Эвтектоидные превращения сталей

Эвтектоидным называется превращение твердой фазы в две новые твердые фазы. Типичным примером такого превращения является образование перлита в системе железо-углерод. Перлит является продуктом эвтектоидного превращения аустенита. В результате этого превращения образуются две фазы, которые резко отличаются по составу от исходной фазы (аустенита): феррит содержит 0,025 % С, концентрация углерода в цементите 6,67 %, в аустените – 0,8 % С. Таким образом, по мере развития эвтектоидного превращения должно произойти перераспределение атомов углерода, который содержится в аустените, между ферритом и цементитом. Следовательно, эвтекгоидное превращение – это диффузионное превращение.
Эвтектоидное превращение совершается в твердом состоянии и, подчиняясь общим законам кристаллизации, происходит путем образования центров кристаллизации феррита и цементита и роста кристаллов этих фаз. Условием, облегчающим образование центров кристаллизации феррита и цементита при эвтектоидном превращении, является наличие в исходной фазе (аустените) концентрационных неоднородностей (флуктуаций) в распределении углерода.
При эвтектоидном превращении центры кристаллизации феррита и цементита возникают неодновременно: одна из фаз – ведущая. В условиях, близких к равновесным, т.е. при медленном охлаждении стали, ведущей фазой при эвтектоидном превращении является цементит. Центры цементита возникают преимущественно у границ аустенитных зерен и растут в форме тонких пластин вглубь зерен. Рост центра кристаллизации цементита возможен при диффузии к нему углерода из соседних участков аустенита. В результате аустенит, окружающий пластинку цементита, обедняется углеродом и создаются условия для его перекристаллизации в феррит. Тогда по обе стороны от цементитной пластинки возникают и растут пластинки феррита.
Из-за роста ферритной пластинки углерод вытесняется в соседние участки аустенита, и на этих участках из него выделяется цементит. Попеременное образование пластин феррита и цементита сопровождается продольным ростом этих пластин и приводит к формированию перлитной колонии с одинаково ориентированными пластинками феррита и цементита. Перлитную колонию называют также перлитным зерном. Поверхность перлитного зерна сама становится границей, от которой начинается формирование другого перлитного зерна. Таким образом, в пределах одного аустенитного зерна может образоваться несколько перлитных зерен.
Толщины пластин феррита и цементита в перлите не одинаковы: пластины феррита в среднем в 7,5 раза толще пластинок цементита. Важной характеристикой перлита служит межпластиночное расстояние, равное суммарной толщине соседних пластин феррита и цементита или расстоянию между ближайшими пластинами одной из фаз. При медленном охлаждении образуется крупнопластинчатый перлит с межпластиночным расстоянием 1…0,5 мкм. При ускоренном охлаждении формируется более тонкопластинчатый перлит. В таком перлите пластины феррита и цементита можно увидеть только под электронным микроскопом. С уменьшением толщины пластин перлита увеличиваются твердость и прочность стали. Изменяя скорость охлаждения, можно получить перлит разной дисперсности и, таким образом, регулировать свойства стали.
2. Основные виды термической обработки сталей полуфабрикатов и изделий
Термическая обработка – один из широко применяемых методов улучшения свойств металлических материалов и изделий из них. Термической обработкой называют технологические процессы теплового воздействия, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств сплава без изменения химического состава.
В результате термической обработки изменяется структура материала, а, следовательно, и его физико-механические свойства. Детали и заготовки после некоторых технологических процессов (литье, обработка давлением) приобретают отрицательные свойства – становятся слишком мягкими, слишком твердыми или чрезмерно хрупкими. В этом случае прибегают к термической обработке, с помощью которой придают изделию или заготовке необходимые физико-механические свойства.
Рисунок 1. График термической обработки стали
Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах температура-время (рисунок 1). Параметрами процесса термической обработки являются:
максимальная температура нагрева,
время выдержки при температуре нагрева,
скорость нагрева,
скорость охлаждения.
