Закалка без полиморфного превращения

 

Рис. 12 Структура рельсовой  стали после охлаждения в воде от различных температур ускоренного  нагрева (~8°С/с): а – исходное состояние; б – 740°С; в – 760°С; г – 810°С; д – 900°С. [9]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      7.1. Кинетика распада переохлажденного аустенита.

 

      Распад переохлажденного аустенита (диаграмма изотермического превращения аустенита). Распад аустенита может происходить только при температурах ниже 727В° С (критическая точка А1), когда свободная энергия аустенита выше свободной энергии продуктов его превращения ( рис. 13). Следовательно, для распада аустенит должен быть переохлажден. От степени переохлаждения, т. е. от температуры, при которой происходит распад аустенита, зависят скорость превращения и строение продуктов распада аустенита. Закономерности этого процесса характеризуются диаграммой изотермического превращения аустенита, т. е. распадом аустенита при постоянной температуре.

 

 

 

 

Рис. 13. Изменение свободной энергии аустенита и перлита в зависимости от температуры.

 

 

       Если нагретую до состояния аустенита сталь быстро охладить до температуры ниже температуры в критической точке А1 и затем выдержать при данной температуре, то превращение аустенита в феррито-цементитную смесь будет проходить в течение определенного времени. Такой процесс превращения аустенита при постоянной температуре (изотермический процесс) можно охарактеризовать зависимостями, приведенными на рис. 14. После охлаждения стали до температуры t ниже температуры в критической точке А1 аустенит сохраняется нераспавшимся некоторое время (отрезок о-а на рис. 14, а). Этот период времени называется инкубационным периодом.

 

 

 

           По истечении инкубационного периода начинается распад аустенита на феррито-цементитную смесь. С течением времени аустенит распадается все больше (отрезок а-б). Полный распад аустенита заканчивается по истечении времени, равного отрезку а-в (рис. 14, б). Следовательно, для распада аустенита на феррито-цементитную смесь при какой-то определенной температуре требуется определенное время.

 

Рис. 14. График (а) и кинетическая кривая (б) изотермического превращения аустенита.

          Кривые изотермического распада переохлажденного аустенита приведены на рис. 15. Кривая превращения аустенита в ферритоцементитную смесь при температуре t1 более низкой, чем температура А1 приведена на рис. 15, а. При температуре t2 более низкой, чем температура t1 уменьшается время как инкубационного периода, так и распада аустенита на феррито-цементитную смесь (рис. 15, б), что объясняется увеличением разности свободных энергий аустенита и перлита (фактор, ускоряющий превращение), а скорость диффузии хотя и снижается (фактор, замедляющий превращение), но еще достаточно велика.

 

Рис. 15. Кинетические кривые изотермического превращения аустенита при различных температурах.

 

          При температуре t3 это время наименьшее, аустенит наименее устойчив и распад его происходит наиболее быстро (рис. 15, в). С понижением температуры ниже температуры t3 (при температурах t4 и t5) время инкубационного периода и время распада аустенита на феррито-цементитную смесь увеличивается (рис. 15, г и д), что объясняется малой скоростью диффузии. Таким образом, с понижением температуры (т. е. с повышением степени переохлаждения) от А1 до t3 время как инкубационного периода, так и распада аустенита на феррито-цементитную смесь уменьшается, а затем с понижением температуры ниже t3 увеличивается.Построение такой диаграммы производится следующим образом.

          Экспериментальные кривые ( рис. 15) совмещают на одной диаграмме (рис. 16, а). По осям координат диаграммы (рис. 16, б) откладывают время (ось абсцисс) и температуру распада аустенита (ось ординат). В связи с тем, что время распада аустенита может изменяться от нескольких секунд до нескольких часов, для удобства построения применяется логарифмическая шкала времени (In τ ).

