Превращение перлита в аустенит при нагреве

Ппри нагреве эвтектоидной стали выше линии А_С1 (727˚С) перлит превращается в аустенит:

П (Ф_0,02%С+Ц_6,67%С)→А_0,8%С.

Превращение является результатом двух одновременно протекающих процессов:

· полиморфного a®g превращения;

· диффузионного растворения цементита в аустените. Для выравнивания концентрации углерода в аустените требуется время (гомогенизация).

Начальное зерно аустенита – это зерно, полученное при 727°С, оно всегда мелкое (рис. 32).

Рис. 32. Схема роста аустенитного зерна при нагреве: НМЗ – наследственно мелкозернистая сталь, НКЗ – наследственно крупнозернистая

При нагреве зерно растет. Действительное зерно аустенита – это зерно, полученное при данной температуре, его размер зависит от температуры нагрева, времени выдержки и наследственности стали. Стали наследственно крупнозернистые (НКЗ) при производстве раскислены марганцем. При нагреве рост зерна в них начинается сразу выше А_С1. Стали наследственно мелкозернистые (НМЗ) раскислены марганцем, кремнием и алюминием. Нитрид алюминия AlN, располагаясь по границам зёрен, тормозит их рост. При нагреве до 1000-1100˚С зерно растёт незначительно, но при более высоких температурах частицы AlN растворяются в аустените, и зерна аустенита резко растут.

При последующем охлаждении размер действительного зерна сохраняется, независимо от протекающих фазовых превращений.

Перегрев стали – это нагрев до температур, значительно превышающих температуры фазовых превращений (1000…1100˚С), в результате чего формируется крупнозернистая структура, ухудшаются механические свойства стали. Перегрев можно исправить повторным нагревом до температур, немного выше температуры фазовых превращений (Ас₃ или А_сm).

Нагрев до ещё более высоких температур в окислительной атмосфере, вызывает пережог стали. Происходит образование оксидов железа по границам зерен, резко повышается хрупкость. Пережог неисправим.

1. Отпуск стали. Процессы, протекающие при отпуске. Структуры отпуска и их свойства. Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске стали. Отпускная хрупкость и способы ее устранения.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже А_С1, выдержка и охлаждение. Цель отпуска – получение окончательной структуры и свойств стали. Отпуск основан на превращениях мартенсита при нагреве (см. п. 6.3), в результате которых происходит изменение структуры и свойств стали (рис. 43).

Различают три вида отпуска (табл.3). Окончательная термообработка, назначаемая изделию для придания требуемых свойств, состоит из закалки и последующего отпуска. Закалку с низким отпуском применяют для деталей машин и инструмента, от которых требуются высокая твердость и износостойкость. Закалку с последующим средним отпуском – для изделий с повышенными упругими свойствами. Закалку с высоким отпуском (улучшение) – для деталей, работающих при повышенных динамических (ударных) и циклических нагрузках.

Рис. 43. Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной стали

Таблица 3

Характеристика видов отпуска

Виды отпуска	Температура, °С	Структура	Свойства	Применение
Низкий	150…250	Мотп	HRC, σв	Инструмент, подшипники, детали после ХТО и ТВЧ
Средний	350…500	Тотп	σупр, σ-1	Рессоры, пружины
Высокий	500…680	Сотп	КС	Валы, оси, шатуны

Отпускная хрупкость

Существуют определенные температурные интервалы отпуска, в которых снижается ударная вязкость (Рис.44). Понижение ударной вязкости при температурах отпуска называется отпускной хрупкостью.

Отпускная хрупкость I рода (необратимая) наблюдается в температурном интервале среднего отпуска (250…400°С) у всех конструкционных сталей. Её связывают с неравномерным выделением карбидов из мартенсита по границам зёрен. Хрупкость I рода устраняется нагревом до температуры выше 400°С, снижающим, однако, твердость.

Отпускная хрупкость II рода (обратимая) проявляется при температуре 500…550°С в Cr-Ni- и Cr-Mn- улучшаемых сталях. Предполагаемая причина – скопление фосфора и элементов внедрения по границам зёрен при медленном охлаждении. Хрупкость II рода устраняется повторным отпуском с быстрым охлаждением. Для предупреждения обратимой хрупкости стали легируют молибденом (0,3%) или вольфрамом (до 1%).

