16. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита (с-образные кривые). Критическая скорость закалки стали. Изотермическое превращение аустенита - это превращение переохлаждѐнного аустенита при постоянной температуре.
Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита - твѐрдого раствора углерода в γжелезе, на почти чистое
α-железо и цементит.
Реакция
изотермического превращения аустенита: Fe
γ
(C) → Fe
α
+ Fe
3
C (Цементит)
При температуре равновесия A
1
превращение аустенита в перлит невозможно, так как при этой температуре свободные энергии исходного аустенита и конечного перлита равны. Превращение может начаться лишь при некотором переохлаждении.
На рисунке показано время превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т.е. превращение переохлаждѐнного аустенита при постоянной температуре. Поэтому такие диаграммы обычно называют
диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме
изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто С- кривыми. Горизонтальная линия M показывает температуру начала бездиффузного мартенситного превращения.
Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада.
Минимальная скорость охлаждения,
достаточная для предотвращения распада аустенита, носит название критической скорости З. стали.
Скорость закалки (vK) - Это такая наименьшая из скоростей охлаждения, при которой в закаливаемой стали образуется только мартенсит (без троостита), предотвращая диффузионный распад, т. е. происходит лишь одно мартенситное превращение.
18 Влияние содержания углерода на твердость закаленной и отожженной сталей. После отжига
После закалки
Марка
HB
Марка
HRC
Сталь
20 1590
Сталь
10 23 35 1960 15 32 50 1890 35 42 60 2120 40 47
У8 2280 50 56
У10 2830 60 60
У12 4020 У8 61
У10 61
У12 62
C увеличением углерода твердость растет.
Линейно – в отожженных сталях, нелинейно в закаленных
17. Окончательная термическая обработка стальных изделий (вал, пружина, инструмент). Окончательной термической обработкой завершают формирование свойств материала изделия путем изменения его структуры. При этом стремятся в зависимости от назначения изделия получить наилучшее сочетание прочности, пластичности и вязкости разрушения. Закалка, точнее, закалка с отпуском, обеспечивают более высокий комплекс механических характеристик по сравнению с нормализацией (отжигом).
Цель закалки сталей - получение мартенситной структуры в доэвтектоидных сталях и мартенсита с цементитом в заэвтектоидных сталях. Быстрое охлаждение при закалке обеспечивает переохлаждение аустенита до относительно низких температур без его диффузионного распада. В углеродистых сталях при этом имеет место без-диффузионное фазовое превращение аустенита в мартенсит.
Закалка сталей - это нагрев доэвтектоидных сталей до температуры на 30-50 °С выше линии Ас3 а для заэвтектоидных на 30-50 °С выше линии Ас1, выдержка с
последующим быстрым охлаждением со скоростью, препятствующей диффузионному распаду аустенита. Для доэвтектоидных сталей проводят полную закалку (структура - мар- тенсит), а для заэвтектоидных инструментальных сталей - неполную
(структура - мартенсит и цементит).
При закалке на мартенсит возникают остаточные напряжения (термические и структурные), которые могут с течением времени привести к изменениям размеров и формы готового изделия и даже его разрушению. Поэтому стали после закалки на мартенсит обязательно подвергают отпуску.
Различают три вида отпуска: низкий отпуск - до 150-200 °С приводит к перераспределению углерода в решетке Fe a
и снижает остаточные напряжения при сохранении или незначи- тельном снижении твѐрдости; применяется для изделий, которые должны обладать высокой твердостью (инструмент, пары трения в машинах); средний отпуск при 350-400 °С приводит к полному распаду мартенсита с образованием цементита, представляющего собой субмикроскопические частицы, распределенные с высокой плотностью в феррите. Такую структуру называют троститом. Тростит характеризуется высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. Используется для пружинно- рессорных сталей. высокий отпуск сталей (улучшение) при 550-
650 °С вызывает коагуляцию (укрупнение) частиц цементита и уменьшение плотности распределения их в феррите. Эту структуру называют сорбитом. В результате высокого отпуска снижается сопротивление пластическим деформациям (предел текучести, твѐрдость), и увеличиваются вязкость и пластичность. Закатка с высоким отпуском обеспечивает
более высокие предел текучести и вязкость, повышается сопротивление стали зарождению и развитию трещин. Применяется для тяжелонагруженных деталей машин (валы, штоки, оси, шестерни, лопатки и др.).