Термическая обработка делится на собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую. Виды термической обработки представлены на схеме
2.1. Отжиг
Под отжигом понимают операцию термической обработки, цель которой – создание равновесной структуры в обрабатываемом материале. Охлаждение после данного вида термической обработки производится вместе с печью. Цель и назначение отжига так же разнообразны, как и выполнение. Отжиг применяют для снятия внутренних напряжений, повышения механических свойств металла, улучшения обрабатываемости режущим инструментом, снижения твердости и для подготовки структуры к дальнейшей термической обработке.
Отжиг 1-го рода (без фазовых превращений)
При отжиге первого рода не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями. Отжиг первого рода делится на: гомогенизирующий (диффузионный), рекристаллизационный, для снятия внутренних напряжений.
Гомогенизирующий отжиг
Диффузионный отжиг применяется для устранения ликвации, выравнивания химического состава сплава. Литье, обработка давлением, сварка и другие технологические процессы вызывают отклонения от равновесного состояния, химический состав оказывается неоднородным, может появляться химическое соединение, охрупчивающее сталь.
Гомогенизирующий отжиг частично или полностью устраняет эти отклонения за счет растворения неравновесных фазы, в результате чего сплав становится более гомогенным (однородным). Выравнивание химического состава происходит благодаря диффузионным процессам, скорость которых зависит от температуры.
Рекристаллизационный отжиг
Рекристаллизационный отжиг применяют после холодной пластической деформации (холодной обработки давлением) для снятия наклепа (упрочнение металла с одновременным снижением пластичности, появляющееся в результате такой обработки) и получения равновесного состояния сплава.
Для снятия эффекта упрочнения металл нагревают до температур выше начала кристаллизации, выдерживают и затем медленно охлаждают. В результате рекристаллизации в деформированном металле вместо старых деформированных зерен вырастают новые зерна и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура, свойства сплава, пластичность и снимаются напряжения.
Нормализация
Отжиг для снятия напряжений, возникающих при ковке, сварке, литье, которые могут вызвать искажение формы и размеров изделия во время его обработки, эксплуатации или хранения на складе

. Нормализация отличается от отжига тем, что охлаждение изделия осуществляется на воздухе, следовательно, быстрее, чем при отжиге. Структура стали получается более мелкозернистая, поэтому механические свойства – твердость и прочность – будут выше.
Нормализация в сравнении с отжигом более экономична, потому что не требует охлаждения вместе с печью. Поэтому стали подвергают, как правило, не отжигу, а нормализации.
Отжиг 2-го рода (фазовая перекристаллизация)
Отжиг второго рода – изменение структуры при тепловом воздействии с целью получения равновесных структур сплава. Во время его проведения в материале происходит полиморфное или другое фазовое превращение, связанное с заменой данной фазы другой (фазовая перекристаллизация). К данному виду отжига относят: полный отжиг, неполный отжиг, отжиг на зернистый перлит, изотермический отжиг.
Полный отжиг
Полный отжиг осуществляется главным образом после горячей механической обработки и литья углеродистых и легированных сталей. Основной целью полного отжига кованых и литых деталей является измельчение зерна, смягчение металла для улучшения его обработки режущим инструментом и устранение внутренних напряжений. Это достигается нагревом, не превышающим 20…40°С верхней критической точки Ас3 и медленным охлаждением.
После отжига сталь медленно охлаждают вместе с печью. Детали, изготовленные из углеродистой стали, охлаждают со скоростью 180…200°С в час, из низколегированных сталей – со скоростью 90…100°С в час, из высоколегированных – со скоростью примерно 50°С в час.
В результате полного отжига деталей, изготовленных, например, из доэвтектоидной углеродистой стали, получается пластинчатый перлит, а зерна феррита располагаются в виде разорванной сетки.
