Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам




НазваниеКурс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам
страница7/24
Дата публикации13.08.2013
Размер2.37 Mb.
ТипДокументы
shkolnie.ru > Физика > Документы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   24

Термическая обработка сталей с эвтектойдным превращением.


Эвтектойдное превращение в равновесных условиях происходит в большинстве сталей, в двухфазных алюминиевых бронзах, во многих сплавах на основе титана. Принципы, лежащие в основе термической обработки для всех сплавов этой группы, одни и те же, однако компоненты сплавов вносят ряд особенностей в развитие фазовых превращений. Поэтому принято раздельно изучать превращения в сплавах с разной металлической основой.
^ Основные фазовые превращения, влияющие на структуру и свойства сталей:


  • Превращения при нагреве до аустенитного состояния – фазовая перекристаллизация;

  • Превращения аустенита при различных степенях переохлаждения;

  • Превращения при нагреве закалённых сталей.




    1. Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния.


В зависимости от условий нагрева можно получить зерно аустенита различного размера. Продукты превращения мелкозернистого аустенита имеют более высокие пластичность и вязкость и меньшую чувствительность к концентраторам напряжений, чем соответствующие продукты превращения крупнозернистого аустенита.

Зарождение кристаллов при распаде аустенита происходит преимущественно на границах зёрен, поэтому чем мельче зерно аустенита, тем мельче будут вновь образующиеся зёрна.
При достижении температуры А1 в сталях начинается превращение перлита в аустенит. Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов:

  • Полиморфного α → γ – перехода;

  • Растворение в аустените кристаллов цементита.


Полиморфное превращение идёт с более высокой скоростью, поэтому по завершению превращение аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется определенное время выдержки.
При высоких скоростях нагрева, например, при нагреве ТВЧ, можно получить чрезвычайно мелкие зёрна аустенита.

Скорость роста аустенитных зёрен при перегреве выше температур А3 и Асm неодинакова у разных сталей; она в большей мере зависит от способа раскисления стали и от наличия некоторых легирующих элементов.
В зависимости от скорости роста аустенитных зёрен различают стали природно-крупнозернистые и природно-мелкозернистые.


Природно-крупнозернистыми называют стали, в которых по мере повышения температуры выше А3 или Асm кристаллы аустенита быстро укрупняются; таковы стали, раскислявшиеся в процессе выплавки ферросилицием и ферромарганцем.
Природно-мелкозернистыми называют стали, в которых при нагреве до 1000 – 1100оС кристаллы аустенита растут с малой скоростью; к таковым относятся стали, дополнительно раскислявшиеся алюминием, а также легированные стали, содержащие элементы, особенно титан и ванадий. Подобный механизм сдерживания роста кристаллов аустенита приписывается всем карбидообразующим элементам. Исключением является марганец, он не только сдерживает рост, а даже несколько увеличивает скорость роста аустенитных зёрен.
Природную зернистость сталей оценивают номерами (баллами) специально разработанной шкалой зернистости (ГОСТ 5639 – 82).
Стали, имеющие грубую крупнозернистую структуру вследствие высокотемпературных нагревов, называют перегретыми; перегрев исправляется повторной аустенизацией с нагревом до более низкой температуры.



    1. ^ Превращения аустенита при различных степенях переохлаждения.


Δ Т = Тнагрева - Тохл

Тнагр. – выше температуры фазовых превращений, т.е. А1.
Увеличивая скорость охлаждения стали или вводя в сталь легирующие элементы, можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, т. е. понизить температуру его превращения. От степени переохлаждения (Δ Т) аустенита зависят механизм и кинетика превращения, и, соответственно, структура и свойства продуктов превращения.
Процессы распада переохлаждённого аустенита подразделяют на два типа:

  • Диффузионные – перлитное и промежуточное (бейнитное).

  • Бездиффузионное – мартенситное.


Кинетику диффузионных превращений удобнее изучать в изотермических условиях, т. е. превращения при постоянной температуре.

Перлитное превращение аустенита.
Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость превращения представляют графически в виде диаграмм. Эти диаграммы строят в координатах температура превращения – время. Обычно время откладывают на логарифмической шкале.

Диаграммы строят на основе экспериментальных данных. Образцы сталей, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой средой, имеющей температуру ниже равновесной температуры превращения, и выдерживают до завершения превращения. При этом фиксируют изменение какого-либо свойства, чтобы определить время начала и конца превращения.



