Промежуточное (бейнитное) превращение

При изотермической выдержке в интервале температур от 500 °С до точки Мн образуется структура, называемая б е й н и т о м. Бей­нитное превращение характерно сочетанием особенностей как диффу зионного перлитного, так и бездиффузионного мартенситного превра­щений, и поэтому оно называется также промежуточным превраще­нием (промежуточным между перлитным и мартенситным).

Бейнитное превращение начинается с перераспределения углерода в переохлажденном аустените, где образуются обедненные и обогащен­ные углеродом участки аустенита. Участки обедненного аустенита претерпевают мартенситное превращение. Образовавшийся мартенсит неустойчив при этих температурах и в процессе изотермической вы­держки распадается на ферритно-цементитную смесь.

В участках аустенита, обогащенных углеродом, выделяется цемен­тит, при этом образуются участки аустенита, обедненные углеродом, в которых происходит мартенситное превращение, а затем распад мартенсита на ферритно-цементитную смесь. Кроме бейнита в струк­туре стали после промежуточного превращения присутствует остаточ­ный аустенит.

Феррит в бейните в отличие от феррита в перлите является пере­сыщенным твердым раствором углерода в а-железе; при изотермичес­ком превращении при температуре 400 °С в нем содержится 0,1 % углерода, а при 300 °С — 0,2 % углерода.

В зависимости от температуры изотермической выдержки разли­чают верхний (от 500 до 350 °С) и нижний (менее 350 °С) бейнит. Верхний бейнит с твердостью НВ 450 имеет перистое строение, напоми­нающее строение перлита (рис. 8.16, а). Нижний бейнит с твердостью НВ 550 имеет игольчатое строение, похожее на мартенсит (рис. 8.16, б).

§ 8.8. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении

При термической обработке стали распад аустенита обычно проис­ходит не при постоянной температуре, а при непрерывном понижении ее, т. е. не является изотермическим. Так как кривые охлаждения строят в тех же координатах температура — время, что и диаграмму изотермического превращения аустенита, то для рассмотрения превра­щения аустенита при непрерывном охлаждении нанесем кривые охлаждения на диаграмму изотермического превращения аустенита эвтектоидной углеводистой стали (рис. 8.17).

При небольшой) скорости охлаждения (кривая v₁) образуется перлит. С увеличением скорости охлаждения (кривые v₂, v₃) образуются более мелкие ферритно-цементитные смеси ■— сорбит и троостит, т. е. те же структуры, которые образуются при изотермическом процессе. При еще большей скорости охлаждения (кривая v₄) не происходит полного распада аустенита на ферритно-цементитную смесь, а часть его переохлаждается до точки М_н, в результате чего образуется струк­тура, состоящая из троостита и мартенсита. При очень большой ско­рости охлаждения (кривая v₅) превращения аустенита в ферритно-цементитную смесь не происходит, весь аустенит переохлаждается

до температуры точки М_н, начиная с которой происходит мартенситное превращение.. Кривая охлаждения v_K (касательная к выступу изотер­мической кривой) характеризует минимальную скорость охлаждения, при которой образуется мартенсит без продуктов перлитного распада, и называется критической скоростью закалки.

На рис. 8.18 приведена зависимость критических точек эвтектоид­ной стали от скорости охлаждения. С увеличением скорости охлажде­ния критическая точка Аr₁ т. е. температура, при которой происходит превращение аустенита в ферритно-цементитную смесь, понижается. Сниженная критическая точка Аr₁ обозначается Аr'. Образование троостито-мартенситной структуры характеризуется двумя крити­ческими точками — Аr' (образование троостита) и М_н (начало образо­вания мартенсита). При скоростях охлаждения выше критической скорости закалки v_K при температуре критической точки М_н начинается превращение аустенита в мартенсит. Это превращение проходит не до конца, поэтому в закаленной стали наряду с мартенситом присут­ствует некоторое количество остаточного аустенита.

