Изотермический распад переохлажденного аустенита

Изотермический распад переохлажденного аустенита. Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше Ас3 -для доэвтектоидной стали или выше Асm - для заэвтектоидной, переохладить до температуры ниже Аr1 , то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение. Рассмотрим кинетику этого процесса см. рис. 1 Вначале объем новой составляющей, испытавший превращение, растет с ускорением, а к концу превращения прибыль этого объема резко замедляется. Это объясняется тем, что в начальный период образуется лишь небольшое количество центров превращения с малой поверхностью новой структурной составляющей по мере изотермической выдержки число центров возрастает, увеличиваются размеры новой составляющей, но вскоре наступает замедление прцесса из-за того, что растущие кристаллы соприкасаются между собой и в местах стыка рост их прекращается, т.е. поверхность фронта превращения уменьшается. Период о-а называется инкубационным периодом.

В инкубационный период количество образовавшихся новых кристаллов настолько мало, что превращение не фиксируется обычными методами исследования. Конец инкубационного периода - точка а на рис. 1 - фиксируемое данным методом начало превращения. По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более стабильных структур. Скорость распада сначала быстро увеличивается, а потом постепенно убывает. Через какое-то время процесс полностью заканчивается точка в на рис. 1 . Строя такие кривые при различных температурах можно получить диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита, см. рис. 2 . Для этого нужно отрезки времени, соответствующие началу точки а и концу точки в распада аустенита или какой - то степени превращения для каждой из исследуемых температур перенести на график температура - время, и одноименные точки соединить плавными кривыми. На диаграмме кривая 1 соответствует началу превращения, а кривая 2 характеризует конец превращения . 8.Построение термокинетической диаграммы. Термокинетические диаграммы используются для разработки технологии термической обработки. По этим диаграммам можно получить данные о температурных интервалах протекания фазовых превращений при непрерывном охлаждении и об образующихся при этом структурных составляющих. Существует два способа построения таких диаграмм. 1 способ.

При непрерывном охлаждении образцов фиксируем их температуру осциллографом. Можно измерять какую-либо характеристику образца в процессе его охлаждения например, его длину при дилатометрическом методе и по отклонению этой характеристики от плавного изменения определить начало превращения . 2 способ. Охлаждаем серии образцов по одинаковому режиму, которые в разные моменты времени закаливаем в воде, а затем исследуем их структуру или свойства, определяя по ним начало и конец превращения или степень оного, при одном режиме непрерывного охлаждения. Если исследуем фазовые превращения при распаде переохлажденного аустенита, то термокинетическую диаграмму строим в координатах температура - время на основе анализа серии кривых охлаждения, на которых отмечаем температуры начала и конца перлитного и промежуточного превращений и соответственно области этих превращений. Из этих диаграмм можно увидеть, что при малых скоростях охлаждения в углеродистых сталях протекает только перлитный распад аустенита с образованием феррито-цементитной структуры с различной степенью дисперсности - перлит, сорбит, троостит. При высоких скоростях охлаждения - выше Vк - перлитный распад аустенита подавляется и аустенит претерпевает только мартенситное превращение. В легированных сталях существует и область промежуточного превращения, в которой аустенит претерпевает распад с образованием бейнита . 9.Отжиг II рода. Отжиг второго рода - это термообработка, которая заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас3 или Ас1 ,выдержке и последующем охлаждении.

В результате мы получаем почти равновесное структурное состояние стали в доэвтектоидных сталях - феррит перлит, в эвтектоидных - перлит и в заэвтектоидных - перлит вторичный цементит. После отжига получаем мелкое зерно, частично или полностью устраненные строчечность, видманштеттову структуру и другие неблагоприятные структуры. Сталь получается снизкой прочностью и твердостью при достаточном уровне пластичности.

В промышленности отжиг II рода часто используется в качестве подготовительной и окончательной обработки.

Разновидности отжига II рода различаются способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита, а так же положением температур нагрева относительно критических точек . 9.1 Полный отжиг.

Основные цели полного отжига - устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке лить, горячей деформации или сварке, смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений, для придания стали определенных характеристик.

Вцелом отжиг II рода проводят для приближения системя к равновесию. Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур на 30-50 С выше температуры Ас3 чрезмерное повышение температуры выше этой точки приведет к росту зерна аустенита, что вызовет ухудшение свойств стали, выдержке для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Для заэвтектоидных сталей такой отжиг с нагревом выше Аcm не пойдет потому что при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства. Для доэвтектоидных сталей время нагрева и продолжительность обработки зависят типа печи, способа укладки, типа отжигаемого материала лист, прокат , Наиболее распространенная скорость нагрева составляет 100 C ч, а продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа на тонну изделия. Медленное охлаждение обусловленно необходимостью избежать образования слишком дисперсной ферритно-цементитной структуры и следовательно более высокой твердости.

Скоростьохлаждения зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Ее регулируют проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом.

При полном отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали.

При нагреве выше точки Ас3 образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокую вязкость, пластичность и получение высоких свойств после окончательной обработки.

Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Существует отжиг противоположный по целям обычному отжигу. Это отжиг на крупное зерно с нагревом до 950-1100 С , который применяют для улучшения обработки резанием мягких низкоуглеродистых сталей . 9.2 Неплный отжиг. Неполный отжиг доэвтектоидной стали проводят при нагреве до температур выше Ас1 , но ниже Ас3 . При таких температурах происходит частичная перекристаллизация стали, а именно лишь переход перлита в аустенит . избыточный феррит частично превращается в аустенит и значительная часть его не подвергается перерекристаллизации. Поэтому неполный отжиг не устраняет пороки стали связанные с нежелательными размерами и формой избыточного феррита. Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется лишь тогда, когда отсутствует перегрев, ферритная полосчатость, и требуется только снижение твердости и смягчения перед обработкой резанием . 9.3 Сфероидизирующий отжиг. Сфероидизирующий отжиг с нагревом несколько выше температуры Ас1 и несколько ниже точки Аr1 740 -780 C и последующем медленном охлаждением применяют к заэвтектоидным сталям, что позволяет получить зернистую форму перлита вместо пластинчатой. Для режима сфероидизирующего отжига заэвтектоидных сталей характерен узкий температурный интервал отжигаемости. Верхняя граница не должна быть выше слишком высокой, т.к. иначе при растворении центров карбидного выделения при охлаждении образуется пластинчатый перлит . а для сталей близких к эвтектоидному составу этот интервал особенно узок т.к. точки Асm и А1 сходятся при эвтектоидной концентрации. Выдержка при постоянной температуре необходима для окончательного распада переохлажденного аустенита и коагуляции карбидов и составляет 4-6 часов в зависимости от массы отжигаемого металла. Скорость охлаждения очень сильно влияет на конечную структуру . чем меньше скорость, тем до больших размеров вырастают глобули карбида при распаде аустенита.

Регулируя скорость охлаждения, можно получать структуры глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого. Более мелкозернистый перлит обладает повышенной твердостью. На твердость будет оказывать влияние и повышение температуры отжига до 800-820 С .Твердость будет снижаться из-за развития сфероидизации, а при дальнейшем повышении температуры отжига твердость растет из-за появления все в большем количестве пластинчатого перлита. Вчем состоит механизм сфероидизации В результате деления цементитных пластин получаются мелкие частички цементита. Если избыточный цементит находится в виде сетки, что является дефектом, то перед отжигом предварительно проводят нормализацию для растворения сетки цементита в с последующем охлаждении на воздухе. При делении цементитные пластины растворяются в наиболее тонких участках, а также в местах выхода на межфазную поверхность ЦА субграниц в цементите или аустените. Деление можно ускорить применив холодную пластическую или теплую деформацию при температурах ниже А1 . После деления пластин мелкие их частицы сфероидизируются, путем переноса углерода через окружающий твердый раствор. Сфероидизирующему отжигу подвергают углеродистые, легированные инструментальные и шарикоподшипниковые стали. Кроме того, структкра зернистого перлита является наилучшей перед закалкой - меньше склонность к росту аустенитного зерна, шире допустимый интервал закалочных температур , Если при при однократном отжиге не происходит полной сфероидизации цементита, то можно применить циклический отжиг. Например, углеродистую сталь несколько раз попеременно нагревают до 740 С и охлаждают до 680 С . Пластина цементита при каждом нагреве частично растворяется в аустените. При каждом охлаждении из аустенита выделяется цементит на нерастворившихся остатках цементитных пластин. Попеременно растворяясь и подрастая, цементитная пластина постепенно округляется. Сложности возникают с контролированием колебаний температуры в больших массах материала в заданном интервале . 9.4 Изотермический отжиг. Изотермический отжиг - термообработка, при которой после нагрева до температуры выше А3 на 50 - 70 С сталь ускоренно охлаждают до температуры изотермической выдержки, которая находится ниже точки А1 на 100-150 С . Затем проводим ускоренное охлаждение на воздухе. Чем ближе температура изотермической выдержки к точке А1 , тем больше межпластинчатое расстояние в перлите и мягче сталь, но больше и время превращения. А т.к. основная цель изотермического отжига - смягчение стали, то выбирают такую температуру, при которой получается требуемое смягчение за небольшой промежуток времени. Преимуществ изотермического отжига - сокращение времени обработки по сравнению с обычным отжигом, что особенно чувствуется при работе с легированными сталями. Для наибольшего ускорения отжига температуру изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области. Другое преимущество - получение более однородной структуры, т.к. при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения. После отжига при температуре до 930-950 С укркпняеися зерно аустенита, улучшается обрабатываемость резанием и повышается чистота поверхности Изотермическому отжигу подвергаются штамповки, заготовки инструментов и других изделий небольших размеров . 10. Нормализация. Нормализация заключается в нагреве до температур на 30-50 К выше линии GSE ,непродолжительной выдержке для прогрева и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе.

Скорость охлаждения зависит от массы изделия и отношения его поверхности к объему.

Нормализацию чаще всего применяют как промежуточную операцию для устранения пороков строения и общего улучшения структуры перед закалкой, а также для смягчения стали перед обработкой резанием. Тоесть цели ее близки к целям отжига.

Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. Кроме того, частично подавляется выделение избыточной фазы феррита или вторичного цементита и, следовательно, образуется квазиэвтектоид.

Таким образом, прочность стали после нормализации должна быть больше, чем прочность после отжига, т.к. по сравнению с печью ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или точнее квазиэвтектоида типа сорбита или троостита.

Но не всегда нормализация предподчтительнее отжига. Все зависит от состава стали т.к. склонность аустенита к переохлаждению растет с увеличением содержания в нем углерода и легирующих элементов.

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

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

Очень часто нормализация служит для общего измельчения структуры перед закалкой.

Выделения избыточного феррита и эвтектоид становятся более дисперсными и тем самым облегчается образование гомогенного аустенита при нагреве под закалку. Как окончательную термообработку нормализацию применяют к низкоуглеродистым низколегированным, средне- и высокоуглеродистым доэвтектоидным сталям . 11. Одинарная темообработка.