Лекция 1 по материаловедению. Закалка, Мартенсит, Дефекты закалки
advertisement
Лекция 1. Закалка сталей. Заключается в нагреве сталей выше температуре Ас3 на 30-50°С для доэвтектоидных сталей и выше Ас1 на 30-50 °С дл заэвтектоидных сталей. Выдержка при этой температуре для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении с критической скоростью, в результате образуется мартенсит. Мартенсит обладает относительно высокой твердостью и небольшой пластичностью и вязкостью. Закалка с полиморфным превращением всегда проводится с последующим отпуском. В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полная и неполная. Полная закалка предполагает нагрев выше линии Ас3, Асм на 30-50 °С. Неполная закалка – нагрев выше Ас1 на 30-50 °С. Для доэвтектоидных сталей температура нагрева выбирается выше Ас3 на 30-50 °С: Ф+П→нагревА→охлаждениеМ Для эвтектоидной стали(с содержанием углерода=0,8%) П→нагревА→охлаждениеМ Если мы нагреваем эвтектоидную сталь выше AC1(выше PS,но ниже GS) Ф+П→А+Ф→М+Ф – это неблагоприятно, т.к. получается разнородная структура, т.е. неполная закалка для доэвтектоидных сталей не производится. Для заэвтектоидных сталей нагревают под закалку выше AC1: П+ЦII→А+ЦII→М+ЦII Скорость охлаждения при закалке τmin =1-2 сек- охлаждение на 4000 τmin-минимальное время охлаждения Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить А до t0 мартенситного превращения, следовательно скорость охлаждения должна быть больше критической скорости. Для обеспечения такой скорости применяют различные охладители: вода, водные растворы солей(щелочей),растворы бишофита, минеральные масла. Критические скорости охлаждения можно взять из справочников, в которых приведены термо-кинетические диаграммы распада А для данной стали. Мартенситное превращение. Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер, то есть не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода в решетке аустенита. Мартенситное превращение состоит в сдвиговой перестройке решетки из γ в α, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояние, не превышающее межатомное. Кинетика мартенситного превращения имеет существенные отличия от кинетики перлитного превращения. Мартенситное превращение происходит при непрерывном охлаждении в интервале температур Мн-Мк. При изотермической выдержке в интервале температур Мн-Мк будет происходить стабилизация аустенита, то есть будет происходить прекращение мартенситного превращения. По возобновлению непрерывного охлаждения в интервале температур Мн-Мк мартенситное превращение не будет идти до конца, и мы не получим 100% мартенсита, и конечная структура будет состоять из мартенсита и остаточного аустенита: М+Аост. В общем случае мартенситное превращение не идет до конца и какое-то количество остаточного аустенита может присутствовать при охлаждении до комнатной температуры. Механизм образования мартенсита Образование мартенсита происходит путем зарождения пластин (игл) мартенсита в пределах аустенитного зерна (на рис. окружность – границы зерна). Растут пластины от границы до границы с большой скоростью (V≈1км/с). Растущие кристаллы когерентно связаны с мартенсита кристаллами исходного аустенита. При нарушении когерентной связи рост кристаллов мартенсита прекращается. В процессе мартенситного 𝛾 − 𝛼 −превращения углерод остается в твердом растворе, искажая железа. кристаллическую решетку Мартенсит – упорядоченный пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α- железе. Атомы углерода занимают октаэдрические поры в α - железе [001] и сильно ее искажают. Мартенсит имеет тетрагональную решетку и чем больше углерода в 𝛾 −железе, то есть в исходном аустените, тем больше степень тетрагональности мартенсита с а . С увеличением углерода степень тетрагональности увеличивается. Механические свойства мартенсита зависят от количества, растворенного в нем углерода (рис). С увеличением углерода повышается твердость, следовательно, повышается прочность, но пластичность при этом снижается. Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема на 2-3%, поэтому изменяются физические свойства и плотность дислокаций и так далее. Температуры мартенситного превращения t0 Мартенситное превращение протекает в интервале температур Мн – Мк. На положение температур Мн и Мк влияет содержание углерода в аустените. Мн – температура начала мартенситного превращения Мн>0 (она всегда положительная), минимальное её значение ≈50°С, Мк - температура окончания мартенситного превращения, она снижается в зависимости от содержания углерода, до 0,6% С – Мк > 0 (положительная, а при C > 0.6% Мк < 0 (отрацательная). Пример: Сталь У10(1% углерода): П+ЦII → (нагрев) → A → (охлаждение) → M + Aост Aост может быть 20; 30; 40 % Изменение свойств при закалке на мартенсит. Упрочнение (повышение прочности и твердости) при закалке на мартенсит является действием нескольких механизмов упрочнения. Важнейшая роль во всех теориях упрочнения при закалке сталей отводится углероду. Однако необходимо иметь ввиду, что мартенситное превращение в чистом железе и в безуглеродистых сплавах способно привести к повышению прочностных свойств в 3-4 раза по сравнению с отожженным состоянием. Так, по сравнению с обычной ферритной структурой твердость железа в результате мартенситного превращения возрастает с 60 до до 200НВ, а предел прочности – с 20 до 90 кгс/мм2. Мартенсит в отличие от фазы того же химического состава, но образовавшейся при медленном охлаждении вследствие неупорядоченной перестройки решетки, характеризуется повышенной плотностью дефектов: двойниковых прослоек и дислокаций. Плотность дислокаций в мартенсите доходит до 1010 - 1012 cм-2 , т. е. по порядку величины такая же, как и в холоднодеформированном металле. Границы двойников и сплетения дислокаций служат барьером для скользящих дислокаций, т. е. упрочняют мартенсит. Фазовый наклеп, возникающий при мартенситном превращении, в той или иной степени вносит вклад в упрочнение всех металлов и сплавов, закаливаемых на мартенсит. Рассмотрим роль углерода в упрочнении мартенсита сталей. При закалке сталей достигается значительно большее упрочнение, чем в безуглеродистых железных сплавах, причем эффект закалки повышается с увеличением содержания углерода в аустените. Способность стали к повышению твердости при закалке называется закаливаемостью. Закаливаемость характеризуется максимальной твердостью, которая может быть получена при закалке данной марки стали на поверхности изделия. При мартенситном превращении аустенита образуется пересыщенный раствор углерода в а-железе и тем сильнее пересыщенный, чем больше углерода содержит аустенит. Интересно, что с ростом содержания углерода в мартенсите межатомные силы не только не усиливаются, а наоборот, даже несколько ослабевают. Это обусловлено увеличением расстояний между атомами железа под действием внедренных атомов углерода. Тем не менее углерод повышает твердость мартенсита. Объясняется это прежде всего тем, что атомы углерода, внедренные в решетку αжелеза, затрудняют скольжение дислокаций в мартенсите (так называемый твердорастворный механизм упрочнения). Другие механизмы упрочняющего влияния углерода связаны с взаимодействием его атомов с дефектами решетки. В период закалки или при вылеживании стали после закалки атомы углерода в кристаллах мартенсита образуют атмосферы на дислокациях, закрепляя их. Образование коттрелловских атмосфер при комнатной температуре завершается примерно за 1-2 час. Диффузионное перераспределение углерода в период закалочного охлаждения или после закалки может дойти до стадии выделения из мартенсита дисперсных частиц карбида, вносящих свой вклад в упрочнение стали. Кроме того, в любых сталях углерод при обычных скоростях закалки успевает образовывать сегрегации на дефектах решетки аустенита в период охлаждения стали выше точки М. Сегрегации углерода в аустените наследуются мартенситом, а поскольку он и так пересыщен углеродом, то эти сегрегации становятся местами зарождения частиц карбида. Из-за действия указанных выше механизмов