­

25

ного превращения Мн и превращается в мартенсит М. Эта минимальная скорость охлаждения стали, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью охлаждения. При охлаждении стали со скоростью, несколько меньшей критической, происходит частичное превращение аустенита в перлитную структуру —тростит (частичное пересечение кривой т4 с С-кривой). Да­ лее сильно переохлажденный аустенит превращается в мартенсит. Обра­ зовавшаяся структура после охлаждения будет состоять из тростита и мартенсита (тростомартенсит).

Бейнитную структуру можно получить у стали, если после нагрева ее переохладить ниже изгиба С-кривой и выдержать при этой температуре до полного распада аустенита (А -*/>).

Охлаждение стали с любой скоростью, превышающей критическую, приводит к превращению аустенита в мартенсит (например, кривая vs ), называемому закалкой. Если сталь содержит большое количество угле­ рода (0,6 % и более), то кроме мартенсита в структуре стали будет на­ блюдаться остаточный аустенит А ост.

Более наглядное представление о превращении аустенита при не­ прерывном охлаждении стали дают диаграммы анизотермического превращения аустенита (рис. 17) . Их строят на основании наблюдения за процессом непрерывного охлаждения стали с различными скоростями после нагрева до соответствующих температур, превышающих критиче­ ские точки. Точки начала и конца превращения в стали при каждой ско­ рости охлаждения наносят на кривые охлаждения, построенные в коор­ динатах температура Т — время t . Интервалы одинаковых превращений объединяют в области перлитного (перлит, сорбит, тростит) и мартен­ ситного превращения аустенита.

Превращения мартенсита и остаточного аустенита при нагреве. Мар­ тенситная структура закалки стали неустойчива и сильно напряжена. При последующем нагреве мартенситной структуры стали наблюдаются сле­ дующие ее превращения.

При нагреве до температуры 100—200 °С происходят процессы, спо­ собствующие выделению углерода из мартенсита. Снимаются внутренние напряжения в стали, уменьшается тетрагональность кристаллической ре­ шетки. Она становится почти кубической. Прочность и пластичность практически не изменяются. Такую структуру стали называют ’’отпущен­ ный мартенсит” (первое превращение).

Нагрев при температуре 200-300 °С приводит к распаду мартенсита

свыделением углерода.

Ввысокоуглеродистых сталях, в которых кроме мартенсита присут­ ствует аустенит А ост, происходит его превращение в отпущенный мар­

тенсит Лост ~*М. Это сопровождается повышением прочности и твердо­ сти стали (второе превращение).

Нагрев при температуре 300—400 °С приводит к полному распаду

26

3 * s

мартенсита на мелкозернистую смесь феррита и цементита — тростит (третье превращение).

При более высокой температуре нагрева 400—650° С происходит укрупнение (коагуляция) и округление (сфероидизация) зерен феррита и цементита. Такая более крупная зернистая смесь феррита и цементита называется сорбитом (четвертое превращение).

С увеличением температуры нагрева до 300—650 °С изменяются ме­ ханические свойства стали (рис. 18): уменьшаются прочность и твер­ дость, повышаются пластичность и вязкость стали. Термическая обработ­ ка, заключающаяся в последующем нагревании закаленной стали с мар­ тенситной структурой, называется отпуском.

ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Виды термической обработки стали русский ученый А.А. Бочвар подраз­ делил на четыре группы: отжиг первого рода, отжиг второго рода, за­ калка и отпуск. При этом свойства стали изменяютсятолько от термиче­ ского воздействия на металл. Кроме этих групп основных видов терми­ ческой обработки стали широко применяются два сложных метода ее упрочнения: химико-термическая и термомеханическая обработка стали. Химико-термическая обработка стали сочетает химическое и термиче­ ское воздействие на металл, а термомеханическая —термическое и пла­ стическое.

Рис. 19. Интервалы температур наг­ рева углеродистых сталей в зависи­ мости от содержания углерода С для различных видов отжига

Отжиг — вид термической обработки, при котором изделия нагрева­ ют до определенной температуры, выдерживают длительное время в за­ висимости от их размера, а затем медленно охлаждают вместе с печью.

Отжиг первого рода подразделяется на диффузионный и низкий. Диффузионный отжиг (гомогенизация) заключается в нагреве стали

до высоких температур 1000—1100 °С (рис. 19), длительной выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью с целью фазовой перекристаллизации. Применяют для слитков и крупных стальных от­ ливок, выравнивания химической неоднородности их состава в зернах и зонах, т.е. для уменьшения дендритной и зональной ликвации. Ввиду сильного роста зерен при диффузионном отжиге заготовки после него подвергают дополнительной термической обработке, например обычно­

му отжигу.

Низкий отжиг заключается в нагреве стали ниже нижней критиче­ ской точки А с\ , выдержке и последующем медленном охлаждении вме­ сте с печью. Применяют для снятия внутренних напряжений (например, после сварки) . Такой отжиг протекает без фазовой перекристаллизации. Рекристаллизационный (низкий) отжиг используют после холодной пла­ стической деформации (наклепа) для улучшения пластических свойств стали.

