Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка

Опишите линейные несовершенства кристаллического строения. Как они влияют на свойства металлов и сплавов В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения. Ли­нейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Эти несовершенства называются дислокациями.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обры­вается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рисунок 1)Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка Рисунок 1 – Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б) Неполная плоскость называется экстраплоскостью. Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верх­ней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу. Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют ме­сто вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстра­плоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рисунок 2). Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная (┴), если в нижней, то – отрицательная (┬). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягива­ются.Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка Рисунок 2 – Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рисунок 3) На поверхности кристалла образу­ется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида во­круг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовер­шенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов. Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворо­том по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против ча­совой стрелки – левая.Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка Рисунок 3 – Механизм образования винтовой дислокации Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дис­локации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не сте­кают. В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла. Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дис­локаций, либо выходить на поверхность кристалла. Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций. Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м3:Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций со­ставляет 10 5…10 7 м-2, в кристаллах с сильно деформированной кристалличе­ской решеткой плотность дислокаций достигает 1015…10 16 м –2. Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рисунок 4).Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка Рисунок 4 – Влияние плотности дислокаций на прочностьБейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформирова­нию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повыше­ние прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм – «усы» с прочностью, близкой к теоретической: для железа σВ = 13000 МПа, для меди σВ =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 1015…10 16 м –2. В противном случае образуются тре­щины. Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрас­тает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросо­противление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специаль­ными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки. Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, обра­зуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически вы­годно «захлопывание» их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

В чем различие между упругой и пластической деформацией, между хрупким и вязким разрушением

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под дейст­вием напряжений. Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической. Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений. При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на преж­ние места, и деформация исчезает. Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется ли­нией ОА (рисунок 5).Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка Рисунок 5 – Диаграмма зависимости деформации металла ε от действующих напряжений σ Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомных связей, то наблюдается хрупкое разрушение путем отрыва (рисунок 6)Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка Рисунок 6 – Схема упругой деформации и хрупкого разрушения под дейст­вием упругих напряжений а – ненапряженная решетка металла; б – упругая деформация; в, г – хрупкое разрушение в результате отрыва Зависимость между упругой деформацией ε и напряжением σ выража­ется законом ГукаБейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка где Е – модуль упругости. Модуль упругости является важнейшей характеристикой упругих свойств металла. По физической природе величина модуля упругости рас­сматривается как мера прочности связей между атомами в твердом теле. Эта механическая характеристика структурно нечувствительна, т. е. термическая обработка или другие способы изменения структуры не изме­няют модуля упругости, а повышение температуры, изменяющее межатом­ные расстояния, снижает модуль упругости. Пластической или остаточной называется деформация после прекра­щения действия вызвавших ее напряжений. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемеща­ется по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация (рисунок 7) В результате развития пластической деформации может произойти вяз­кое разрушение путем сдвига.Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка Рисунок 7 – Схема пластической деформации и вязкого разрушения под дей­ствием касательных напряжений а – ненапряженная решетка; б – упругая де­формация; в – упругая и пластическая деформация; г – пластическая дефор­мация; д, е – пластичное (вязкое) разрушение в результате среза Процесс деформации при достижении высоких напряжений заверша­ется разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вслед­ствие развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение тре­щины, ее распространение через сечение, окончательное разрушение. Различают хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопрово­ждается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напря­жений, достаточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и даль­нейший рост осуществляется произвольно. Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся тре­щина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Ско­рость распространения хрупкой трещины велика – близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разру­шения мала, а работа распространения трещины близка к нулю. Различают транскристаллитное разрушение – трещина распространя­ется по телу зерна, интеркристаллитное – по границам зерен (всегда хруп­кое). Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый кри­сталлический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина распростра­няется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость излома перпен­дикулярна нормальным напряжениям. Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряже­ний. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация. Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распростране­ние трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, ма­товая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом. По излому можно определить характер разрушения.

Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус). При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидко­го раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза­ции сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчи­вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст­вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE. При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при темпера­турах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристал­лизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита. Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит+ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит. Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита. Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита. Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом. В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67]. Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом. Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом. Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен. В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит). Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного. а) б) Рисунок 8: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,5% углерода Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением: C = K + 1 – Ф, где С – число степеней свободы системы; К – число компонентов, образующих систему; 1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях); Ф – число фаз, находящихся в равновесии. Сплав железа с углеродом, содержащий 0,5 %С, называется доэвтектической сталью. Его структура при комнатной температуре – Феррит + Перлит.