упрочнения углерод оказывает столь сильное упрочняющее влияние на мартенсит, что твердость закаленной стали практически не зависит от содержания легирующих элементов, растворенных в мартенсите по способу замещения, а определяется только концентрацией углерода. Суммируя, можно заключить, что сильное упрочнение сталей при закалке на мартенсит обусловлено образованием пересыщенного углеродом α-раствора, появлением большого числа двойниковых прослоек и повышением плотности дислокации при мартенситном превращении, образованием на дислокациях атмосфер из атомов углерода и выделением из α-раствора дисперсных частиц карбида. Вклад каждого из этих факторов в общее упрочнение при закалке окончательно не установлен. В сплавах других систем (не на основе железа) упрочнение при закалке на мартенсит может быть вызвано действием тех же механизмов, что и при закалке сталей и безуглеродистых железных сплавов. Наиболее общим является механизм фазового наклепа, свойственного всем мартенситным превращениям в металлах и сплавах и состоящего в увеличении плотности дефектов кристаллической решетки. Изменение пластичности при закалке. Наряду с повышением твердости и прочности, при закалке происходят изменения пластических свойств. Закалка углеродистых сталей приводит к резкому снижению показателей пластичности. Относительное удлинение и сужение закаленных сталей практически рано 0. Установлено, что низкое сопротивление хрупкому к разрушению мартенсита в сплавах на основе железа связано с присутствием в α–решетке элементов внедрения: С и N. Основной причиной резкого охрупчивания является малая подвижность дислокаций, т.к в сталях присутствует углерод в мартенсите, то происходит закрепление дислокация атмосферами из атомов углерода, повышая сопротивление решетки к скольжению дислокаций. Если вывести из состава сплавов углерод, т. е довести его содержание до 0,03%, то пластические свойства мартенсита повысятся. Создаются специальные стали – мартенситостареющие стали с содержанием углерода 0,03%, в состав входят никель, кобальт, молибден, титан. После закалки на мартенсит δ =14-20%, Ψ = 70-80%. В мартенсите при плотности дислокаций 1012 см-2 для закрепления всех дислокаций требуется 0,2% С, т.е. мартенситно-стареющие стали имеют незакрепленные скользящие дислокации и поэтому они обладают высокими пластичными свойствами. Способы закалки. При закалке возникает высокий уровень напряжений, который связан с протеканием фазовых превращений, а также за счет термических напряжений, которые связаны с условиями охлаждения. В некоторых сталях этот высокий уровень напряжений может приводить к деформации деталей, изменению их формы, а также к появлению трещин. В практике термической обработки используется несколько способов закалки (охлаждения) для уменьшения величины остаточных напряжений: Рис. Кривые охлаждения для различных способов закалки 1. Охлаждение в одном охладителе (рис. кривая а). Самый простой способ закалочного охлаждения, но при этом способе могут возникать большие остаточные напряжения из-за неоднородного и неодновременного превращения аустенита в мартенсит по сечению детали, а также из-за сложной конфигурации деталей. Остаточные напряжения могут уменьшиться, если скорость охлаждения в интервале температур Мн-Мк понизить. Например, скорость охлаждения в минеральных маслах меньше скорости охлаждения в воде. 2. Закалка в двух средах (через воду в масло) (рис. кривая б). После нагрева под закалку деталь погружается в воду и находится в воде для преодоления минимальной устойчивости аустенита, а затем переносится в более мягкий охладитель – минеральное масло. Мартенситное превращение происходит в условиях медленного охлаждения. Применяется для углеродных инструментальных сталей (заэвт.) У7, У8…У10 с содержания углерода от 0,7% и более. 