19. Закалка сталей. Внутренние напряжения при закалке. Закалка сталей - это нагрев доэвтектоидных сталей до температуры на 30-50 °С выше линии Ас3 а для заэвтектоидных на 30-50 °С выше линии Ас1, выдержка с последующим быстрым охлаждением со скоростью, препятствующей диффузионному распаду аустенита. Для доэвтектоидных сталей проводят полную закалку (структура - мар- тенсит), а для заэвтектоидных инструментальных сталей - неполную
(структура - мартенсит и цементит).
Цель закалки сталей - получение мартенситной структуры в доэвтектоидных сталях и мартенсита с цементитом в заэвтектоидных сталях. Быстрое охлаждение при закалке обеспечивает переохлаждение аустенита до относительно низких температур без его диффузионного распада. В углеродистых сталях при этом имеет место без-диффузионное фазовое превращение аустенита в мартенсит. Мартенситом называют особый вид структуры, образующийся при фазовом полиморфном превращении без диффузии путем группового сдвига атомов по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Мартенсит в сталях, как правило, пересыщен углеродом.
Чтобы аустенит претерпевал при непрерывном охлаждении только без- диффузионное превращение в мартенсит, его необходимо охлаждать со скоростью- большей или равной критической скорости закатки. Критическая скорость закалки - наименьшая скорость охлаждения, при которой происходит превращение аустенита в мартенсит. Мартенсит имеет наибольшую твѐрдость, уступая в этом только цементиту. С увеличением содержания углерода в мартенсите твѐрдость его возрастает При закалке на мартенсит возникают остаточные напряжения (термические и структурные), которые могут с течением времени привести к изменениям размеров и формы готового изделия и даже его разрушению. Поэтому стали после закалки на мартенсит обязательно подвергают отпуску. При отпуске закалѐнной стати ее нагревают до температур, не превышающих AC1
, с целью формирования структуры, обеспечивающей необходимые эксплуатационные свойства изделия и уменьшения или снятия внутренних закалочных напряжений. При этом мартенсит претерпевает превращения, приводящие к более устойчивому
(равновесному) состоянию.
Внутренние напряжения при закалке: 1) термические: связанные с разной скоростью охлаждения поверхности и центра образца; 2) структурные: связ с превращением аустенита в мартенсит при закалке.
20. Закалочные среды. Способы закалки. Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, необходимо прибегнуть к очень резкому охлаждению, которое достигается погружением закаливаемых деталей в холодную воду, либо воду с добавками соли или едкого натра. При охлаждении не должна образовываться паровая пленка, препятствующая теплообмену с закалочной средой. Лучшей является стадия пузырькового кипения охлаждающей жидкости. Чем
больше температурный интервал этой стадии, тем интенсивнее охлаждает закалочная среда.
Лучше пользоваться добавками едкого натри, так как щелочная среда не вызывает последующей коррозии стальных деталей.
Многие легированные стали приобретают мартенситную структуру при охлаждении в холодных или подогретых маслах, а высоколегированные стали закаливаются на мартенсит даже при охлаждении на воздухе.
Охлаждение при закалке наиболее просто осуществляется погружением закаливаемой детали в жидкую среду (воду или масло), имеющую температуру 20 - 25 °С. Однако в некоторых случаях для уменьшения деформации (коробления) деталей или для предотвращения образования трещин условия охлаждения усложняют. Основной источник напряжений — увеличение объема при превращении аустенита в мартенсит.
1) Закалка в двух средах. После нагрева под закалку деталь погружают определенное время в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение температурного интервала минимальная устойчивости аустенита, а затем переносят в более мягкую охлаждаюшую среду, обычно в масло.
2) Ступенчатая закалка. При ступенчатой закалке деталь, нагретую до температуры закалки, переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50 - 100 °С выше мартенситной точки закаливаемой стали и выдерживают небольшое время, для выравнивания температуры по сечению, а затем окончательно охлаждают на спокойном воздуху. Но: получение мартенсита возможно только в легированных сталях.