Читайте также:  Храповый механизм: конструкция, принцип работы, применение

Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 50HRC. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращения и какая структура получа­ется в данном случае.

Рисунок 9 – Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8 Изотермической обработкой, необходимой для получения твердости 50 HRC, является изотермическая закалка. При изотермической закалке сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас1 (Ас1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 250-350°С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточной для полного превращения аустенита в нижний бейнит, имеющий твердость 50HRC. Нижний бейнит представляет собой структуру, состоящая из α-твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом, и частиц карбидов. В качестве охлаждающей среды при изотермической закалке применяют расплавленные соли или расплавленные щелочи.

С помощью диаграммы состояния железо-цементит опишите структурные превращения, происходящие при нагреве стали У12. Ука­жите критические точки и выберите оптимальный режим нагрева этой стали под закалку. Охарактеризуйте процесс закалки, опишите полу­чаемую структуру и свойства стали.

Диаграмма состояния железо-цементит представлена на рисунке 8. При комнатной температуре сталь У12 имеет структуру цементита и перлита. До температуры Аc1 сохраняется исходная структура. При температуре Аc1 происходит превращение перлита в аустенит с содержанием углерода 0,8%. При нагреве выше точки Ас1 происходит растворение цементита в аустените (в соответствии с линией SE). Увеличение температуры выше точки Асm вызывает рост зерна аустенита. Критические точки для стали У12: Аc1 = 730°С; Аcm = 820°С.

Для закалки заэвтектоидные стали нагревают на 50-70°С выше точки Ас1. Таким образом, температура нагрева под закалку составляет 780-800°С. При этих температурах в стали наряду с аустенитом имеется цементит.

Поэтому после закалки в структуре заэвтектоидных сталей будет мартенсит с цементитом и небольшое количество остаточного аустенита. Охлаждающая среда при закалке – индустриальное масло. Твердость поверхности после закалки 62-64 HRC.

Для снятия напряжений и стабилизации структуры после закалки изделия подвергают низкому отпуску.

Источник: https://prepodvshoke.com/blog/matved/626.html

Механические свойства стали с бейнитной структурой

Главная / Теория термической обработки металлов / Закалка / Закалка с полиморфным превращением / Механические свойства стали с бейнитной структурой

29 августа 2011

  • Бейнит прочнее перлита, причем его прочностные свойства растут с понижением температуры изотермического превращения.
  • Зависимость механических свойств эвтектоидной стали
  • Зависимость механических свойств эвтектоидной стали от температуры превращения аустенита (Гензамер, Пирсел Пеллини, Лоу).
  • Повышенная прочность бейнита обусловлена малым размером ферритных кристаллов, дисперсными выделениями карбида, повышенной плотностью дислокаций, закрепленных атомами углерода, и искажением решетки феррита из-за пересыщенности его углеродом и легирующими элементами.

Предел текучести бейнита связан с размером ферритных кристаллов соотношением Холла — Петча (формула), так как границы α-кристаллов служат эффективными барьерами для дислокаций.

С понижением температуры изотермического превращения в бейнитном интервале из-за более медленного отвода в аустенит атомов углерода от границы α/γ кристаллы феррита получаются мельче, и это является одной из главных причин повышения прочностных свойств бейнита.

Частицы карбидов, находящиеся внутри α-фазы, тормозят движение дислокаций тем эффективнее, чем больше их в единице объема и чем они равномернее распределены.

В верхнем бейните карбидные частицы расположены главным образом по границам ферритных кристаллов и поэтому не вносят существенного вклада в упрочнение.

С понижением температуры превращения дисперсность карбидов возрастает и они располагаются в основном внутри феррита, повышая прочность бейнита.

Феррит в бейните обладает большей плотностью дислокаций, чем избыточный феррит в доэвтектоидной стали.

Возможно, что это — результат мартенситной γ → α-перестройки. Дислокации в бейнитном феррите закреплены коттрелловскими атмосферами из атомов углерода и вносят значительный вклад в упрочнение. Твердорастворный механизм упрочнения, особенно элементами, растворенными по способу замещения, по-видимому, несколько повышает упрочнение бейнита.

На рисунке показано, что пластичность при переходе из перлитной области в бейнитную падает, а затем с понижением температуры вновь возрастает.

Снижение пластичности связано с тем, что строение верхнего бейнита — сравнительно грубое. Частицы карбида, расположенные по границам ферритных кристаллов, понижают пластичность бейнита.

В нижнем же бейните частицы карбидов находятся внутри α-фазы, и поэтому пластичность у него более высокая.