§ 8.9. Превращение мартенсита и остаточного аустенита при нагреве. Отпуск стали

Отпуском называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали ниже точки А₁. Закаленная сталь, находясь в напряженном и неустойчивом состоянии, стремится к своему стабиль­ному состоянию, т. е. к превращению мартенсита и остаточного аусте-нита в ферритно-цементитную смесь.

При нагреве (отпуске) закаленных углеродистых сталей принято выделять три температурных интервала и соответствующие им три «превращения».

Первое превращение происходит при нагреве до 100—200 ^СС. При этих температурах тетрагональность решетки мартенсита постепенно уменьшается и c/a-- 1, т. е. из пересыщенного а-твердого раствора происходит выделение углерода. Углерод выделяется в виде мельчай­ших пластинок низкотемпературного е-карбида (эпсилон-карбида). Образующийся в результате первого превращения мартенсит назы-вается отпущенным мартенситом и представляет собой смесь е-карбида и пересыщенного твердого раствора углерода в альфа-же-лезе.

Для второго превращения необходим нагрев до 200—300 °С. При этой температуре продолжается распад мартенсита, в результате чего содержание углерода в нем снижается. Кроме того, одновременно происходит распад остаточного аустенита с превращением его в отпу­щенный мартенсит. Таким образом, после второго превращения в а-твердом растворе содержится небольшое количество углерода и тетрагональность решетки мартенсита незначительна.

Третье превращение наблюдается при нагреве до температуры .300—400 °С. Оно характеризуется полным выделением углерода из а-твердого раствора и снятием внутренних напряжений. Одновременно с этим эпсилон-карбид превращается в цементит. В результате третьего пре­вращения образуется наиболее мелкая ферритно-цементитная смесь, ее называют трооститом отпуска.

При нагреве выше 400 °С в углеродистых сталях происходят изменения структуры, не связанные с фазовыми превращениями: интенсивно протекает коагуляция (укрупнение) и сфероидизация (скругление) частиц цементита (в интервале температур третьего превращения цементит имеет форму тонких пластин). При температуре 500—600 °С троостит отпуска превращается в сорбит отпуска (с зернистой формой цементита), а при более высоких температурах (650—700 °С) сорбит отпуска превращается в зернистый пер-л и т. Совокупность этих изменений часто называют четвертым превращением.

Изменение структуры при нагреве (отпуске) вызывает изменение и механических свойств закаленной стали. С повышением температуры отпуска твердость и прочность понижаются, а пластичность и вязкость повышаются.

Высокая прочность ферритно-цементитных смесей (перлита, сор­бита, троостита) объясняется наличием включений цементита, которыепрепятствуют перемещению дислокаций при действии внешних сил.
Чем больше включений цементита и чем меньше они по размеру, тем сильнее они препятствуют перемещению дислокаций. Поэтому троостит, в котором частицы цементита наиболее мелкие, обладает большей прочностью (твердостью) по сравнению с сорбитом, а перлит, содержа­щий наиболее крупные включения цементита, имеет наименьшую прочность (твердость).

Г Л А В А 9 .

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Термическая обработка подразделяется на собственно термическую и термомеханическую. Собственно термическая обработка — терми­ческое воздействие на сталь, термомеханическая — сочетание терми­ческого воздействия и пластической деформации.

Собственно термическая обработка в зависимости от структурного состояния, получаемого в результате ее применения, подразделяется на отжиг (первого и второго рода), закалку и отпуск.

§ 9.1. Отжиг

Отжигом называется процесс термической обработки, заклю­чающийся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем, как правило, медленном охлаждении (в печи) с целью получения более равновесной структуры.

Для отжига применяют камерные и толкательные печи, а также специальные агрегаты.

Отжиг первого рода. Это отжиг, при котором, как правило, не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогени-зационный, рекристаллизационный и уменьшающий напряжения.