Затем проводят линии, соответствующие  температуре в точке A1 и температуре  начала мартенситного превращения (точка Мн *). Точки а (начала распада аустенита) и б (окончания распада) для каждой температуры превращения переносят на соответствующие горизонтали температур. Затем точки a1 а2 и т. д. соединяют, в результате чего получается левая кривая диаграммы. После переноса и соединения точек б1, б2 и т. д. получается правая кривая диаграммы. Получившиеся кривые похожи на русскую букву С, поэтому их и называют С-кривыми. Левая кривая характеризует начало распада, а правая - окончание распада аустенита на феррито-цементитную смесь. В области между вертикальной осью и левой кривой аустенит находится в переохлажденном состоянии (инкубационный период).    

         Приведенная на рис. 16, б диаграмма изотермического распада аустенита характерна для эвтектоидной стали. В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную, промежуточного превращения,  мартенситную.

Рис. 16. Схема построения диаграммы изотермического превращения аустенита. [10, c. 10-13]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.  Критическая  скорость охлаждения при закалке.

 

      Охлаждение при закалке является одним из важнейших технологических

переходов, обеспечивающих развитие мартенситного превращения. Как известно, охлаждение при закалке проводится с максимально высокими скоростями, предотвращающими диффузионный распад переохлажденного аустенита на феррито-цементитную смесь, т.е. скорость охлаждения должна превышать критическую скорость закалки. На изотермической либо термокинетической диаграмме распада переохлажденного аустенита критическая скорость закалки изображается в виде касательной к С – образным кривым в области минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (рис. 17).

 

Рис17.Схемы назначения оптимальных условий охлаждения при закалке: а - интервал оптимальных скоростей охлаждения; б - оптимальный график охлаждения

      На рисунке  17, а линия 1 соответствует охлаждению с критической

скоростью, линия 2, пересекающая С-кривые, свидетельствует о том, что

уменьшение скорости охлаждения менее критической приводит к диффузионному распаду переохлажденного аустенита, исключая мартенситное превращение, что не соответствует условиям проведения закалки. Линии 3 – 5, соответствующие скоростям охлаждения, превышающим критическую, обеспечивают развитие мартенситного превращения, подавляя диффузионный распад. Охлаждение со скоростью равной критической также соответствует условиям проведения закалки, но является предельно малой. Отсюда можно сформулировать определение критической скорости закалки стали.

         Критической скоростью закалки стали является такая минимальная

скорость охлаждения, при  которой переохлажденный аустенит в полном объеме претерпевает бездиффузионное мартенситное превращение и не распадается на ферритоцементитную смесь. Скорость охлаждения при закалке, однако, не должна быть слишком большой, поскольку ее чрезмерное увеличение приводит к росту закалочных внутренних напряжений, что может вызвать коробление изделий или образование трещин. Оптимальный интервал скоростей охлаждения на рисунке 17,а заштрихован. Увеличение скорости охлаждения (линия 5) опасно из-за возникновения избыточного уровня закалочных напряжений. Причинами возникновения закалочных напряжений являются термические градиенты от поверхности вглубь изделия, а также между зонами детали с разным поперечным сечением, а также неоднородность (неодновременность) развития структурных (мартенситных или иных) превращений по сечению изделия или в соседних объемах различной толщины. В этой связи следует рассматривать термические и структурные напряжения. Наиболее опасными являются структурные напряжения, возникающие при развитии мартенситного

превращения при относительно низких температурах (ниже точки Мн), когда

пластичность материала  предельно низка. Общий уровень закалочных напряжений определяется суммой термических и структурных напряжений независимо от причин их возникновения.

        Анализ оптимальных условий охлаждения при закалке (рисунок 17, б)

показывает, что предельно  высокая скорость охлаждения необходима лишь в

области минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (область

температур 650 – 500 С), с целью подавления диффузионного распада, а дальнейшее охлаждение может проводиться с меньшими скоростями (см. пологий участок кривой охлаждения ниже температур 500 – 450С).

При этом уменьшается температурный  градиент по сечению изделия при

дальнейшем охлаждении, в  том числе в интервале температур развития мартенситного превращения (ниже точки Мн). Это обеспечивает более равномерное развитие мартенситного превращения по сечению, в результате чего снижается уровень возникающих структурных и общее значение остаточных закалочных напряжений.

