Шпаргалка по "Материаловедению"

 

21 Мартенситное превращение аустенита

Мартенсит — микроструктура игольчатого (пластинчатого) вида, наблюдаемая в закалённых металлических сплавах и в некоторых чистых металлах, которым свойствен полиморфизм. Мартенсит — основная структурная составляющая закалённойстали; представляет собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного аустенита. С превращением мартенсита при нагреве и охлаждении связан эффект памяти металлов и сплавов. Назван в честь немецкого металловеда Адольфа Мартенса.

Мартенситное  превращение

Мартенситное превращение  при охлаждении происходит не при  постоянной температуре, а в определённом интервале температур, при этом превращение  начинается не при температуре распада  аустенита в равновесных условиях, а несколькими сотнями градусов ниже. Оканчивается превращение при температуре значительно ниже комнатной. Таким образом, в интервале температур мартенситного превращения в структуре стали, наряду с мартенситом, есть и остаточный аустенит.

При пластической деформации стали при температурах мартенситного превращения количество мартенсита увеличивается. В некоторых случаях также влияет упругая деформация. Возможно превращение аустенита в мартенсит при комнатных температурах под действием пластической деформации, как это происходит в "стали Гатфильда" 110Г13Л, содержащей (1,0—1,2% С и 12—14% Mn). Данный материал применяется для изготовления брони,ковшей экскаваторов, молотков для мельниц, не поддается механической обработке (применяется только в литом виде - см. букву "Л" в маркировке) и упрочняется в процессе эксплуатации.

Кроме железоуглеродистых сплавов, мартенситное превращение наблюдается  и в некоторых других, например, сплавах на основе титана (сплавы типа ВТ6, ВТ8, ВТ14), меди(бронзы типа БрАМц 9-3).

 

22Преврещения при нагреве закалённых сталей.Превращение мартенсита и остаточного аустенита при нагреве

Изучение микроструктуры, атомно-кристал-лического строения, физических и механических свойств  в отпущенном состоянии и изменение  этих свойств в процессе отпуска  позволили с необходимой достоверностью установить последовательность превращения при нагреве закаленной стали.

Исходной после  закалки является неравновесная  структура, состоящая из мартенсита и остаточного аустенита. Переход  стали в более устойчивое состояние  должен сопровождаться распадом мартенсита и остаточного аустенита с образованием ферритоцементитной смеси.

Исследования показали, что, начиная от 80°С и вплоть до 200 °С, наблюдается сокращение объема образца из-за уменьшения параметра с решетки мартенсита (.рис. 2.26). Отношение параметров решетки с: а стремится к единице. Это превращение называют первым превращением при отпуске.

Получающийся при  таком низком отпуске мартенсит, у которого отношение с: а близко к единице, называют отпущенным мартенситом. Следовательно, первое, превращение есть превращение тетрагонального мартенсита в отпущенный, почти кубический с образованием необособившихся частиц мета-стабильного карбида.

Тетрагональность  мартенсита обусловлена растворением углерода, поэтому уменьшение тетра-гональности можно объяснить выделением углерода из раствора (с ребер решетки).

Дальнейший нагрев выше 200 °С ведет к так называемому  второму превращению при отпуске, который охватывает интервал температур 200. ..300°С. В этом интервале остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит. Это превращение диффузионное и по своей природе похоже на превращение первичного аустенита в промежуточном интервале температур.

К концу второго  превращения наступает полное выделение углерода из раствора, снятие внутренних напряжений. Одновременно с этим метастабильный .карбид обособляется и превращается в цементит. Сумму этих изменений называют третьим превращением при отпуске.

При 400 °С третье превращение  заканчивается и структура стали  состоит из феррита и цементита. При дальнейшем повышении температуры  наблюдают процесс коагуляции зерен феррита и цементита.

Есть существенное различие между строением ферритоцементитной смеси, полученной после распада  мартенсита при отпуске, и строением аустенита при распаде аустенита. Например, цементит троостита закалки имеет ярко выраженную игольчатую форму, а троостита отпуска — зернистую. Различная форма цементита определяет различие свойств сталей.