Сталь со структурой нижнего бейнита отличается сочетанием высокой прочности и вязкости.

На получении бейнитной структуры основана бейнитная закалка (смотрите Нагрев и охлаждение при закалке сталей). Кроме того, в так называемых бейнитных сталях бейнитная структура формируется при охлаждении на воздухе с температуры горячей прокатки или при простой термообработке с нагреванием до аустенитного состояния и охлаждением на воздухе.

В таких сталях С-кривая бейнитного превращения должна быть сильно сдвинута к оси ординат, а выделение избыточного феррита, наоборот, должно быть медленным, чтобы он не выделился при непрерывном охлаждении до начала бейнитного превращения. Этим требованиям удовлетворяет, например, малоуглеродистая сталь, легированная 0,5% Мо и бором.

«Теория термической обработки металлов»,И.И.Новиков

Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости.

С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин.

Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных…

Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650 — 400 °С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения. Закалка через воду в масло Закалка через воду в масло (закалка в двух средах): 1 — нормальный режим;…

Закалка с обработкой холодом Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка

Во многих сталях мартенситный интервал (Мн — Мк) простирается до отрицательных температур (смотрите рисунок Зависимость температур).

В этом случае в закаленной стали содержится остаточный аустенит, который можно дополнительно превратить в мартенсит, охлаждая изделие до температур ниже комнатной.

По существу такая обработка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной…

Поверхностный нагрев под закалку Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка

Многие изделия должны иметь высокую поверхностную твердость, высокую прочность поверхностного слоя и вязкую сердцевину. Такое сочетание свойств на поверхности и внутри изделия достигается поверхностной закалкой.

Для поверхностной закалки стального изделия необходимо нагреть выше точки Аc3 только поверхностный слой заданной толщины.

Этот нагрев должен совершаться быстро и интенсивно, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогрелась до…

Нагрев и охлаждение при закалке сталей Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка

Сквозной нагрев под закалку Превращения в стали при нагревании описаны в Образовании аустенита при нагревании. Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния.

Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А3 на 30 — 50 °С. Наследственно мелкозернистая сталь допускает более высокий нагрев.

При перегреве наследственно крупнозернистой стали закалка дает структуру крупноигольчатого…

Источник: https://www.ktovdome.ru/teoriya_termicheskoy_obrabotki_materialov/363/85/11028.html

Превращения в стали при охлаждении

Если сталь с содержанием углерода менее 0,8 % нагреть до аустенитного состояния и затем медленно охладить, то первой фазой, которая выделится, будет феррит. Это превращение происходит в результате смены атомной решетки с гранецентрированной у аустенита к объемноцентрированной у феррита.

Поскольку феррит способен растворять только очень малое количество углерода, то концентрация углерода в остающемся аустените в ходе охлаждения будет увеличиваться до тех пор, пока при эвтектоидной температуре около 720 ºС весь оставшийся аустенит не превратится в перлит. Вид феррита, выделившегося по границам аустенитных зерен при охлаждении листа из стали 45, показан на рисунке 1.

Эта сталь была нормализована путем нагрева до температуры 1095 ºС и охлаждения на воздухе.

Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалкаРисунок 1 – Лист толщиной 3 мм из стали 45. Нормализация: нагрев до температуры 1095 ºС и охлаждение на воздухе. Структура состоит из перлита (серый) с сеткой феррита по границам зерен, а также нескольких пластин феррита.

Превращения в заэвтектоидной стали

Медленное охлаждение заэвтектоидной стали с содержанием углерода более 0,8 % аналогично охлаждению низкоуглеродистой стали, за исключением того, что первой фазой, которая  выделяется из аустенита является не феррит, а цементит.

Цементит обычно формируется на границах аустенитных зерен и образует сетчатую структуру, которую можно видеть в стали при комнатной температуре после того как превращение закончится.

На рисунке 2 виден цементит по границам аустенитных зерен в прутке конструкционной стали с содержанием углерода 1,0 % после горячей прокатки при температуре от 1175 до 925 ºС и охлаждения на воздухе. При в точности эвтектоидном составе аустенит превращается в перлит без образования как первичного феррита, так и первичного цементита.

Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалкаРисунок 2 – Микроструктура стального прутка толщиной 125 мм из стали ШХ15, горячекатаного при температуре от 1175 до 925 ºС и охлажденного на воздухе. Цементит располагается по границам первичных аустенитных зерен. Внутренняя часть зерен – перлит.