 

7.3. Факторы влияющие на устойчивость переохлажденного раствора

 

      Устойчивость переохлажденного твердого раствора зависит от системы легирования, содержания легирующих элементов и структуры сплава перед закалкой. В сплавах на разной основе и с разными легирующими элементами при одной основе различна диффузионная подвижность атомов величина Q Работа образования критического зародыша зависит от поверхностной энергии на границе матрицы и выделения, а также от энергии упругой деформации, возникающей из-за различия в удельных объемах фаз. Поэтому скорость зарождения выделяющейся фазы в разных системах различна. Так, сплавы на базе системы А1—Си—Mg (дуралюмнны) выделяются среди алюминиевых весьма низкой устойчивостью переохлажденного твердого раствора , а сплавы на базе системы AI—Zn—Mg (типа 1915 и 1925) — очень высокой (рис.  18 , а). Разница в устойчивости переохлажденного раствора в сплавах на базе этих двух систем предопределяет резкое различие в технологии их термообработки: если сплавы типа «дуралюмин» необходимо закаливать в воде, то сплавы на основе системы А1— Zn—Mg можно закаливать с охлаждением на спокойном воздухе. Прессованные полуфабрикаты из сплавов 1915 и 1925 вообще не подвергают операции закалки - они самозакаливаются при охлаждении профилей и труб на воздухе с температуры прессования.

 

 

Рис.18    С-кривые начала распада переохлажденного алюминиевого раствора, соответствующие изменению предела прочности на 2%

 

       Закалку с охлаждением на воздухе широко применяют к жаропрочным аустенитным стареющим сталям с интерметаллидным упрочнением, жаропрочным никелевым сплавам типа «нимоник», магниевым сплавам типа «электрон» .

       В пределах одной системы с увеличением концентрации легирующих элементов растет пересыщенность твердого раствора и, следовательно, уменьшается его устойчивость. Например, в сплаве С₀¹, более легированном, чем сплав С₀ (рис. 18), при температуре Т₁ степень пересыщенности раствора   C_u/C₁ > C₀¹/C₁ и термодинамический стимул превращения > ¹(рис. 2). Соответственно С-кривая начала распада раствора в сплаве С₀¹ должна быть сдвинута вправо по сравнению с С-кривой сплава С₀.

       Дисперсные  включения интерметаллидов и других фаз, находящихся в сплаве при температуре закалки, могут уменьшить устойчивость переохлажденного раствора, инициируя его распад. С этим связано действие, например, малых добавок переходных металлов (Мп, Сг, Ti) в алюминиевых сплавах. При гомогенизационном отжиге слитков, при нагревах под обработку давлением и закалку из твердого раствора , который пересыщается этими элементами при кристаллизации расплава, выделяются дисперсные алюминиды переходных металлов. Они служат затравками для выделения из раствора основных фаз при охлаждении сплава с температуры закалки, и критическая скорость охлаждения возрастает (прокаливаемость снижается).

       Температура закалки может оказаться ниже температуры начала рекристаллизации. Сплав с нерекристаллизованной, полигонизованной структурой обладает меньшей устойчивостью переохлажденного твердого раствора (рис. 18   , б) из-за облегченного зарождения избыточных фаз на дислокациях и субграницах.

      При закалке в воде возникают большие остаточные напряжения н коробление изделий. Поэтому там, где это возможно, скорость охлаждения уменьшают, используя закалку в подогретой и кипящей воде. В последнее время для закалки алюминиевых сплавов стали применять в качестве более мягкой закалочной среды жидкий азот и специальные эмульсии. Некоторые жаропрочные аустенитные стали закаливают в масле. [5, c. 179-181]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

 

       Закалка без полиморфного превращения практически никогда не применяется в качестве единственной операции термообработки. Поэтому сведения об изменении свойств сплавов непосредственно после закалки имеют больше теоретическое, чем практическое значение, поскольку определяют тип структурных изменений при закалке, а