Рис. 44. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали

Задача: Износостойкая аустенитная сталь 130Г13Л содержит 1,3%С, 13%Mn, (Л–литейная). Структура после литья: аустенит легированный + карбиды (Fe,Mn)₃С. Для растворения хрупких карбидов и получения однородной аустенитной структуры сталь подвергают закалке в воде от температуры 1100°С.

Билет №9

Типы кристаллических решеток металлов и их основные характеристики

Основные типы кристаллических решеток металлов (рис. 1):

· объемноцентрированная кубическая - ОЦК (Fe_α, Cr, Mo, W, V и др.);

· гранецентрированная кубическая - ГЦК (Fe_γ Cu, Ag, Au, Ni, и др.);

· гексагональная плотноупакованная - ГПУ (Be, Zn, Mg, Cd и др.).

а) б) в)

Рис. 1. Основные типы кристаллических решеток металлов: а – объемно- центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная.

Параметры кристаллических решеток:

- период – расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями;

- базис (Б) – число атомов, принадлежащих одной элементарной ячейке в кристалле;

- координационное число (К) – число атомов, равноудаленных на минимальное расстояние от данного атома;

- плотность упаковки (ПУ) – отношение объема, занятого атомами в элементарной ячейке, к ее объему.

Параметры кристаллических решеток.

ОЦК: периоды a=b=c, Б=2, К8, ПУ=68%;

ГЦК: a=b=c, Б=4, К12, ПУ=74%;

ГПУ: c/a = 1,633, Б=6, Г12, ПУ=74%.

1. Закалка стали. Выбор температуры нагрева (указать на диаграмме железо-углерод). Способы охлаждения при закалке. Сравните структуру и свойства сталей после ступенчатой и изотермической закалок.

Закалка – нагрев доэвтектоидной стали на 30..50°С выше А_С3, заэвтектоидной - на 30..50°С выше А_С1, выдержка и последующее охлаждение со скоростью выше критической (Рис. 38, 42). Цель закалки – получение структуры мартенсита.

Структуры сталей после закалки:

· доэвтектоидных - М+А_ОСТ,

· эвтектоидной - М+А_ОСТ,

· заэвтектоидных – М+А_ОСТ+Ц_II.

Рис. 42. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe₃C с нанесенными температурами нагрева под закалку

В качестве закалочных сред применяются: вода, водные растворы солей и щелочей, минеральное масло. Охлаждающая среда должна обеспечивать скорость охлаждения стали выше критической в области наименьшей устойчивости аустенита. В диапазоне температур мартенситного превращения скорость охлаждения желательно замедлить, чтобы уменьшить внутренние напряжения, возникающие при переходе аустенита в мартенсит, и предотвратить возникновение закалочных дефектов. Для углеродистых и низколегированных сталей применяют воду и водные растворы NaCl, NaOH. Для легированных сталей применяют минеральное масло.

Закалка, как правило, не является окончательной термообработкой, после нее следует отпуск.

1. Диаграмма состояния Аl–Cu. Классификация алюминиевых сплавов. Маркировка. Механизмы упрочнения.

Классификация алюминиевых сплавов:

2. Деформируемые сплавы:

· сплавы, не упрочняемые термической обработкой;

· сплавы, упрочняемые термической обработкой.

2.Литейные сплавы.

3.Порошковые сплавы.

Дуралюмины (Д1, Д3, Д6, Д16 и т.п.) – сплавы системы Al-Cu. Основным легирующим элементом является медь. Сплав Д1 содержит 3,8…4,8%Cu, 0,5…1,5% магния, ~0,5% марганца. Согласно диаграмме Al-Cu (рис. 46) в сплавах образуются следующие фазы:

· α – твердый раствор меди в алюминии, максимальная растворимость Cu в Al составляет 5,7%;

· θ –твердый раствор на основе химического соединения СuAl₂, содержащего 54,1%Cu.

