Лекція № 25: Теоретичні основи термообробки металів

План

1. Перетворення в сталі під час нагрівання

2. Перетворення в сталі під час охолодження

В основі термічної обробки сталей лежать перетворення, що відбува­ються в них при нагріванні й охолодженні.

Перетворення в сталі під час нагрівання починаються при переході через точку Асі тобто коли перліт перетворюється в аустеніт. Це пере -творення є процесом кристалізаційного типу. Зародження зерен аустеніту починається по краях феритних і цементитних часток перліту: Процес закінчується заповненням об'єму, який мав до цього перлітну структуру, безліччю дрібних зерен аустеніту.

При нагріванні вище від точки Ас-, ферит в доевтектоїдній і цементит в заевтектоїдній сталі розчиняються в аустеніті. Вище точок Асз і Ас_т сталь складається з одного аустеніту.

Дрібні зерна аустеніту, що утворилися спочатку, з підвищенням тем­ператури збільшуються. Особливо інтенсивно вони зростають при тем­пературах, вищих за точки Ас₃ і Ас_т. Явище надмірного укрупнення зерен у сталі називають перегрівом. Перегріта сталь характеризується наявні­стю великих зерен фериту і перліту, іноді феритні виділення мають ви­гляд голок - така структура називається відманштеттовою. Нагрівання сталі до температур, близьких до лінії солідус, супроводжується оплавлен­ням і окисленням меж зерен, настає так зване перепалювання.

Перетворення в сталі під час охолодження. Якщо сталь охолоджувати дуже повільно, то в ній утворюються рівноважні структури відповідно до діаграми стану залізовуглецевих сплавів. Аустенітно-перлітне перетво­рення при цьому відбувається при температурі 727 °С (точка Аг і). Почи­нається воно формуванням зародків перліту, тобто також належить до процесів кристалізаційного типу. При цьому з дрібних зерен аустеніту утворюються дрібні зерна перліту, а з великих зерен аустеніту перегрітої сталі - великі зерна перліту. Сталь з крупнозернистою структурою має погані механічні властивості й особливо малу ударну в'язкість.

Збільшення швидкості охолодження сприяє зниженню критичної точки Аг-і тобто приводить до переохолодження аустеніту до температури, ни­жчої за 727 °С. Внаслідок цього утворюються нерівноважні (метастабільні) структури і сталь набуває інших властивостей.

Кінетику розпадання аустеніту показує діаграма ізотермічного його перетворення, тобто перетворення при сталій температурі. Дві С-подібні криві на діаграмі відображають початок і кінець ізотермічного перетворен­ня аустеніту при різних температурах. Це перетворення починається че­рез деякий проміжок часу, що визначається ступенем його пе­реохолодження. Спочатку цей період зменшується до деякого критичного

значення х, а потім знову збільшується.

Якщо сталь охолоджується з малою швидкістю ^ то аустеніт пере­охолоджується мало і розпадається з утворенням рівноважної перлітної структури твердістю 150 НВ.

Збільшення швидкості охолодження до ч₂ спричинює більше пе­реохолодження аустеніту і утворення феритно - цементитної суміші більш дисперсної, ніж перліт, - сорбіту твердістю 250...300 НВ.

При швидкості у₃ аустеніт розпадається з утворенням найдріб-ніших часточок фериту і цементиту. Така структура називається тро­ститом; твердість її становить 350...400 НВ.

Зі збільшенням швидкості охолодження до у₄ , у₆ аустеніт переохоло­джується до точки М_п і частково перетворюється в мартенсит. Тем­пература мартенситного перетворення М_п не залежить від швидкості охо­лодження. Для евтектоїдної вуглецевої сталі вона становить 240 °С.

Аустенітно-мартенситне перетворення супроводжується тільки пе­регрупуванням атомів з у- в а-решітку. При цьому весь вуглець залиша­ється в а-решітці, утворюючи перенасичений твердий розчин в а -залізі -мартенсит. Унаслідок великого викривлення кристалічної решітки твердість мартенситу досягає 600...650 НВ, але ударна в'язкість знижується приблиз­но до 0,1 МДж/м².

Мінімальна швидкість охолодження, при якій у сталі відбувається мар-тенситне перетворення, називається критичною швидкістю охолодження. У випадку, що розглядається, такою швидкістю є у*

Аустеніт перетворюється на мартенсит в інтервалі температур точок М_п і М_к. Для евтектоїдної вуглецевої сталі точка М_к відповідає тем­пературі мінус 50 °С, тому при охолодженні до кімнатної температури аус­тенітно-мартенситне перетворення в цій сталі повністю не завершується і в її структурі поряд із мартенситом є аустеніт, що не розпався. Такий ау­стеніт називають залишковим.

У вуглецевих сталях масова частка залишкового аустеніту 3...10%, у легованих досягає десятків процентів. Оскільки залишковий аустеніт зна­чно м'якший за мартенсит, то він зменшує твердість загартованої сталі. Тому для збільшення мартенситного перетворення сталь з великим вміс­том залишкового аустеніту після гартування додатково обробляють хо­лодом, тобто охолоджують до температури, нижчої за точку М_к.

Розташування точок М_п і М_к визначається хімічним складом сталі і від швидкості охолодження не залежить.