Процессы происходящие при нагреве стали

 

 

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ульяновский государственный педагогический университет имени И.Н. Ульянова»

(ФГБОУ ВПО «УлГПУ им. И.Н. Ульянова»)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ НАГРЕВЕ СТАЛИ»

по предмету

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

 

Проверил:

Доцент кафедры

технологии УлГПУ

 им. И.Н. Ульянова, к.т.н.

Мищенко Ольга Владимировна

 

 

Выполнил:

студент группы ПОТз – 14:

Чекулаев Олег Владимирович

 

 

 

 

Ульяновск, 2014

Содержание:

 

 

 

1. Основы  теории термической обработки………………………………………3

2. Отжиг  и нормализация………………………………………………………...10

3. Закалка  и отпуск………………………………………………………………..14

4. Литература……………………………………………………………………...23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основы теории термической обработки.

Термическая (тепловая) обработка состоит в изменении структуры металлов и сплавов путем нагревания их и последующего охлаждения с той или иной скоростью; при этом достигаются существенные изменения свойств при том же химическом составе сплава.

Рис. 1. Диаграммы состояния системы Fe – Fe3 C

Термическая обработка стали и чугуна основана на явлениях вторичной кристаллизации применительно к линиям (см. рис.1) GOS(A3), SE(Aст) и РК (А1).

Изменения структуры при разных скоростях охлаждения аустенита.

При медленном охлаждении эвтектоидной стали по линии РК (в точке Ar1) произойдет полное распадение аустенита с образованием перлита. Распадение состоит из следующих этапов:

1) превращение g-железа в a-железо, т.е. перегруппировка  атомов из решетки гранецентрированного  куба g-железа в решетку центрированного  куба a-железа с одновременным  смещением атомов углерода, находящихся  в твердом растворе g-железа;

2) выделение  из твердого раствора (аустенита) мельчайших частиц цементита (Fe3 C);

3) укрупнение  частиц цементита в пластинки, размеры которых измеряются от  малых долей микрона до нескольких  микронов, и более или менее  полное распадение аустенита.

При ускорении охлаждения до 50 град/сек распадение аустенита не успевает закончиться, размеры пластинок цементита достигают лишь десятых долей микрона и различимы только при очень больших увеличениях. Такая структура называется сорбитом (в честь Г.В. Сорби – английского естествоиспытателя).

При ускорении охлаждения до 100 град/сек полностью успевает завершиться лишь второй этап распадения аустенита, а третий этап останавливается в самом начале. В результате размеры пластинок цементита измеряются стотысячными и миллионными долями миллиметра. Такая структура носит название троостита (по имени Л. Трооста – французского химика). Наличие тончайших пластинок цементита можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.

Рис. 2. Зависимость положения критических точек эвтектоиднной стали от скорости охлаждения.

При скорости охлаждения 150-200 град/сек успевает завершиться лишь перегруппировка атомов железа, поэтому углерод остается в виде твердого раствора в a-железе. Эта структура называется мартенситом (в честь А. Мартенса – немецкого металловеда).

Подводя итог сказанному, заметим, что перлит, сорбит и троостит по структуре представляют собой двухфазную смесь (феррита и цементита) и отличаются друг от друга дисперсностью цементита; мартенсит же однофазен, это твердый раствор углерода в a-железе.

Структура перлита, получающаяся при медленном охлаждении сплавов, называется равновесной, как и другие структуры. В отличие от равновесной, структуры сорбита, троостита и мартенсита, получающиеся при ускоренных охлаждениях, называются неравновесными.

Сдвиг критических точек при охлаждении.

Увеличение скорости охлаждения вызывает понижение критических точек (по отношению к их положению на диаграмме равновесия, см. рис. 66). Сдвиг температур увеличивается с ускорением охлаждения, что видно на рис. 2. Кривая A ’ r показывает, что переохлаждение аустенита растет при ускорении охлаждения.

При медленном охлаждении переохлаждение невелико (верхние точки кривой A ’ r), и структура стали остается перлитной. Пластинки цементита в перлите тем меньше, чем больше скорость охлаждения, и при дальнейшем ускорении охлаждения структура все больше приближается к сорбиту. При скорости охлаждения, необходимой для получения структуры сорбита (»50 град/сек), аустенит переохлаждается более чем на 100° и фазовое превращение его в сорбит произойдет при температуре около 600° (точка C на кривой A ’ r). Превращение в троостит произойдет при переохлаждении аустенита на »180° (точка Т).

Скорость охлаждения V1 (150 град/сек) соответствует началу появления мартенсита в структуре стали. Часть линии A ” r, характеризующая превращение “аустенит - мартенсит”, - прямая. Это указывает на постоянство температуры при превращении (около 240° для эвтектоидной стали) независимо от дальнейшего увеличения скорости охлаждения.

Таким образом, кривая A ’ r характеризует распадение аустенита на две фазы: феррит и цементит, а отрезок A ” r – переход аустенита в мартенсит. При скоростях охлаждения V1 до V2 охлажденная сталь содержит троостит и мартенсит (превращение происходит согласно линии A ’ r и линии A ” r). При скоростях охлаждения, превышающих V2 (ниже линии A ” r ), наряду с мартенситом будет немного остаточного (не распавшегося) аустенита.

Изотермическое распадение аустенита.

Рис. 3. Диаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной стали

Наблюдениями установлено, что и скорость, и характер распадения аустенита зависят от степени его переохлаждения.

На рис.3 приведена диаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной углеродистой стали. Диаграмма построена в координатах “Температура – логарифм времени” (время откладывается на абсциссе по логарифмической шкале), что дает возможность проследить за временем превращения от долей секунды до суток и более.