Структура сплава Д1 в равновесном состоянии (после литья) α + θ_II, причем частицы θ_II располагаются по границам зерен и охрупчивают сплав (рис. 47 а).

Рис. 46. Диаграмма состояния Al – Cu

Для упрочнения дуралюминов проводится термическая обработка: закалка + старение. Закалка заключается в нагреве до температуры ~ 500°С, при которой хрупкая избыточная θ_II-фаза полностью растворяется в α-твердом растворе, быстрое охлаждение фиксирует структуру пересыщенного твердого раствора меди в алюминии

Задача: Структурный класс быстрорежущих сталей в равновесном состоянии – ледебуритный. Термообработка готового инструмента из стали Р18: закалка + трехкратный низкий отпуск. Температура нагрева под закалку 1270…1290°С обеспечивает наиболее полное растворение вторичных карбидов и получение высоколегированного аустенита. Охлаждение в масле приводит к получению структуры, состоящей из высоколегированного мартенсита, нерастворенных карбидов первичных и остаточного аустенита (25…30%). Остаточный аустенит снижает режущие свойства стали, и поэтому его повышенное количество в готовом инструменте недопустимо. Проводимый после закалки трехкратный низкий отпуск при температуре 550…570°С снижает количество остаточного аустенита: на каждой стадии отпуска происходит выделение вторичных карбидов, это уменьшает легированность аустенита, который при охлаждении претерпевает превращение в мартенсит. Окончательная структура инструмента – М_отп+карбиды+А_ост (1-2%).

Билет №10

1. Первичная и собирательная рекристаллизация. Влияние их на структуру и свойства стали. Понятие о критической степени деформации.

Рекристаллизация – процесс зарождения и формирования новой равновесной структуры. Рекристаллизация возможна, если пластическая деформация больше критической (ε_кр=3..15%).

Первичная рекристаллизация. Притемпературе начала рекристаллизации Т_Н.Р.=αТ_пл [К], где α=0,3…0,4 - для чистых металлов, α= 0,5…0,7 - для сплавов, на границах деформированных зерен появляются зародыши и рост новых равноосных зерен(рис.14). При нагреве число зародышей интенсивно растет и образуется новая мелкозернистая структура.

Рис.14. Изменение структуры и свойств деформационно-упрочненного металла при нагреве

Собирательная рекристаллизация – укрупнение рекристаллизованных зерен при нагреве с переходом металла в более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией. В итоге формируется термодинамически устойчивая равновесная структура. Размер зерна после рекристаллизации зависит от температуры нагрева, времени выдержки и степени пластической деформации ε. Чем выше температура и время выдержки, тем крупнее зерно (рис.14). Чем больше ε, тем мельче зерно.

а) б) в)

Рис. 15. Влияние температуры (а), длительности отжига (б) и степени деформации (в) на размер рекристаллизованного зерна

1. Особенности превращения аустенита в перлит и бейнит. Строение и свойства продуктов превращений.

Перлитное превращение идет при переохлаждении аустенита в диапазоне температур 727˚С...500˚С. При этом происходит распад аустенита на феррито-цементитную смесь:

А_0,8%С→Ф_0,02%С+Ц_6,67%С.

Механизм перлитного превращения – диффузионный и включает два процесса:

· диффузионное перераспределение углерода, приводящее к образованию цементита;

· полиморфное превращение Fe_γ→Fe_α (ГЦК→ОЦК) с образованием феррита.

В итоге образуется феррито-цементитная смесь пластинчатого строения. В зависимости от температуры переохлаждения образуются феррито-цементитные смеси, отличающиеся степенью дисперсности (межпластинчатым расстоянием Δ₀): перлит, сорбит, троостит (табл. 2). С увеличением степени переохлаждения увеличивается дисперсность структур, повышается прочность и твёрдость. Наибольшей пластичностью и вязкостью обладает структура сорбита.

Таблица 2

Продукты перлитного превращения

Ф-Ц смесь	tпереохлаждения, °С	Структура	Межпластинчатое расстояние Δ0, мкм	Твердость, НВ
Перлит	А1…650		0,6…1,0	180…250
Сорбит	650…550		0,25…0,3	250…350
Троостит	550…500		0,1…0,15	350…450