Строение перлитных структур зависят от температуры превращения. С увеличением степени переохлаждения, в соответствии с общими законами кристаллизации, уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси. Условно перлитные структуры делят на собственно перлит (грубая смесь кристаллов феррита и цементита); сорбит более дисперстная структура и троостит – самая дисперстная структура (мелкоигольчатая феррито-цементитная смесь).
Несмотря на то, что подвижность атомов железа и углерода с понижением температуры от точки А1 уменьшается, скорость перлитного превращения возрастает вплоть до температуры 550оС. Это объясняется тем, что с увеличением степени переохлаждения быстро увеличивается число центров кристаллизации и, соответственно, уменьшаются расстояния, на которые должны переместиться атомы в процессе превращения.
С увеличением дисперсности структур перлитного типа возрастают прочность и твёрдость стали; лучшую пластичность и вязкость имеет структура сорбит.


Мартенситное превращение аустенита.
Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо очень быстро и непрерывно охлаждать, применяя для этого холодную (лучше солёную) воду. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных и бейнитных структур.
Малейшая изотермическая выдержка в интервале Мн до Мк температур приводит к стабилизации аустенита, т.е. превращение не доходит до конца, и кроме мартенсита в структуре наблюдается так называемый остаточный аустенит Аост. Аустенит может оставаться и тогда , когда в углеродистой стали содержится больше 0,6%С и охлаждение ведут только до 00С.



Экспериментально построенные для всех сталей изотермические диаграммы позволяют определить минимальную скорость охлаждения, называемую критической скоростью закалки Uкр., при которой аустенит превращается только в мартенсит при температуре Мн и ниже.

Итак, при охлаждении стали со скоростью, большей Uкр., будет образовываться мартенситнеравновесная фазапересыщенный твёрдый раствор внедрения углерода в Feα. Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (~ 5000 м/с). Росту кристаллов мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшиеся пластина мартенсита.
Академик Г.В. Курдюмов дал классическое определение мартенситному превращению: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решётки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные».
В процессе мартенситного γ→α – превращения углерод остаётся в твёрдом растворе, искажая кристаллическую решётку Feα, так как растворимость его в Feα значительно меньше, чем в Feγ .
Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворённого в нём углерода.

  • Чем больше углерода, тем выше твёрдость, но одновременно возрастает и хрупкость мартенсита.

  • Повышается предел прочности стали при растяжении, но до определённой концентрации углерода (~ до 0,8%С).

  • Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объёма.

  • Весьма сильно изменяются и другие физические свойства стали.


Небольшое количество остаточного аустенита (^ 1 – 3%) после мартенситного превращения сохраняется в сталях, температура Мк которых выше 20 – 25оС. Затрудненность распада последних порций аустенита связывают с появлением значительных сжимающих напряжений, возникающих вследствие увеличения объёма при переходе ГЦК решётки в ОЦК решётку.
На температуры Мн и Мк, помимо содержания углерода, существенно влияют растворённые в аустените легирующие элементы. Подавляющее большинство легирующих элементов понижают температуры Мн и Мк, поэтому в закаленных легированных сталях даже при небольшом содержании углерода после охлаждения до температуры 20 – 25оС может сохраняться значительное количество остаточного аустенита.


Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита.
Бейнит представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита. Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму.

Превращение начинается с перераспределения углерода, в результате которого одни зоны зёрен аустенита обедняются, другие обогащаются углеродом. В зонах твёрдого раствора, обогащённых углеродом, происходит карбидообразование – выделение очень мелких (в виде коротких палочек) кристаллов цементита, по мере обеднения аустенита углеродом развивается мартенситное превращение; γ – твёрдый раствор к моменту полиморфного превращения не полностью освобождается от растворённого углерода, поэтому кристаллы Feα, имеющие форму очень тонких пластин, несколько пересыщены углеродом.

Бейнит, образовавшийся при температуре 400 – 5500С, называют верхним; он имеет перистое строение. Бейнит, образовавшийся при температуре на 50 – 1000 выше мартенситной точки Мн – называют нижним; он имеет пластинчатое строение.

Верхний бейнит имеет неблагоприятное сочетание механических свойств: пониженная прочность в сочетании с невысокой пластичностью. Нижний бейнит обладает высокой прочностью с одновременными показателями высокой пластичности.

  1. Основные виды термической обработки стали.




  • Отжиг сталей.

  • Нормализация сталей.

  • Закалка сталей.

  • Отпуск сталей



Отжиг сталей. Существует несколько разновидностей отжига, из них для конструкционных сталей наибольшее применение находит перекристаллизационный (полный) отжиг. Для инструментальных сталейсфероидизирующий.
Перекристаллизационный отжиг проводят для снижения твёрдости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры. Одновременно при отжиге полностью снимаются остаточные напряжения.

Характерный структурный дефект стальных отливок – крупнозернистость (видманштеттовая структура).

Размер зерна аустенита, образующегося после обработки давлением, как показывает опыт, определяется температурой окончания обработки.