3) Изотермическая закалка. Если не удается получить достаточной прочности и вязкости, тогда применяют изотермическую закалку на бейнит, обладающий высокой вязкостью и прочностью. Нагретую деталь переносят в ванну расплавленными солями, имеющую температуру на 50-100 °С
выше мартенситной точки, выдерживают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и затем охлаждают на воздухе. Применима только к сталям с достаточной устойчивостью переохлажденного аустенита;
4) Обработка холодом - охлаждение закаленных деталей до t<20 - 25 °С. Ей подвергают закаленные легированные стали
(t конца мартенситного превращения<20-25), до этой температуры остается много аустенита (нестабильной, низ.твердость).
Этот аустенит после выдержки при t20-25 стабилизируется.
21 Дефекты при закалке сталей (закалка с перегревом, неполная закалка). Возможны следующие виды брака при закалке:
1) При закалке с температуры выше точки перекристаллизации, но ниже начала полиморфных превращений β-твердый раствор превратится в мартенсит, а в а- твердом растворе будет растворено избыточное количество М. то есть структура сплава будет состоять из пересыщенного α- твердого раствора и мартенсита. Эта операция называется неполной закалкой.
Если речь идет о углеродистых сталях, то
2) При закалке с нагревом до температуры значительно выше 3, но ниже 4 (закалка с перегревом) происходит укрупнение зерен β- твердого раствора, и образующийся в результате закалки мартенсит будет крупноигольчатым. Оба вида брака исправляются проведением полной закалки с нагревом несколько выше температуры 3.
22. Отпуск закаленных углеродистых сталей. Виды и назначение отпуска. Влияние отпуска на структуру и механические свойства закаленной стали. При закалке на мартенсит возникают остаточные напряжения (термические и структурные), которые могут с течением времени привести к изменениям размеров и формы готового изделия и даже его разрушению. Поэтому стали после закалки на мартенсит обязательно подвергают отпуску.
При отпуске закалѐнной стати ее нагревают до температур, не превышающих AC1
, с целью формирования структуры, обеспечивающей необходимые эксплуатационные свойства изделия и уменьшения или снятия внутренних закалочных напряжений. При этом мартенсит переходит к более устойчивому состоянию. низкий отпуск - до 150-200 °С приводит к перераспределению углерода в решетке Fe a
и снижает остаточные напряжения при сохранении или незначительном снижении твѐрдости; применяется для изделий, которые должны обладать высокой твердостью (инструмент, пары трения в машинах); средний отпуск при 350-400 °С приводит к полному распаду мартенсита с образованием цементита, представляющего собой субмикроскопические частицы, распределенные с высокой плотностью в феррите. Такую структуру называют троститом. Тростит характеризуется высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. Используется для пружинно- рессорных сталей. высокий отпуск сталей (улучшение) при 550-
650 °С вызывает коагуляцию (укрупнение) частиц цементита и уменьшение плотности распределения их в феррите. Эту структуру называют сорбитом. В результате высокого отпуска снижается сопротивление пластическим деформациям (предел текучести, твѐрдость), и увеличиваются вязкость и пластичность. Закатка с высоким отпуском обеспечивает более высокие предел текучести и вязкость, повышается сопротивление стали зарождению и развитию трещин. Применяется для тяжелонагруженных деталей машин (валы, штоки, оси, шестерни, лопатки и др.).
23. Основные характеристики прочности металлов при статистических нагрузках (σΒ, στ, δ, ψ). Ударная вязкость (KCU). Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость.
Рассмотрим основные характеристики при статическом нагружении (нагрузка на образец возрастает медленно и плавно).
Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.
Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца ∆l
(мм) от действующей нагрузки Р, т.е. ∆l=f(P).
Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения ∆l от напряжения
Участок
оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон
Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке
а, называется
пределом пропорциональности. Предел пропорциональности (σпц) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением: σпц=Pпц/F0.
При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).
Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной
оа.
Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.
Физический предел текучести (σт)
– это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке
(наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов. σт= Pm/F0.
Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.
Предел прочности (σв)
– напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения
(временное сопротивление разрыву). σв=Pв/F0.
Образование
шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.
Скачать 1.38 Mb.