Феррито-перлитная структура стали 45

Поскольку для формирования как феррита, так и цементита требуется диффузия углерода, то с увеличением скорости охлаждения толщина пластин феррита и цементита в перлите. Перлит в ферритной матрице стали 45 показан на рисунке 3. В общем случае при более высокой скорости охлаждения образуются более тонкие пластины, что, в свою очередь, повышает твердость и прочность стали.

Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалкаРисунок 3 – Лист из стали 45 толщиной 3 мм, нормализованный путем нагрева до температуры 1050 ºС и охлаждения на воздухе. Структура состоит из перлита (темно-серый) и феррита (светлый).

Бейнитное превращение в стали

При более высокой скорости охлаждения, чем та, что достигается при охлаждении на воздухе есть возможность избежать превращения аустенита в феррит и перлит во многих углеродистых и низколегированных сталях.

Читайте также:  Шлифовальные станки по металлу: устройство, назначение, применение

Превращение аустенита при температуре ниже 540 ºС, но выше примерно 200 ºС дает структуру, которая состоит их феррита и цементита, однако эти фазы не упорядочены в пластины.

Вместо этого феррит и перлит имеют перистую или игольчатую, и ни один компонент микроструктуры нельзя рассмотреть в оптический микроскоп. Эта структура известна как бейнит.

Верхний и нижний бейнит

Когда превращение происходит где-то в интервале от 370 до 540 ºС, бейнитная структура  имеет перистый вид и называется верхним бейнитом. Когда превращение происходит при температурах в интервале примерно от 200 до 370 ºС, бейнит имеет более игольчатую структуру и называется нижним бейнитом.

Твердость бейнита зависит от его структуры, но обычно находится в интервале от 45 до 60 HRC. Вид бейнита в стали 45, которую приводили в аустенитное состояние нагревом при 1205 ºС в течение 10 минут и затем выдерживали в течение 10 минут при температуре 340 ºС для частичного изотермического превращения показана на рисунке 4.

После частичного изотермического превращения сталь охлаждали на воздухе до комнатной температуры.

Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалкаРисунок 4 – Сталь 45 после нагрева до температуры 1205 ºС в течение 10 минут, охлаждения при температуре 340 ºС в течение 10 минут для частичного изотермического превращения и дальнейшего охлаждения на воздухе. Нижний бейнит (темный) в окружении мартенсита (белый).

Мартенситное превращение в стали

Превращения аустенита при более низких температурах, ниже 200 ºС приводит к образованию фазы железа с объемноцентрированной тетрагональной структурой, которую называют мартенситом. Обычно мартенсит присутствует в полностью упрочненных сталях.

Микроструктурно мартенсит имеет игольчатый вид как показано на рисунке 5. Эта сталь была подвергнута нагреву до 850 ºС для получения твердого раствора углерода в аустените, закалке в воде и отпуску при температуре 230 ºС в течение 1 часа.

Резкое охлаждение аустенита  подавляет формирование феррита, перлита и бейнита и обеспечивает полностью мартенситную структуру. Мартенсит занимает больший объем, чем аустенит. Поэтому образование мартенсита приводит к изменениям размеров, что может вызвать коробление изделия.

В крайних случаях коробление может привести к растрескиванию изделий в ходе их закалки.

Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалкаРисунок 5 – Сталь 35 аустенитизированная в течение 1 часа в течение 850 ºС и закаленная в воде. Отпуск при температуре 230 ºС в течение 1 часа. Структура отпущенного мартенсита.

Остаточный аустенит в мартенситной структуре

В некоторых случаях при резком охлаждении в ходе закалки стали не весь аустенит превращается в мартенсит. Когда это происходит, структура стали состоит из аустенита и игл мартенсита.

Остаточный (непревращенный) аустенит является мягким и поэтому снижает твердость закаленной на мартенсит стали. Этот остаточный аустенит может позднее превратиться в мартенсит — при механической обработке или даже уже при эксплуатации.

Расширение материала, которое происходит при мартенситном превращении, создает внутренние напряжения, которые могут привести к короблению изделия и потере допусков механически обработанного изделия.

Этот неотпущенный мартенсит является хрупким и может приводить к образованию трещин в эксплуатации изделия. По этой причине присутствие остаточного аустенита в закаленном на мартенсит изделии обычно нежелательно.

Источник: http://steel-guide.ru/metallografiya-stali/prevrashheniya-v-stali-pri-oxlazhdenii.html

Технология изотермической закалки на бейнит

Бейнит — структура стали, образующаяся в результате так называемого промежуточного превращения, при изотермической выдержке в интервале температур выше начала мартенситного превращения и ниже «носа» с-кривой стали.

Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка

Промежуточным это превращение называют по тому, что оно происходит при некоторой диффузии углерода в аустените (механизм перлитного превращения) и сдвиговом механизме перестройки кристаллической решётки (механизм мартенситного превращения).

Соответственно структура содержит перлито- и мартенситоподобные составляющие — трооститные иголки и карбиды. В зависимости от температуры превращения различают верхний бейнит, имеющий не очень высокий комплекс механических свойств, и нижний бейнит с достаточно высокой твердостью, вязкостью и пластичностью.

Именно нижний бейнит и представляет особый интерес. При высокой твердости, близкой к мартенситной, он имеет показатели пластичности и вязкости в несколько раз превышающие показатели мартенсита.

Так, например, сталь с химическим составом: 0,6%С, ~1%Cr, ~1%Si, термообработанная на мартенсит отпуска и нижний бейнит (температура изотермической выдержки 250ºС), имеет следующие механические свойства:

  • Структура                                                     Нижний бейнит         Мартенсит отпуска
  • HRC                                                                   54 — 55                          54 — 55
  • Предел прочности, МПа                                 1900                             1500
  • Ударная вязкость,  кГм/см^2                             3                                   1
  • Удлинение, %                                                       7                                   1
  • Стрела прогиба при
  • статическом изгибе, мм                                    5                                 1.5

Сочетание таких высоких показателей механических свойств просто уникально, но почему-то широкого применения изотермическая закалка на бейнит не нашла. В основном бейнитную структуру получают при изготовлении ударного инструмента и изделий железнодорожного транспорта.

Остается непонятным вопрос: почему изотермическая закалка не применяется при изготовлении изделий, которые, например, работают на трение и изгиб — шестерни, сателлиты, звездочки? Традиционные цементация, закалка и низкий отпуск безусловно дают высокую твердость и износостойкость.

Но при этом характеристики пластичности остаются на минимуме. Что же мешает увеличить ресурс работы таких изделий, повысив пластичность? Например, если поверхностный слой будет иметь сверху мартенситную износостойкую структуру, а ниже более пластичную — бейнитную.

И это все при равных показателях твердости обоих слоев.

Вообще закалка на бейнит могла бы легко заменить термообработку на мартенсит отпуска. Показатели твердости обеих структур примерно одинаковы. А прочность, пластичность и вязкость нижнего бейнита выше, чем у низкоотпущенного мартенсита.

Это наводит на мысль, что и предел выносливости металла будет выше.

Кроме этого, повышая температуру изотермической выдержки будут снижаться прочностные характеристики металла, что позволяет существенно расширить область применения сталей с бейнитной структурой.

Скорее всего, внедрение технологии изотермической закалки тормозят три проблемы: увеличение количества высокоточного оборудования, увеличение длительности и трудоёмкости технологических процессов (две основных проблемы, т.к. всё выльется в деньги на увеличение капитальных и текущих затрат) и использование вредных закаливающих сред.

Последняя проблема решается при использовании вертикальных печей элеваторного закрытого типа с хорошей вентиляцией закалочного бака. Да и увеличение себестоимости продукции скорее всего окупиться за счет повышения качества и увеличенного ресурса работы изделия.

Есть еще одна проблема — контроль качества термообработанных изделий. Дело в том, что нижний бейнит под микроскопом трудно отличить от мартенсита. Да и испытания на механику дают не всегда адекватные результаты.

Это и является проявлением тонкой грани между изотермической и непрерывной закалкой. Особенно такая проблема актуальна для крупносерийных производств, где требуется оперативный контроль качества для максимально быстрой передачи продукции на следующий передел.

Но и это не является серьезной проблемой, так как все решается по средствам использования современной металлографической и испытательной техники.

Вопрос о получении той или иной структуры металла при термической обработке, необходимо решать в каждом конкретном случае, для каждой детали индивидуально. Но, то, что стали с бейнитной структурой имеют достаточно серьезные показатели механических свойств и успешно могут конкурировать с сорбитными и низкоотпущенными мартенситными сталями, остается неоспоримым фактом.

Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка

Источник: https://HeatTreatment.ru/tekhnologiya-izotermicheskoj-zakalki-na-bejnit.html

Закалка

Бейнит в материаловедении: структура, твердость, закалка

Это вид термической обработки, при которой доэвтектоидные стали нагреваются на 30…50 0С выше точек Ас3, а заэвтектоидные выше Ас1, выдерживаются при этой температуре и охлаждаются со скоростями выше критических (рисунок 42, б).