Таким образом, отжиг первого рода применяют, когда предшествую­ щая обработка приводит металл в неустойчивое состояние. Нагрев при отжиге увеличивает тепловую подвижность атомов, поэтому процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, умень­ шение искажений кристаллической решетки, диффузия и т.п.), достига­ ют заметных скоростей.

Отжиг второго рода подразделяется на полный, неполный и изотер­ мический. Разновидностью отжига является нормализация. Цель отжига второго рода - фазовая перекристаллизация и снятие внутренних напря­ жений. В процессе отжига изменяются форма и размер фаз, в результате

28

чего получается структура, состоящая из феррита и цементита (карби­ дов) с наименьшей твердостью и большой пластичностью.

Полный отжиг заключается в нагреве стали выше верхней критиче­ ской точки Ас3 (см. рис. 19) на 30—50 °С, выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью. Применяют его для доэвтектоидной стали. Исходная структура, состоящая из феррита и перлита, при нагреве превращается в мелкозернистый аустенит. При медленном охлаждении аустенит распадается с образованием мелкозернистой фер­ ритно-перлитной структуры. Заэвтектоидную сталь полному отжигу не подвергают.

Неполный отжиг заключается в нагреве стали выше нижней критиче­ ской точки Ас\ на 30-80 °С, но ниже верхней критической точки Ас3 , выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью. Применяют его для эвтектоидной и заэвтектоидной стали. Исходная структура заэвтектоидной стали, состоящая из перлита и вторичного це­ ментита, после нагрева состоит из аустенита и цементита (А + Ц) . При медленном охлаждении цементит получается зернистым, поэтому после отжига сталь состоит из зернистого перлита и цементита. Эвтектоидная сталь после отжига второго рода имеет также структуру зернистого пер­ лита. Неполный отжиг заэвтектоидной стали называют сфероидизацией.

Неполному отжигу доэвтектоидную сталь подвергают редко, так как перекристаллизацию претерпевает один перлит, а феррит остается неиз­ мененным. Иногда его применяют для поковок и сортового проката из доэвтектоидной стали, чтобы снять внутренние напряжения и улучшить обрабатываемость резанием.

Изотермический отжиг — вид обработки, при которой сталь нагре­ вают до соответствующей температуры в зависимости от содержания уг­ лерода, а затем быстро охлаждают до температуры, лежащей ниже точки А гх на 100—150 °С, выдерживают при ней до полного распада аустенита

иохлаждают на воздухе. При этом сокращается время полной обработки

иполучается более равномерная микроструктура стали, чем при обыч­ ном отжиге.

Нормализация — вид термической обработки, при которой сталь с любым содержанием углерода нагревают выше точек Ас3 и А ст, выдер­ живают при этой температуре, а затем охлаждают на спокойном воздухе (в цехе).

После нормализации в микроструктуре стали наблюдается по сра­ внению с перлитом отжига более тонкопластинчатая смесь феррита и цементита, называемая сорбитом. Сорбит имеет несколько большую прочность и пластичность, чем перлит, поэтому нормализация часто яв­

ляется окончательной термической обработкой, когда у изделий не требуется высокой прочности. При нормализации устраняют струк­ турную неоднородность и внутренние напряжения в стали. Цель нормали­ зации — устранение некоторых дефектов структуры стали после преды-

29

предварительная подготовка структуры стали к последующим техноло­ гическим операциям (закалке, обработке резанием).

Закалка — вид термической обработки, при которой изделие нагре­ вают до соответствующей температуры в зависимости от химического состава (рис. 20), выдерживают при этой температуре, а затем охлажда­ ют с большой скоростью, превышающей критическую для данной стали, с целью получения наивысшей твердости и прочности. Среднеуглероди­ стые стали, как правило, охлаждают при закалке в воде, высокоуглеро­ дистые и конструкционные легированные стали —в массе, а некоторые высоколегированные стали —на воздухе и в солях с учетом их критиче­ ской скорости охлаждения. Вода охлаждает намного сильнее масла. До­ бавление к воде солей, щелочей увеличивает ее закаливающую спо­ собность.

Закалка подразделяется на полную, неполную, изотермическую, а также другие разновидности, позволяющие снижать остаточные напря­ жения в стали.

Полная закалка - термическая обработка, при которой сталь нагре­ вают до температуры, превышающей верхнюю критическую точку Ас3 на 30—50 °С, и охлаждают со скоростью, превышающей критическую ук (рис. 21, прямая 7). Применяют ее для среднеуглеродистой доэвтектоидной стали, структура которой после закалки представляет собой мартенсит, обладающий высокой твердостью и прочностью.

Неполная закалка — термическая обработка, при которой сталь на­ гревают до температуры, превышающей нижнюю критическую точку Ас\

30