Гомогенизационный отжиг, или гомогенизация, применяется для выравнивания химической неоднородности (за счет диффузии) зерен твердого раствора, т. е. уменьшения микроликвации в фасонных отливках и в слитках главным образом из легированной стали.

В процессе гомогенизации слитки нагревают до 1100—1200 °С, выдерживают при этой температуре 8—15 ч, а затем медленно охлаж­дают до 200—250 °С. Продолжительность отжига 80—110 ч.

Рекристаллизационному отжигу подвергают сталь, деформирован­ную в холодном состоянии (см. гл. 2). Наклеп может оказаться столь большим, что сталь становится мало пластичной и дальнейшая дефор­мация становится невозможной. Для возвращения стали пластичности и возможности дальнейшей деформации изделия проводят рекристалли­зационный отжиг.

При нагреве холоднодеформированной (наклепанной) стали до температуры 400—450 °С изменений в строении стали не происходит механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При дальнейшем нагреве механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается (рис. 9.1). Это происходит в результате изменения строения стали. Вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными.

Рекристаллизация начинается с появления зародышей на границах деформированных зерен. В дальнейшем зародыши растут за счет деформированных зерен, в связи с чем происходит образование новых

зерен, пока деформирован­ных зерен совсем не оста­нется (рис. 9.1).

Под температурой рекристаллизации подразумевается температу­ра, при которой в металлах, подвергнутых деформации в холодном состоянии, начина­ется образование новых зерен. А. А. Бочвар установил зависимость между темпера­турой рекристаллизации и температурой плавления чи­стых металлов:

Трекр=0.4 Тпл

где Трекр и Тпл — соответственно температуры рекристаллизации и плавления в кельвинах по термодинамической шкале.

Температуры рекристаллизации для некоторых металлов таковы:

В связи с тем что при температуре рекристаллизации процесс образования новых зерен происходит очень медленно, для ускорения процесса холоднодеформированные металлы и сплавы нагревают до более высокой температуры, например углеродистую сталь до 600— 700 °С, медь до 500—700 °С. Эти температуры и являются температу­рами рекристаллизационного отжига.

В зависимости от степени деформации размер зерна стали после рекристаллизации получается различный. При определенной степени деформации (для стали 7—15%) после рекристаллизации получаются очень большие зерна. Такая степень деформации называется крити­ческой степенью деформации.

Во избежание сильного роста зерна при рекристаллизации деформа­цию стали заканчивают со степенью обжатия, больше чем критическая степень деформации, или проводят отжиг с полной фазовой перекри­сталлизацией.

Отжиг, уменьшающий напряжения. Это нагрев стали до темпера­туры 200—700 °С (чаще до 350—600 °С) и последующее охлаждение с целью уменьшения внутренних напряжений после технологических операций (литье, сварка, обработка резанием и др.).

Отжиг второго рода. Это отжиг, при котором фазовые превращения (перекристаллизация) определяют его целевое назначение. Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный, изотермический, нормализационный (нормализация).

Полному отжигу подвергают доэвтектоидную сталь с целью созда­ния мелкозернистой структуры, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений.

При полном отжиге доэвтектоидную сталь нагревают до темпера­туры на 20—30 °С выше критической точки Ас₃, т. е. на 20—30 ⁰С выше линии GS диаграммы железо—цементит (см. рис. 8.2).

При нагреве до такой температуры крупная исходная ферритно-перлитная структура превращается в мелкую структуру аустенита. При последующем медленном охлаждении (в печи со скоростью 100— 200 °С в час до 500 ^СС и далее на воздухе) из мелкозернистого аустенита образуется мелкая ферритно-перлитная структура (рис. 9.2). При полном отжиге происходит измельчение ферритно-перлитных зерен доэвтектоидной стали.