В результате образуется структура мартенсита, имеющая высокую твердость и прочность. Закалка является промежуточной термообработкой, так как при высоких скоростях охлаждения в металле возникают большие внутренние остаточные напряжения, повышается хрупкость. Для снятия остаточных напряжений и получения требуемых эксплуатационных свойств после закалки обязательно проводится отпуск.

Охлаждающие среды для закалки. Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

Наиболее желательна высокая скорость охлаждения (выше критической) в интервале температур А1 — Мн для подавления распада переохлажденного аустенита и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения Мн — Мк.

Обычно для закалки используют кипящие жидкости — воду, водные растворы щелочей и солей масла. При закалке в этих средах различают три периода:

  1. пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется ”паровая рубашка”; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;
  2. пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод тепла;
  3. конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости; теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.

В таблице 4 приведены примерные температурные интервалы пузырькового кипения и относительная интенсивность охлаждения в середине этого интервала для различных охлаждающих сред.

При закалке углеродистой и некоторых низколегированных сталей, имеющих малую устойчивость переохлажденного аустенита, в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы NaCl или NaOH.

Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки.

Высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры воды резко ухудшается ее закалочная способность.

Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8…12 % водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике. Для охлаждения крупногабаритных деталей, поковок, рельсов и т. д. применяют смесь воды и воздуха, которые из форсунок подаются к охлаждаемой поверхности.

По закаливающей способности такое охлаждение близко к охлаждению в масле, но в ряде случаев удобнее, например, для закалки изделий из легированных сталей при индукционном нагреве, когда охлаждение погружением в ванну в большинстве случаев невозможно. Регулировать охлаждающую способность смеси можно путем контролируемого изменения содержания воды, скорости истечения воды и воздуха, угла и расстояния от сопла до поверхности изделия.

Читайте также:  Цековка: гост, чертежи, конструкция, принцип работы

Таблица 4 — Относительная интенсивность охлаждения закалочных сред

Охлаждающая среда Температура, 0С охлаждающей Относительная интенсивность охлаждения в интервале температур пузырькового кипения
Вода

  • Дистиллированная вода
  • 10%-ный раствор NaCl в воде
  • Раствор NaOH в воде:
  • 10%-ный
  • 50%-ный
  • 50%-ный
  • Масло минеральное
20

  1. 40
  2. 80
  3. 20
  4. 20
  5. 20
  6. 20
  7. 96
  8. 20 — 200
400 — 100

  • 350 — 100
  • 250 — 100
  • 350 — 100
  • 650 — 100
  • 650 — 100
  • 650 — 100
  • 650 — 100
  • 500 — 250
1,0

  1. 0,7
  2. 0,2
  3. 0,5
  4. 3,0
  5. 2,0
  6. 2,0
  7. 1,0
  8. 0,3

Охлаждение погружением в масло является основным при закалке изделий из легированных сталей.

Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, и постоянство закаливающей способности.

К недостаткам относятся повышенная воспламеняемость (температура вспышки 165…300 0С), низкая охлаждающая способность в области температур перлитного превращения, а также повышенная стоимость. Масла с пониженной вязкостью обладают более высокой охлаждающей способностью.

Долговечность индустриальных масел (марки И-12А, И-20А) при работе без защитной атмосферы составляет 400…1000 ч, в зависимости от массы закаленных изделий. В качестве охлаждающих сред применяются также машинное масло, трансформаторное, авиационное МС-20 и др.

В настоящее время в качестве охлаждающих сред применяют водные растворы полимеров и низкомолекулярных органических соединений. Они изменяют температуры кипения и испарения воды, ее вязкость, тем самым позволяют изменять охлаждающую способность воды в широком диапазоне скоростей.

Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки.

Закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в ней углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем больше степень тетрагональности кристаллической решетки, тем выше твердость. Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,2 % практически не закаливаются.

Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны.

За глубину закаленной зоны принято считать расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, тем больше прокаливаемость. Легирующие элементы (кроме кобальта) увеличивают прокаливаемость.

Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр — максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия. В этом случае и на поверхности изделия, и в его центре скорость охлаждения больше критической.

Зная критический диаметр, можно правильно выбрать сталь для деталей определенных размеров и назначения. Прокаливаемость каждой стали определяется экспериментально.

Прокаливаемость углеродистых сталей зависит от содержания углерода (для стали с 0,8 % С это примерно 5…6 мм), размера изделия (с увеличением сечения толщина закаленной зоны уменьшается), скорости охлаждения (вид закалочной среды).