23 Влияние отпуска   на механические свойства стали

Влияние температуры отпуска  на механические свойства стали с 0,4 % С 
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный. 
При низкотемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 150—250 °С. После выдержки при этой температуре (обычно 1—3 ч) в детали получают структуру отпущенного (кубического) мартенсита При низком отпуске частично снимаются закалочные напряжения. Если в стали было значительное количество остаточного аустенита, то в результате его превращения в кубический мартенсит твердость после низкого отпуска может увеличиться на 2—3 единицы и HRC.Структура закаленной стали после различных видов отпуска, Х500: a — среднетемпературного (350-400 °С, бейнит); б — высокотемпературного (450 — 600 °С, сорбит); в — 650—700 °С  
Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей после цементации, поверхностной закалки и т.д. При среднетемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 350—400 °С. В результате получается структура троостита (бейнит). После такого отпуска в изделиях получается сочетание сравнительно высокой твердости (НRС 40— 45) и прочности с хорошей упругостью и достаточной вязкостью поэтому среднему отпуску подвергают пружины и рессоры. 
При высокотемпературном отпуске закаленные изделия нагревают до 450—650 °С. После такого нагрева и соответствующей выдержки в изделиях получается структура сорбита. В отличие от сорбита, образующегося после нормализации, когда цементит пластинчатый, после высокого отпуска цементит приобретает зернистую форму (рис. 8, б). Это существенно повышает ударную вязкость при одинаковой (или даже более высокой) твердости по сравнению с нормализованной сталью. Поэтому такой отпуск применяют для деталей машин, испытывающих при эксплуатации ударные нагрузки. Закалку с высоким отпуском часто называют улучшением. . При нагреве 650—700 °С получают структуру зернистого перлита (рис. 8, в).Поскольку в легированных сталях все диффузионные процессы протекают медленнее, время выдержки при отпуске таких сталей больше по сравнению с углеродистыми. Кроме того, карбидообразующие элементы замедляют коагуляцию карбидов, в результате чего они сохраняются мелкодисперсными до более высоких температур. Это одна из причин наблюдающегося явления так называемой вторичной твердости, т.е. увеличения твердости после отпуска в интервале 500— 600 °С (наблюдается в сталях, легированных хромом, молибденом, ванадием и некоторыми другими элементами).

24  отжиг. Назначения. Режимы Отжигом называют термообработку, направленную на получение в металлах равновесной структуры. Любой отжиг включает в себя нагрев до определенной температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение. Цель отжига - уменьшить внутренние напряжения в металле, уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность. Отжиг делят на отжиг 1 рода и 2 рода.

Отжиг 1 рода - это такой  вид отжига, при котором не происходит структурных изменений, связанных  с фазовыми превращениями.

Отжиг 1 рода в свою очередь  разделяют на 3 группы:

1. Гомогенизация- отжиг,  направленный на уменьшение химической  неоднородности металлов, образующейся  в результате рекристаллизации. В отличие от чистых металлов, все сплавы после кристаллизации  характеризуются неравновесной  структурой, т.е. их химический  состав является переменным как  в пределах одного зерна, так  и в пределах всего слитка. Химическая неоднородность обусловлена  различной температурой плавления  исходных компонентов. Чем меньше  это различие, тем более заметна  химическая неоднородность, получающаяся  в слитке. Избавится от нее  невозможно, можно только уменьшить.  Для этого применяют высокотемпературный  отжиг с длительными выдержками (от 2 до 48 часов). При высокой температуре  подвижность атомов в кристаллической  решетке высокая и с течением  времени за счет процессов  диффузии происходит постепенное  выравнивание химического состава.  Однако усреднение химического  состава происходит в пределах  одного зерна, т.е. устраняется  в основном дендритная ликвация. Чтобы устранить зональную ликвацию (химическую неоднородность в  пределах части слитка), необходимо  выдерживать слитки при данной  температуре в течение нескольких  лет. А это практически невозможно. В процессе отжига на гомогенизацию  происходит постепенное растворение  неравновесных интерметаллидных  фаз, которые могут образоваться  в результате кристаллизации  с большой скоростью. При последующем  медленном охлаждении после отжига  такие неравновесные фазы больше  не выделяются. Поэтому после  гомогенизации металл обладает  повышенной пластичностью и легко  поддается пластической деформации.