При Тобр выше А3 образуется крупнозернистый аустенит и после охлаждения - грубая структура продуктов распада.

При Тобр между А3 и А1 возникает строчечность в расположении в расположении структурных составляющих – феррита и перлита, что обуславливает значительную анизотропию свойств.
^ Строчечность структуры, вызванная неметаллическими включениями, не исправляется отжигом.
Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от степени легирования стали. Углеродистые стали получаются достаточно мягкими при скорости охлаждения 100 -2000С/час. Легированные стали с более устойчивостью переохлаждённого аустенита нужно охлаждать медленнее, со скоростью 20 – 700С/час. Высоколегированные стали экономичнее подвергать изотермическому отжигу, т.е. дать выдержку при температуре немного меньше А1, чтобы получить продукты распада аустенита с низкой твёрдостью.
^ Охлаждение при отжиге чаще всего проводят вместе с печью.

Сфероидизирующий отжиг инструментальных сталей (сфероидизация).
Высокое содержание углерода (от 0,7 до 2%) обуславливает высокую твёрдость инструментальных сталей, что затрудняет их обработку резанием. Для снижения твёрдости и подготовки структуры к закалке такие стали отжигают. После отжига получается структура зернистого перлита, отсюда и название отжига – «сфероидизация».

Отжиг проводят при нагреве сталей до температуры немного выше, чем А1, (750 – 7700С) и последующего медленного охлаждения или изотермической выдержки при субкритической температуре 650 – 6800С.

Низко-, средне- и высоколегированные инструментальные стали сфероидизируют аналогичным образом, однако чаще вместо непрерывного охлаждения от температуры нагрева используют субкритические изотермические выдержки.


Нормализация сталей. Нормализация отличается от отжига в основном условиями охлаждения; после нагрева до температуры на 50 – 700С выше А3 для доэвтектойдных и Аст для заэвтектойдных сталей охлаждают на спокойном воздухе.

  • Нормализация – более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как меньше времени затрачивается на охлаждения стали.

  • Нормализация – обеспечивает полную перекристаллизацию структуры, приводит к получению более высокой прочности стали, так как распад аустенита происходит при более низких температурах.

  • Нормализация – позволяет несколько уменьшить анизотропию свойств, вызванную наличием в горячедеформированной стали вытянутых неметаллических включений. При ускоренном охлаждении возникает больше самопроизвольно образующихся центров кристаллизации, поэтому строчечность структуры менее резко выражена.

Свойства нормализованных горячекатаных полуфабрикатов существенно зависят от сечения: чем меньше сечение, тем быстрее произойдёт охлаждение на спокойном воздухе и тем выше будет прочность стали.

^ Надо помнить, что легированные конструкционные стали с повышенной устойчивостью переохлаждённого аустенита после нормализации приобретают высокую твёрдость, затрудняющую последующую обработку резанием. В связи с этим после нормализации проводят отпуск при температурах, обеспечивающих получение требуемой твёрдости (650 – 7500С), в зависимости от состава стали.

Закалка сталей. В большинстве случаев при закалке желательно получать структуру наивысшей твёрдости и износостойкости, т. е. мартенсит, при последующем отпуске можно понизить твёрдость и повысить пластичность стали.

^ Надо помнить, что при равной твёрдости структуры, имеют лучшие механические свойства, чем структуры, полученные непосредственно в результате распада аустенита, за исключением нижнего бейнита.

В зависимости от температуры нагрева закалку называют: полной (Тнаг. выше критической температуры А3) и неполной (Тнаг. лежит между критическими температурами А1 и А3).
Доэвтектойдные стали, подвергают полой закалке Тнаг. = А3 +( 30-500С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и, соответственно, после охлаждения – мелкокристаллического мартенсита.

^ Надо помнить, что недогрев до температуры А3 приводит к сохранению в структуре кристаллов доэвтектойдного феррита, что при некотором уменьшении прочности обеспечивает повышенную пластичность закалённой стали.
^ Заэвтектойдные стали подвергают неполной закалке. Тнаг. = А1 + (30-500С). Структура – мартенсит + цементит. Твёрдость такой структуры выше, чем структура одного мартенсита. Так как сталь предварительно подвергалась сфероидизирующему отжигу, то избыточные карбиды округлой формы не вызывают снижения вязкости.
Высоколегированные инструментальные стали ледебуритного класса для повышения теплостойкости (способность сохранять высокую твёрдость до температур 500-6000С) нагревают при закалке до температур близких к эвтектическим. При этом происходит распад всех вторичных карбидов, аустенит обогащается не только углеродом, но и легирующими элементами, содержащимися в карбидах. В результате получается высоколегированный, а следовательно, и теплостойкий мартенсит.