Способы закалки. В зависимости от формы изделия, марки стали и нужного комплекса свойств применяют различные способы объемной и поверхностной закалки.

Основными способами объемной закалки являются: закалка в одном охладителе, прерывистая закалка или закалка в двух средах, ступенчатая закалка, изотермическая закалка, с самоотпуском.

Поверхностная закалка >
Дальше >

Источник: https://dprm.ru/materialovedenie/zakalka

Шпоры по материаловедению (стр. 2 из 2)

Для изготовления труб большого диаметра применяют сталь 17ГС (s0.2=360МПа, sв=520МПа).

Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0.15-0.25% С) стали. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для изготовления небольших изделий простой формы, цементируемых на глубину 1.0-1.5мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое.

ВОПРОС 17. Виды и краткая хар-ка ТО сталей.

Отжиг сталей. Существует несколько разновидностей отжига, из них для кон­струкционных сталей наибольшее при­менение находит перекристаллиза­ционный отжиг, а для инструмен­тальных сталей — сфероидизирующий отжиг.

Характерный структурный дефект стальных отливок — крупнозернистость.

При ускоренном охлаждении крупно­зернистого аустенита создаются усло­вия для образования видманштеттовой структуры. При ее образовании выполняется принцип размерного и струк­турного соответствия, в результате чего кристаллы доэвтектоидного феррита ориентированно прорастают относи­тельно кристаллической решетки аустенита и имеют форму пластин.

Нормализация сталей. Нормализации, так же как и перекристаллизационному отжигу, чаще всего подвергают кон­струкционные стали после горячей

обработки давлением и фасонного литья. Нормализация отличается от от­жига в основном условиями охлажде­ния; после нагрева до температуры на 50-70 °С выше температуры Ас
3 сталь охлаждают на спокойном воздухе.

Нормализация — более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как меньше времени затрачивается на охлаждение стали. Кроме того, норма­лизация, обеспечивая полную перекри­сталлизацию структуры, приводит к по­лучению более высокой прочности ста­ли, так как при ускорении охлаждения распад аустенита происходит при более низких температурах.

После нормализации углеродистых и низколегированных сталей, так же как и после отжига, образуется ферритно-перлитная структура, однако имеются и существенные структурные отличия.

При ускоренном охлаждении, характерном для нормализации, доэвтектоидный феррит при прохождении температурно­го интервала А
r
3 – А
r
1 выделяется на границах зерен аустенита; поэтому кри­сталлы феррита образуют сплошные или разорванные оболочки вокруг зерен аустенита — ферритную сетку.

Закалка сталей. В большинстве слу­чаев при закалке желательно получить структуру наивысшей твердости, т. е. мартенсит, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали. При равной твердости структуры, полу­ченные

В зависимости от температуры нагре­ва закалку называют полной и непол­ной. При полной закалке сталь перево­дят в однофазное аустенитное состоя­ние, т. е. нагревают выше критических температур.

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура Ас3
+ (30— 50 С). Такая температура обеспечивает получе­ние при нагреве мелкозернистого аусте­нита и, соответственно, после охлаж­дения — мелкокристаллического мартен­сита.

Недогрев до температуры Ас3, приводит к сохранению в структуре кристаллов доэвтектоидного феррита, что при некотором уменьшении прочно­сти обеспечивает повышенную пластич­ность закаленной стали. /
Заэвтектоидные стали подвергают не­полной закалке.

Оптимальная темпера­тура нагрева углеродистых и низколеги­рованных сталей- температура Ас1 + (30-50°С).

После закалки заэвтсктоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита

Отпуск закаленных сталей. Нагрев за­каленных сталей до температур, не пре­вышающих А1, называют отпуском.

В результате закалки чаще всего по­лучают структуру мартенсита с неко­торым количеством остаточного аусте­нита, иногда-структуру сорбита, тростита или бейнита. Рассмотрим измене­ния структуры мартенситно-аустенитной стали при отпуске.

При отпуске происходит несколько процессов

. Основной — распад мартенсита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов. Кроме того, распадается остаточный аустенит, совершаются карбидное превра­щение и коагуляция карбидов, уменьшаются несовершенства кристалли­ческого строения -твердого раствора и остаточные напряжения.

Фазовые превращения при отпуске принято разделять на три пре­вращения в зависимости от изменения удельного объема стали. Распад мартенсита и карбидное превращение вызывают уменьшение объема, а распад аустенита — его увеличение.

ВОПРОС 18. Химико-термическая обработка сталей.