окончательные свойства сплавов  будут сформированы в результате последующего старения сплавов, существенным образом изменяющего уровень механических свойств. Закалка используется в качестве промежуточной операции термообработки, например для повышения пластичности материала, взамен какого-либо из видов отжига, или снятия напряжений. Основным назначением закалки является получение пересыщенного твердого раствора , способного за счет процессов старения к значительному упрочнению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

 

1. Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И. ХИМИЗДАТ ,Материаловедение 2007.- 784 с.
2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов, Учебник для металлургических специальностей. - 3-е изд. - М.: Машиностроение, 1983. - 359 с.
3. Хладостойкие стали и сплавы: Учебник для вузов, Солнцев Ю.П./Химиздат, 2005 .-476 c.
4. Натапов Б.С. Термическая обработка металлов : Учебное пособие для вузов, Вища школа, 1980. - 288 с.
5. Новиков И.И. – Теория термической обработки металлов. Учебник. (изд. 3-е) : Учебник для вузов по спец. "Металловедение, оборудование и технология терм. обраб. Металлов . 435 c. ил., граф. 22 см. Мир 1978
6. http://metallicheckiy-portal.ru/articles/obrabotka/termo/mikroplasticheskie_deformacii_pri_termoobrabotke/17
7. http://lmx.ucoz.ru/blog/struktura_aljuminievykh_splavov/2011-08-25-14
8. Мондольфо Л.Ф. "Структура и свойства алюминиевых сплавов". М., Металлургия, 1979, 640 с.
9. Особенности технологии закалки железнодорожных рельсов с индукционного нагрева токами высокой частоты (ТВЧ)/ д.т.н., проф. Скобло Т.С., к. т. н. Сапожков В.Е./ УДК 669.017.3
10. Самохоцкий А.И., Парфеновская Н.Г. Технология термической обработки металлов, 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1976. - 311 с.: ил.
11. Болховитинов Н.Ф. Металловедение и термическая обработка, М.: Машгиз, 1961. - 462 с.
12. Попов А.А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита, Справочник термиста. — М.: Издательство "Металлургия", 1965 г. — 493 с.
13. Люты В. Закалочные среды, Челябинск: Металлургия, 1990. - 192 с.
14. Смирнов М.А., Счастливцев В.М., Журавлев Л.Г. Основы термической обработки стали. Учебное пособие, Екатеринбург: УРО РАН, 1999. - 496 с.
15. Петраш Л.В. Закалочные среды, М.:-Л.: Машгиз, 1959. -112 с.
16. Курдюмов Г.В. Явления закалки и отпуска стали, М.: Металлургиздат, 1960. - 64 с.
17. Ткаченко И.Ф.1, Ткаченко К. И.2/ О природе легирующих элементов на кинетику распада переохлажденного аустенита/ УДК 669.017.07
18. Ткаченко И.Ф. О факторах, определяющих скорость роста а - фазы в переохлажденном аустените/ И.Ф.Ткаченко, С.Л.Тихонюк, Л.С.Тихонюк // Металлы. -1996.- № 2. – С. 38-41.
19. Пышминцев Игорь Юрьевич, доктор технических наук, Борякова Анна Николаевна / Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства низкоуглеродистой трубной стали/ УДК 669.017:620.186 (48-51)
20. Алимов В. И.(ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк)/Закономерности распада переохлажденного аустенита в стальной проволоке при воздушном охлаждении (256-264)
21. С.И. Дворецкий, В.Н. Королев, С.А. Нагорнов, В.П. Таров/ МОСКВА"ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1"2006
22. Биронт В.С. Теория термической обработки металлов/ Комплект учебных пособий. - Красноярск: СФУ: ИЦМиЗ. – 2007. – (234+172+152+139)с.
23. Бернштейн М.Л., Рахштадт А.Г. Металловедение и термическая обработка стали. Том 2, Справочник в 3 томах. Том 2 - Основы термической обработки,М.: Машиностроение, 1983. – 368 с.
24. Абрикосов А.А. - Основы теории металлов: Учебное руководство, М.: Наука, 1987.-520 с.
25. Закс Г. Практическое металловедение (3 тома) Материаловедение, металловедение 1936 (т.1), 1938 (т.2), 1937 (т.3)