2. Рекристаллизационный отжиг.  Холодная пластическая деформация  вызывает изменение структуры  металла и его свойств. Сдвиговая  деформация вызывает увеличение  плотности дефектов кристаллической  решетки, таких как вакансии, дислокации. Образование ячеистой структуры  происходит с изменением формы  зерен, они плющиваются, вытягиваются  в направлении главной деформации. Все эти процессы ведут к  тому, что прочность металла постепенно  увеличивается, пластичность падает, т.е. возникает наклеп или нагартовка.

3. Отжиг для снятия внутренних  напряжений. Внутренние напряжения  в металле могут возникать  в результате различных видов  обработки. Это могут быть термические  напряжения, образовавшиеся в результате  неравномерного нагрева, различной  скорости охлаждения отдельных  частей детали после горячей  деформации, литья, сварки, шлифовки  и резания. Могут быть структурными, т.е. появившиеся в результате  структурных превращений, происходящих  внутри детали в различных  местах с различной скоростью.  Внутренние напряжения в металле  могут достигать большой величины  и, складываясь с рабочими, т.е.  возникающими при работе, могут  неожиданно превышать предел  прочности и приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений  производится с помощью специальных  видов отжига. Этот отжиг проводится  при температурах ниже температуры  рекристаллизации: tотж=0,2-0,3Тпл º  К. Повышенная температура облегчает  скольжение дислокаций и, под  действием внутренних напряжений, происходит их перераспределение,  т.е. из мест с повышенным  уровнем внутренних напряжений  дислокации перемещаются в области  с пониженным уровнем. Происходит  как бы разрядка внутренних  напряжений. При нормальной температуре  этот процесс будет длиться  в течение нескольких лет. Увеличение  температуры резко увеличивает  скорость разрядки, и продолжительность  такого отжига составляет несколько  часов.

 

 

 

 

 

25 нормализация .назначения . режимы

При нормализации сталь нагревают  до температур на 30 – 50 ºC выше линии GSE и охлаждают на спокойном воздухе (рис. 3). Ускоренное, по сравнению с отжигом, охлаждение обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида. После нормализации сталь должна иметь большую прочность, чем после отжига. Нормализацию применяют чаще как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием, для устранения пороков строения и общего улучшения структуры перед закалкой. Таким образом, назначение нормализации как промежуточной обработки аналогично назначению отжига. Так как нормализация гораздо выгоднее отжига (охлаждение не с печью, а на воздухе), то ее всегда следует предпочесть отжигу, если оба эти вида обработки дают одинаковые результаты. Но нормализация не всегда может заменить отжиг как операция смягчения стали.

Нормализацию  широко применяют вместо смягчающего  отжига к малоуглеродистым сталям, в которых аустенит слабо переохлаждается. Но она не может заменить смягчающий отжиг высокоуглеродистых сталей, которые весьма ощутимо упрочняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита.

В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При  нагреве выше точки А_Сm (линия SE) вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе он не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали.

ПОЛНЫЙ ОТЖИГ

При полном отжиге доэвтектоидная сталь после  нагрева выше критической точки  А_C3 на 30 – 50 ºC (рис. 3) медленно охлаждается вместе с печью. Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью (порядка несколько градусов в минуту), чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлаждения. Так как превращение аустенита при отжиге полностью завершается при температурах значительно выше изгиба С-кривых, то отжигаемые изделия можно выдавать из печи на спокойный воздух при температурах 500 – 600 ºC, если не опасны термические напряжения.

Полный  отжиг проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения  однородной мелкозернистой структуры.

26