3. Ступенчатая закалка (рис. кривая в). При данной закалке деталь нагревают до температуры закалки, а затем переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50-100°С выше температуры Мн данной стали, выдерживают некоторое время до выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают на воздухе. В качестве жидкой среды используют расплавы селитр. Получение мартенсита при этом способе возможно для сталей с большой устойчивостью переохлажденного аустенита (легированные стали). При ступенчатой закалке возможна правка детали, которая осуществляется до начала мартенситного превращения в аустенитном состоянии. 4. Изотермическая закалка (рис. кривая г). В некоторых случаях невозможно получить достаточно высокие показатели прочности и пластичности при закалке на мартенсит и последующего отпуска. Тогда применяется изотермическая закалка для получения структуры нижний бейнит. Температура распада аустенита выше на 50-100 °С выше температуры мартенситного превращения и выдержка дается до полного распада аустенита в бейнит, далее охлаждении на воздухе. В некоторых случаях изотермическая выдержка выбирается при более высокой температуре (500-550°С) для получения сорбитной структуры из аустенита. 5. Обработка холодом. Проводится для деталей, имеющих отрицательную температуру конца мартенситного превращения, т.е. Мк < 0. Такие стали и детали из них после закалочного охлаждения переносятся в холодильные камеры и охлаждаются до температуры -70°С. В результате такого охлаждения происходит переход аустенита в мартенсит во всем интервале температур Мн-Мк. После обработки холодом остаточного аустенита может быть в количестве 12%. Такой обработке подвергают измерительные инструменты, детали подшипников качения, цементованные детали из легированной стали. Дефекты закалки. 1. При нарушении температуры нагрева под закалку может происходить недогрев и перегрев стали. При недогреве доэвтектоидной стали (точка 2 для сплава I с содержанием углерода 0,4%) и последующем закалочным охлаждении образуется дефектная структура (М + Ф): Ф + П →нагрев 750 °С → А + Ф →охлаждение → M + Ф При недогреве снижаются все прочностные свойства за счет присутствия в структуре мягкой фазы феррит. Полученная структура разнородна по твердости её составляющих. При перегреве доэвтектоидной стали (точки 4 и 5 для сплава I с содержанием углерода 0,4%) до температур 950-1000°С происходит рост аустенитного зерна, при охлаждении образуется дефектная структура: крупноигольчатый грубопластинчатый мартенсит : Ф+П→ нагрев 950 °С → А → охлаждение → M (крупноигольчатый). Перегрев ведет к уменьшению пластичности и вязкости. Оптимальным нагревом для доэвтектоидной стали является температура на 30-50°С выше линии Ас1 (точка 3) на диаграмме Fe-C: Ф+П→ А→ Мα ( оптимальная температура) ≈850 °С Дефекты закалки для заэвтектоидных сталей При нагреве выше линии Ас1 в область существования фаз аустенита и цементита (точка 1 для сплава II с содержанием углерода более 0,8%) и последующем закалочным охлаждении образуется оптимальная структура : 750−780 ℃ П+ЦII → охлаждение А+Ц → М+ЦII. Заэвтектоидные стали обладают высокой твердостью и прочностью за счет присутствия в структуре твердой фазы - цементита вторичного. При нагреве выше линии Ас3 в область существования фазы аустенита (точка 2 для сплава II с содержанием углерода более 0,8%) и последующем закалочным охлаждении образуется структура : П+ЦII→А→М + Аост. При нагреве происходит рост аустенитного зерна. В результате последующего закалочного охлаждения образуется грубопластинчатого дефектная мартенсита и структура, состоящая из крупноигольчатого частичного непревращенного аустенита. Твердость и пластичность такой структуры снижаются за счет присутствия остаточного аустенита и крупноигольчатого мартенсита. 2. Скорость охлаждения. Если скорость охлаждения стали ниже критической, то не получим структуры мартенсит (рис.) V2 – очень медленное охлаждение в перлит V3 – превращение типа троостит и перлит V1 – мартенситное превращение Уровень остаточных напряжений также зависит от скорости охлаждения в большей/меньшей степени. Неправильно выбранная скорость охлаждения (закалочная среда) также приводит к трещинообразованию. Дефект неисправим.