Заэвтектоидную сталь полному отжигу с нагревом выше крити­ческой точки Аст (линия SE на рис. 8.2) не подвергают, так как при медленном охлаждении цементит располагается в виде сетки по грани­цам зерен перлита (см. рис. 7.1, в), ухудшая механические и другие свойства.

Неполному отжигу подвергают заэвтектоидную и эвтектоидную сталь с целью превращения пластинчатого перлита и сетки цементита в структуру зернистого перлита. Заэвтектоидная сталь со структурой зернистого перлита обладает лучшей обрабатываемостью резанием благодаря более низкой твердости. (Для стали с зернистым перлитом твердость НВ 160—180, для стали с пластинчатым перлитом — НВ 180—250.)

Для получения-зернистого перлита заэвтектоидную сталь нагревают до температуры немного выше точки Ac_t (см. рис. 8.2) — до 740— 780 °С. При нагреве до такой температуры происходит превращение в аустенит только перлита, а цементит остается и образуется структура цементит + аустенит. При последующем медленном охлаждении (в печи со скоростью 20—60 °С в час до 700—650 °С с дальнейшим охлаждением на воздухе) из аустенита образуется ферритно-цементитная структура с зернистой формой цементита — зернистый перлит (рис. 9.3).

В связи с тем что при этом виде отжига получается зернистая
(сфероидальная) форма цементита, этот отжиг называют сфероидизи-
рующим.

Для облегчения образования зернистого перлита нагрев (до 740— 780 °С) и охлаждение (до 700—650 °С) повторяют несколько раз. Такой отжиг называют маятниковым или циклическим,. При этом образовавшиеся зерна цементита во время первого охлаждения явля­ются дополнительными центрами кристаллизации при втором охлажде­нии и т. д.

Доэвтектоидные стали неполному отжигу подвергают редко. Это объясняется тем, что в связи с неполной перекристаллизацией (только одного перлита) не происходит измельчения всей структуры (феррит не подвергается перекристаллизации), и в результате структура и свойства стали получаются хуже, чем после полного отжига. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием благодаря снижению твердости.

Изотермический отжиг. Характерной особенностью изотерми­ческого отжига является образование ферритно-перлитной структуры из аустенита при постоянной температуре, а не при охлаждении, как при полном отжиге. Поэтому в отличие от полного отжига доэвтектоид-ную сталь, например, нагревают до температуры Ас₃ + (20—30 °С) и после выдержки быстро охлаждают до температуры немного ниже критической точки Аr1 (до 700—680 °С). При этой температуре сталь выдерживают в течение времени, необходимого для полного распада аустенита и образования ферритно-перлитной структуры. Затем сталь охлаждают на воздухе.

Изотермический отжиг имеет преимущества по сравнению с полным отжигом: сокращается время отжига и получается более однородная структура (но только при обработке малых садок металла).

Нормализационный отжиг (нормализация) заключается в нагреве до температуры выше точки Ас3 для доэвтектоидной или точки Аст для заэвтектоидной стали с последующим охлаждением на воздухе.

При нагреве до температуры нормализации низкоуглеродистых сталей происходят те же процессы, что и при полном отжиге, т. е. измельчение зерен. Но, кроме того, вследствие более быстрого охлажде­ния и получающегося при этом переохлаждения строение перлита получается более тонким (дисперсным), а его количество большим. Механические свойства при этом оказываются более высокими.

Нормализация по сравнению с полным и неполным отжигом — более экономичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью. В связи с указанными преимуществами нормализация полу­чила широкое применение вместо полного отжига низкоуглеродистых и даже среднеуглеродистых сталей. Нормализация применяется также для устранения цементитной сетки в заэвтектоидных сталях. При нагреве заэвтектоидной стали выше критической точки Аст образуется структура аустенита. Если после такого нагрева при медленном охлаж­дении (при отжиге) цементит выделяется в виде сетки, то ускоренное охлаждение на воздухе (нормализация) препятствует выделению цементита по границам зерен и образуется мелкая ферритно-цементит­ная смесь.