Предположим для простоты, что за время 0,5 сек удается охладить образец из состояния аустенита до любой температуры: от точки Ar1 до 0° и ниже. Охлаждая образец до 700° и выдерживая его при этой температуре, заметим, что в течение времени до точки H 1 в аустените никаких превращений не происходит. Со времени, соответствующего точке H 1 , начинается распадение аустенита. Период времени до точки H1 называется инкубационным периодом. Распадение аустенита заканчивается полностью ко времени точки К1 , когда аустенит перешел в перлит. Скорость дальнейшего охлаждения не влияет на структуру образца, поэтому за точкой К1 линия обрывается.

Наблюдая за образцом, охлажденным из состояния аустенита до температуры 650° и нанося на диаграмму точки начала H 2 и конца K 2 распадения аустенита, заметим, что как инкубационный период, так и период распада аустенита уменьшились, а в результате распада получился сорбит.

Для образца, охлажденного до температуры около 500°, получим на диаграмме соответственно точки Н3 и К3 распадения аустенита, а структура стали будет представлять троостит. При увеличении количества подобных опытов определится ряд точек начала и окончания превращения аустенита. Соединяя эти точки, получим две кривые превращения аустенита; кривую I – начала превращения при разных температурах и кривую II – конца превращения при тех же температурах.

При охлаждении образцов со скоростью выше критической при температуре 240° (линия M Н ) начинается превращение аустенита в мартенсит; превращение всего аустенита в мартенсит происходит только при дальнейшем понижении температуры, и окончание этого превращения для эвтектоидной углеродистой стали наступит лишь при температуре -50°.

Рассмотрев диаграмму (рис. 3), отметим в итоге следующее. Верхняя часть диаграммы характеризует изотермическое распадение аустенита в смесь феррита и цементита. Левее кривой I находится поле, отвечающее переохлажденному аустениту, область между кривыми I и II определяет время распада переохлажденного аустенита, правее кривой II находится поле продуктов распада аустенита: перлита, сорбита и троостита. Инкубационный период распада аустенита изменяется в зависимости от степени переохлаждения последнего: сначала уменьшается до некоторой критической величины, а затем вновь увеличивается. Этот период для каждой температуры определяется абсциссой кривой I – начала распадения аустенита. Кривая II показывает, что длительность превращения также зависит от температуры переохлаждения. Прямая M н является границей между верхней и нижней частями диаграммы. Эта прямая характеризует начало мартенситного превращения аустенита и соответствует прямому участку кривой A”r (см. рис. 2).

Нижняя часть диаграммы показывает, что для перевода всего остаточного аустенита в мартенсит необходимо понижать температуру стали до линии M к (конец мартенситного превращения). Кривые изотермического распадения аустенита имеют форму буквы С и называют С-образными кривыми. Форма этих кривых установлена профессором С.С. Штейнбергом и другими советскими учеными.

Для доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей С-образные кривые смещены влево по сравнению с кривыми эвтектоидной стали; прямые Мк и Мк для первой расположены выше, а для второй – ниже, чем для эвтектоидной стали.

Свойства стали со структурой мартенсита, троостита, сорбита или перлита.

Рассмотрим сначала свойства структур эвтектоидной стали.

Рис. 4. Диаграмма изменения механических свойств эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита

Мартенсит – самая твердая и самая хрупкая структура.

Твердость мартенсита HB=600-650 (HRC=62-66), а пластические свойства при растяжении (d и y) и ударная вязкость (ан) близки к нулю. Плотность мартенсита меньше, чем плотность других структур, и составляет 7,75 г/см3. В связи с увеличением объема стали при мартенситном превращении возникают напряжения, особенно при неравномерном охлаждении детали. Мартенсит магнитен и обладает наибольшей способностью сохранять в себе остаточный магнетизм, поэтому заготовки магнитов заливают в мартенсит.

Тростит и сорбит – промежуточные структуры между перлитом и мартенситом, поэтому их свойства будут средними между свойствами перлита и мартенсита. На рис. 4 приведены кривые изменения твердости HB, предела прочности sв и относительного удлинения d эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита.

Свойства структур неэвтактоидной стали отличаются от свойств тех же структур эвтектоидной стали в зависимости от содержания углерода, однако характер изменения свойств структур от перлита до мартенсита тот же, что и у эвтектоидной стали.

Изучив вопросы теории термической обработки стали, познакомимся с ее видами: отжигом и нормализацией, закалкой и отпуском.

 

2. Отжиг и нормализация.

После отливки, прокатки и ковки стальные заготовки охлаждаются неравномерно результатом чего является неоднородность структуры и свойств в различных местах заготовок, а также появление внутренних напряжений. Кроме того, при затвердевании отливки получаются неоднородными по составу вследствие ликвации.

Отжиг. Отжигом называют нагревание и медленное охлаждение стали. Академик А.А. Бочвар дал определение структуры из неравновесного состояния в более равновесное (возврат, или отдых, рекристаллизационный отжиг, или рекристаллизация, отжиг для снятия внутренних напряжений и диффузионный отжиг, или гомогенизация); отжиг второго рода – изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур; к отжигу второго рода относится полный, неполный и изотермический отжиги.

Ниже рассмотрены перечисленные виды отжига применительно к стали.

Возврат (отдых) стали – нагрев до 200 – 400°, для уменьшения или снятия наклепа. При возврате наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решетках у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств.

Рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация) стали происходит при температурах 500 – 550°; отжиг для снятия внутренних напряжений – при температурах 600 – 700°. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения в отливках от неравномерного охлаждения их частей, а также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) при температурах ниже критических. При рекристаллизационном отжиге из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, в результате твердость стали снижается, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются. Для полного снятия внутренних напряжений в стали нужна температура не менее 600°.

Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.