Неполный отжиг
Если до отжига структура стали была удовлетворительная, но сталь обладает повышенной твердостью и в деталях имеются внутренние напряжения, то целесообразнее применять неполный отжиг. Детали при таком отжиге нагревают при температуре, немного превышающей точку Ас1. Неполный отжиг изменяет структуру перлита, однако, структура феррита может оставаться неизменной. Внутренние напряжения снимаются полностью, и сталь получает пониженную твердость и хорошо обрабатывается механически.
Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация)
Заэвтектоидные высокоуглеродистые инструментальные стали со структурой пластинчатого перлита имеют плохую обрабатываемость режущим инструментом. Поэтому заэвтектоидные углеродистые и легированные стали подвергают отжигу только на зернистый перлит.
Получение зернистого перлита достигается специальным видом отжига, близким по своему режиму к неполному отжигу. Сталь нагревают немного выше Ас1 с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550…600°С и далее на воздухе. Особенно важным для получения зернистого перлита является точное соблюдение температурного режима, так как при очень медленном охлаждении зернистый перлит получается с крупными зернами, а часто с отдельными пластинками перлита, а при более быстром охлаждении образуется мелкозернистый (точечный) перлит. Поэтому для получения зернистого перлита целесообразно применять циклический или маятниковый отжиг. При таком отжиге сталь нагревают до 760…780°С, после небольшой выдержки охлаждают имеете с печью до 680…700°С и затем снова повторяют весь цикл несколько раз.
Изотермический отжиг
Этот вид отжига заключается в нагреве стали на 30…50°С выше точки Ас3, охлаждении до температуры несколько ниже точки Аr1, изотермической выдержке при этой температуре для полного превращения аустенита и последующем охлаждении на воздухе. Изотермический отжиг позволяет сокращать продолжительность циклов, используемых при обычном отжиге высоколегированной стали, с 15…30 до 4…7 часов и дает однородную структуру. Такой отжиг особенно необходим для высокохромистых сталей с устойчивым аустенитом.
2.2. Закалка
Закалка – вид термической обработки материалов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т.е. полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы), с последующим быстрым охлаждением. Основным процессом при закалке, который обуславливает повышение механических свойств сталей, является образование мартенсита.
Мартенсит – упорядоченный пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железо. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в α-железе при 20°С не превышает 0,002%, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как в исходном аустените (т.е. может достигать 2,14%). Мартенситное превращение не сопровождается изменением состава твердого раствора, а осуществляется путем сдвига атомов в процессе перестройки решетки.
Образование мартенсита в стали может произойти только в том случае, если аустенит быстро охлажден до низких температур, когда диффузионные процессы становятся невозможными, т.е. становится невозможным самопроизвольное перераспределение атомов углерода и железа в решетке аустенита.
Упорядоченное размещение атомов углерода, произошедшее в результате мартенситного сдвига, превращает объемно-центрированную решетку α-железа из кубической в тетрагональную. Искажение решетки около внедренных атомов вызывает упрочнение. Высокая твердость мартенсита объясняется тем, что искажение элементарной кристаллической ячейки затрудняет пластическую деформацию, образование сдвигов в мартенсите почти невозможно. Чем выше концентрация углерода в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки мартенсита и больше его твердость.
Виды закалки в зависимости от температуры нагрева
Температуру нагрева под закалку для большинства сталей, в том числе и легированных, определяют по положению критических точек Ас1 (превращение феррит↔аустенит) и Ас3 (превращение перлит↔аустенит). В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды закалки:
неполная закалка – нагрев стали до определенной температуры (на 30…50°С выше критической точки Ас1) с последующим быстрым охлаждением в воде или масле. Применяется для заэвтектоидных сталей. После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость деталей, изготовленных из стали;
полная закалка – нагрев стали до определенной температуры (на 30…50°С выше критической точки Ас3) с последующим быстрым охлаждением в воде или масле. Температура полной закалки обеспечивает получение при нагреве мелкокристаллического аустенита и, соответственно, после охлаждения – мелкокристаллического мартенсита, который является самой твердой железоуглеродистой стали. Цель закалки – придание высокой твердости и прочности за счет получения неравновесных структур