Если высоколегированные инструментальные стали используют не как теплостойкие, а только как износостойкие, температуру закалки понижают, сохраняя некоторое количество вторичных карбидов нерастворёнными. Это связано с влиянием легирующих элементов на критические температуры стали и с малой скоростью диффузии легирующих элементов в твёрдом растворе.
Охлаждение при закалке. Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую скорость Uкр..

Для углеродистых сталей Uкр. составляет от 1400 до 4000С/с. Для того чтобы переохладить аустенит таких сталей до температуры мартенситного превращения, необходимо прибегать к очень резкому охлаждению, которое достигается погружением закаливаемых деталей в холодную воду или в воду с добавками едкого натра, так как щелочная среда не вызывает последующей коррозии стальных деталей.

^ Необходимо помнить, что лучшей является стадия пузырькового кипения охлаждающей жидкости. Чем больше температурный интервал этой стадии, тем интенсивнее охлаждает закалочная среда.


Охлаждающая среда

Температура, 0 С

Относительная интенсивность охлаждения в середине интервала пузырькового кипения

охлаждающей

среды

пузырькового кипения

Вода

20

40

80

400 – 100

350 – 100

250 - 100

1

0,7

0,2

10%-ный раствор в

воде:

NaCl

NaOH



20

20



650 – 100

650 - 100



3

2,5

Масло минеральное

20 - 200

500 – 250

0,3



Охлаждение при закалке наиболее просто осуществляется погружением закаливаемой детали в жидкую среду (воду или масло), имеющую температуру 20 – 250С. Однако в некоторых случаях для уменьшения деформации(коробления) деталей или для предотвращения образования трещин условия охлаждения усложняются.
Коробление и растрескивание вызываются значительными остаточными напряжениями, возникающими при закалке. Основной источник напряжений – увеличение объёма при превращении А → М. Модуль упругости в температурном интервале мартенситного превращения достаточно велик, поэтому возникающие из-за объёмных изменений напряжения релаксируют с малой скоростью.

Значительные макроскопические напряжения возникают из-за неодновременности превращения по сечению, а также в закаливаемых деталях сложной формы. Остаточные напряжения уменьшаются при условии одновременного превращения по сечению и понижения скорости охлаждения в интервале температур Мн - Мк.
В практике, для уменьшения величины остаточных напряжений нашли следующие способы охлаждения:

  • Закалка в двух средах.

  • Ступенчатая закалка.

  • Изотермическая закалка.




1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   24

Похожие:

Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconТехнология сбис курс лекций. Объем 36 часов. Составитель: доцент коф петрГУ
Преимущества кремниевой технологии. Требования к кремнию как к материалу для микроэлектронной промышленности
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций Валерий Васильевич Вандышев Уголовный процесс. Курс лекций...
В 17 Уголовный процесс. Курс лекций. — Спб.: Питер, 2002. — 528 с. — (Серия «Учебники для вузов»)
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций по предмету “Материаловедение и ткм”
Износостойкость в больше,чем при шлифовке. Для коленчатых валов предел выносливости повышается на. 48
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconЛекция психосексуальное развитие. Возрастная динамика взаимоотношения полов 15
Основы семейной психопедагогики (курс лекций) / В. И. Короткий. — Архангельск: М'арт, 2003. — 178 с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций москва издательство "юридическая литература" 1997
Атаманчук Г. В. Теория государственного управления. Kvpc лекций — М.: Юрид лит., 1997. — 400 с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций Харьков 2002 Рецензенты: директор Института социальных...
Курс лекций по истории политических и правовых учений подготовлен в соответствии с программой данной дисциплины, с
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconНа научно-образовательный материал «Курс видео-лекций по дисциплине...
Рассматриваемый курс видео-лекций может быть использован в системе повышения квалификации специалистов электроэнергетического профиля,...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconУтверждаю: Ректор университета, В. А. Колесников “ 5“
Преподавание курса осуществляется на 4-ом или 5-ом семестрах при общем объеме, равном 102 часам, который включает 16 часов лекций,...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconКурс лекций москва инфра-м 2002 Кононенко Б. И. Основы культурологии: Курс лекций. М.: Инфра-м
В нем в доступной форме раскрываются и выделяют­ся шрифтовой гаммой основные категории и пеня;!' I, что позволит сту­дентам быстро...
Курс лекций материаловедение автор доцент В. М. Александров Архангельск 2010 План лекций и распределение часов по разделам iconПрограмма элективного курса
Курс «История сословий в России» рассчитана на 17 часов для изучения в 10 классе профильной школы. Он охватывает период с IX до конца...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
shkolnie.ru
Главная страница