Это обработка, связанная с нагревом и одновременно насыщением пов-ти др элементами, т.е. нагрев идёт в специальных средах и элемент этих сред вкрапываются в металл. Т.е. в основе ХТО лежит диффузионные процессы.

Диффузия идёт тем полнее, чем выше темп на пов-ти сред, чем больше концентрация диф-го элемента, чем больше длительность пр-са, чем больше давление. Обычно длительность пр-ва достигает нескольких часов Т=600-1000. глубина слоя нанос-го э-та 0,1мм.

Диф Эл-та могут обр-ть твёрдые р-ры, корбиды, нитриды, бориды.

1) Цементация – насыщение углеродом. Чем>С, тем твердее и прочнее сталь. Цем-я позволяет осущить в дальнейшем пов-ую закалку, производиться при 920-950гр. Газовая цементация в среде, сод-й окиси углерода в прир газе. Глубина цем-го слоя 1,2мм. Выдерживается 10-12ч.

2) Азотирование – насыщение азотом. Азот, диф-я в сталь, даёт нитриды железа, а они износостойкие, твёрдые, корозийностойкие. В среде азотсодержащей слой 0,3-0,5мм.

3) Нитроцементация – насыщение углеродом и азотом, при 840-860гр.

4) Оксидирование – насыщение кислородом. Обр-я мелкодисперсные оксиды 600гр толщина до 1мм. Повышается коррозийная стойкость, износостойкость.

5) Барирование – насыщение бором. Даёт бариды – это очень ТВ. И износостойкие в-ва, поэтому барируются металлические коеструкции.

6) Алитирование – насыщение алюминием, 800гр. Идёт нас-е ал, повыш жаростойкость, ковкость, корозостойкость.

ВОПРОС 19. Способы защиты металлов и сплавов от коррозии.

1) Покрытие поверхности лаком, краской, эмалью. Изолирование металла от внешней среды.

2) создание сплавов с антикоррозийными св-ми. Введением в состав стали до 12% хрома – нержавейка.

3) Протекторная защита и электрозащита. Сущность такой защиты в том, что конструкцию соединяют с протектором – более активным металлом, чем исходный.

4) Изменение состава среды – замедление коррозии вводят в электролит.

ВОПРОС 20. Медные и алюминиевые сплавы, их хар-ка, маркировка, области применения.

Медь и её сплавы.

Технически чистая медь обладает высокими пластичностью и коррозийной стойкостью, малым удельным электросопротивлением и высокой теплопроводностью. По чистоте медь подразделяют на марки (ГОСТ 859-78):

После обозначения марки указывают способ изготовления меди: к — катодная, б – бес кислородная, р — раскисленная. Медь огневого рафинирования не обозначается.

МООк — технически чистая катодная медь, содержащая не менее 99,99% меди и серебра.

МЗ — технически чистая медь огневого рафинирования, содержит не менее 99,5%меди и серебра.

Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзы- это сплавы меди с оловом (4 — 33% Sn хотя бывают без оловянные бронзы), свинцом (до 30% Pb), алюминием (5-11% AL), кремнием (4-5% Si), сурьмой и фосфором.

Алюминий и его сплавы.

Алюминий — легкий металл, обладающий высокими тепло- и электропроводностью, стойкий к коррозии.

В зависимости от степени частоты первичный алюминий согласно ГОСТ 11069-74 бывает особой (А999), высокой (А995, А95) и технической чистоты (А85, А7Е, АО и др.).

Алюминий маркируют буквой А и цифрами, обозначающими доли процента свыше 99,0% Al; буква «Е» обозначает повышенное содержание железа и пониженное кремния.

А999 — алюминий особой чистоты, в котором содержится не менее 99,999% Al;

А5 — алюминий технической чистоты в котором 99,5% алюминия. Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы хорошообрабатываются прокаткой, ковкой, штамповкой. Их марки приведены в ГОСТ4784-74. К деформируемым алюминиевым сплавам не упрочняемым термообработкой, относятся сплавы системы Al-Mn и AL-Mg:Aмц; АмцС; Амг1; АМг4,5; Амг6.

Аббревиатура включает в себя начальные буквы, входящие в состав сплава компонентов и цифры, указывающие содержание легирующего элемента в процентах.

К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg с добавками некоторых элементов (дуралюны, ковочные сплавы), а также высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного хим.состава. Дуралюмины маркируются буквой «Д» и порядковым номером, например: Д1, Д12, Д18, АК4, АК8.

Источник: https://mirznanii.com/a/170903-2/shpory-po-materialovedeniyu-2

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector