Es más conveniente aclarar esta cuestión utilizando el ejemplo del acero eutectoide (C = 0,8%). De este acero se elaboran una serie de muestras, todas ellas calentadas hasta el estado austenítico, es decir. por encima de 727°C y posteriormente cada muestra se enfría a un ritmo diferente (Fig. 38).

Arroz. 38. Diagrama de descomposición isotérmica de austenita sobreenfriada de acero eutectoide con curvas de enfriamiento superpuestas:

A – forma general; b– estructuras resultantes

La transformación de la austenita a temperaturas de 550°C y superiores se llama transformación de perlita, a 550°C...M H - martensítico (MH - comienzo, M K - final de la transformación martensítica).

Transformación de perlita. En el rango de temperatura de transformación de perlita se forman estructuras laminares de cristales de ferrita y cementita, que se diferencian en el grado de dispersión de las partículas F y C.

La dispersidad de las estructuras de perlita se evalúa mediante la distancia interlamelar S de las láminas adyacentes de ferrita y cementita (Fig. 39).

Para no confundir la cementita con la ferrita, se utiliza un grabador especial: el picrato de sodio, que tiñe la cementita de negro. La ferrita en este caso no está coloreada, es decir sigue siendo ligero.

Arroz. 39. Estructura ferrita-cementita.

Si la transformación se produce a temperaturas de 650 a 670°C, entonces se forma perlita, S = 6,10 -4 mm.

A temperaturas de transformación de 640 a 590°C se forma sorbitol,

S = 3·10-4 mm.

A temperaturas de transformación de 580–550°C se forma troostita, S = 1´10 -4 mm.

Como puede verse por experiencia, con un aumento en la velocidad de enfriamiento, los granos de la mezcla de ferrita y cemento se trituran cada vez más, lo que afecta dramáticamente las propiedades. Entonces, por ejemplo, perlita. Nevada 2000, para el sorbitol Nevada 3000. y para troostita Nevada 4200 MPa.

Transformación intermedia (bainita). Como resultado de la transformación intermedia, bainita, que es una estructura que consiste en una solución sólida algo sobresaturada con partículas de carbono y cementita. La transformación bainita combina elementos de las transformaciones de perlita y martensita. En la austenita se forman volúmenes enriquecidos y empobrecidos en carbono. Las zonas de austenita empobrecidas en carbono sufren una transformación g ® a sin difusión (martensítica). En volúmenes de austenita enriquecida con carbono, a t= 400–550°C, se liberan partículas de cementita. En t < 400°С частицы цементита выделяются в кристаллах a-фазы.

La bainita formada a temperaturas de 400 a 550°C se llama bainita superior; tiene una estructura plumosa con peores propiedades mecánicas (s inferior en, KCU y d).

A temperaturas más bajas (por debajo de 400°C), se forma bainita inferior; tiene una estructura en forma de aguja con mejores características mecánicas (grandes en, KCU y d).

Transformación martensítica de la austenita. martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono intersticial en Fe α

La martensita se forma únicamente a partir de austenita como resultado de un fuerte sobreenfriamiento de esta última a una velocidad no menor que la velocidad de enfriamiento crítica ( V kr = – tangente al diagrama, ver fig. 38, A).

Las placas martensíticas (agujas) se forman casi instantáneamente, a una velocidad de más de 1000 m/s, sólo dentro del grano de austenita y no cruzan el límite entre los granos. Por tanto, el tamaño de las agujas de martensita depende del tamaño de los granos de austenita. Cuanto más finos son los granos de austenita, más pequeñas son las agujas de martensita y la estructura se caracteriza como martensita de aguja gruesa o de aguja fina. La red de martensita es tetragonal, es decir periodos Con > A(Figura 40).

Arroz. 40. Microestructura y red cristalina de martensita.

El mecanismo de transformación martensítica es que a temperaturas inferiores a МН la red de austenita, que disuelve bien el carbono (hasta 2014% C), resulta inestable y se reconstruye en la red de Fe α. , cuya capacidad para disolver carbono es muy pequeña (hasta 0,02%).

Debido a la alta velocidad de enfriamiento, todo el carbono localizado en la austenita (red fcc) permanece fijo en Fe α (red bcc), donde no hay espacio para su colocación. Por tanto, el exceso de carbono distorsiona la red, provoca la aparición de grandes tensiones internas y, como resultado, aumentan la dureza y resistencia, mientras que la tenacidad y ductilidad disminuyen.

La transformación austenítico-martensítica va acompañada de un aumento de volumen. Todas las estructuras de acero se pueden ordenar (de máximo a mínimo volumen) en la siguiente fila: martensita – troostita – sorbitol – perlita – austenita.

Diferencia con la transformación de perlita:

1) alta tasa de conversión;

2) la transformación es libre de difusión, es decir sin liberación preliminar de carbono y formación de Fe 3 C;

3) la transformación comienza en el punto M H y termina en el punto M K, y la posición de estos puntos depende únicamente de composición química aleación;

4) en la estructura de la martensita siempre hay una pequeña cantidad de austenita residual sin transformar (hasta un 4%);

5) la red de martensita es tetragonal ( A = b ¹ Con).

Tipos de tratamiento térmico. El tratamiento térmico es una operación tecnológica en la que, al calentar la aleación hasta una determinada temperatura, mantenerla a esa temperatura y posterior enfriamiento, se producen cambios estructurales, provocando cambios en las propiedades de los metales.

El tratamiento térmico se suele realizar en los casos en que:

1) transformaciones polimórficas;

2) solubilidad limitada y variable (que aumenta con la temperatura) de un componente en otro en estado sólido;

3) un cambio en la estructura del metal bajo la influencia de la deformación en frío.

Los principales parámetros de los modos de tratamiento térmico son: temperatura y velocidad de calentamiento, duración de la exposición a una temperatura determinada, velocidad de enfriamiento.

La temperatura de calentamiento del acero depende de la posición de los puntos críticos, del tipo de tratamiento térmico y se asigna en base a un análisis del diagrama de estado de la aleación.

La velocidad de calentamiento depende de la composición química de la aleación, el tamaño y la forma de las piezas que se procesan, la masa de la carga, la naturaleza de la disposición de las piezas en el horno, el tipo de dispositivo de calentamiento, etc.

Es necesario mantenerlo a una temperatura determinada para completar las transformaciones de fase que ocurren en el metal, igualando la concentración en todo el volumen de la pieza. El tiempo de calentamiento (40) es la suma del tiempo de calentamiento intrínseco t n (2) y el tiempo de mantenimiento t en:

ttot= tn+ estaño (40)

donde t in se toma igual a 1 min por 1 mm de espesor para aceros al carbono y 2 min para aceros aleados.

t norte = 0.1D K 1 K 2 K 3(41)

Dónde D– tamaño de la sección más grande (características dimensionales); k 1– coeficiente medio (para gas – 2, sal – 1, metal – 0,5); K2– coeficiente de forma (para una bola – 1, cilindro – 2, placa – 4, paralelepípedo – 2,5); K 3– coeficiente de calentamiento uniforme (universal – 1, unilateral – 4).

La velocidad de enfriamiento depende principalmente del grado de estabilidad de la austenita, es decir de la composición química del acero, así como de la estructura que se desea obtener.

Dependiendo de la velocidad de enfriamiento del acero al carbono se obtienen las siguientes estructuras: ferrita con perlita, perlita, sorbitol, trostita, martensita.

Según el diagrama de fases Fe-Fe 3 C, los puntos de temperatura que forman la línea PSK, son designados A 1; línea G.S. – A 3; línea ES – Un arte. si se considera el proceso de calentamiento, la letra se coloca delante del índice digital CON (A C1, A C3), y si en caso de enfriamiento r(a r h, RA 1).

Los aceros al carbono se someten a los siguientes tipos de tratamientos térmicos: recocido, normalizado, templado y revenido.

Acero recocido. Propósito del recocido:

1) corrección de la estructura después del procesamiento en caliente (forja, fundición);

2) reducción de la dureza para facilitar el corte;

3) aliviar el estrés interno;

4) preparar la estructura para su posterior tratamiento térmico y estampado en frío;

5) reducción de la heterogeneidad química.

Cuando está completamente recocido, el acero se calienta por encima de la línea. AС3 a 30–50°С, mantenido tiempo correcto a esta temperatura y luego se enfría lentamente, generalmente junto con el horno (Fig. 41).

Cuando se calienta por encima del punto A Se produce una recristalización de C3, como resultado de lo cual los granos se trituran, se eliminan las tensiones internas y el acero se vuelve blando y viscoso. Los aceros hipoeutectoides se someten predominantemente a un recocido completo.

Si estos aceros se calientan por debajo A La parte C3 de los granos de ferrita permanece en la misma forma que tenía antes del recocido (tamaños grandes, forma de placa), lo que conduce a una disminución de la tenacidad del acero.

Con recocido incompleto, el acero se calienta por encima de la línea. A C1 a 30–50°C y después de mantenerlo se enfría lentamente junto con el horno. En caso de recocido incompleto, sólo se produce una recristalización parcial (perlita-austenita). Este tipo se utiliza para aceros hipereutectoides.

Calentar estos aceros por encima de la línea. A con m (estado austenítico) no es práctico, ya que la cementita disuelta en austenita durante el enfriamiento posterior se liberará a lo largo de los límites de los granos de perlita en forma de red, lo que reduce drásticamente la ductilidad y hace que el acero se vuelva quebradizo.

El recocido por difusión (homogeneización) se utiliza para nivelar la heterogeneidad química en un objeto de cristal en piezas fundidas de gran tamaño. Se realiza a una temperatura de 1050-1150°C y con exposiciones más prolongadas (10-18 horas).

El recocido por recristalización se utiliza para eliminar el endurecimiento en frío y las tensiones internas en el acero después del tratamiento con presión en frío (laminado, estampado, trefilado, etc.). Para los aceros al carbono, este tipo de recocido se realiza a una temperatura de 650 a 690 °C. Como resultado, la dureza disminuye y la ductilidad aumenta.

El enfriamiento de las piezas durante diferentes operaciones de tratamiento térmico se realiza a diferentes velocidades. Al recocer, el enfriamiento debe ser lento, pero al endurecer algunos aceros, por el contrario, debe ser muy rápido. La velocidad de enfriamiento se controla mediante el uso de diferentes medios de enfriamiento.

Enfriamiento de piezas de trabajo con horno, aquellos. muy lento, uso durante el recocido. Para todas las demás operaciones de tratamiento térmico, el enfriamiento se realiza a un ritmo mayor. Aire acondicionado usado para normalización, así como al templar aceros con muy alta templabilidad (aceros endurecibles al aire).

La velocidad de enfriamiento mínima permitida al templar aceros (cuanto menor es la velocidad, menor es la tensión de temple, ver 11.6 y Fig. 11.16) está determinada por su templabilidad. Cuanto mayor sea la templabilidad del acero, más lento se puede realizar el enfriamiento por enfriamiento (ver Fig. 5.22), por lo tanto, para diferentes aceros, se utilizan líquidos de enfriamiento que proporcionan diferentes velocidades de enfriamiento.

Enfriamiento (enfriamiento) medio debe proporcionar una alta velocidad de enfriamiento a temperaturas de la estabilidad más baja de la austenita sobreenfriada (650... ...550 °C, ver Fig. 5.7) para evitar su desintegración. Por el contrario, en el rango de temperaturas de transformación martensítica (Mn...Mk), es aconsejable un enfriamiento lento para reducir las tensiones de enfriamiento. Las características de los medios de enfriamiento más utilizados en la práctica del tratamiento térmico se dan en la Tabla. 15.2.

Tabla 15.2

Velocidad de enfriamiento en varios medios de enfriamiento.

Agua y soluciones acuosas.- Se trata de neveras portátiles baratas y muy extendidas. Su dignidad es alta velocidad enfriamiento en la región de estabilidad mínima de la austenita sobreenfriada; la desventaja es también la alta velocidad de enfriamiento en la región de transformación martensítica (ver Tabla 15.2). El uso de estos medios aumenta la templabilidad, pero aumenta la probabilidad de deformaciones y grietas. El agua se utiliza para endurecer los aceros al carbono.

Al enfriar en agua, puede aparecer una dureza irregular (ver 5.2.2). Para evitar este defecto, se utilizan como líquidos de enfriamiento soluciones acuosas de sales y álcalis, que tienen una temperatura de vaporización más alta. Pero al mismo tiempo, la velocidad de enfriamiento aumenta drásticamente (ver Tabla 15.2), lo que determina un mayor valor de las tensiones de enfriamiento.

Aceites en el rango Mn...Mk proporcionan una reducción significativa en la velocidad de enfriamiento en comparación con el agua, lo que conduce a una disminución de las tensiones de enfriamiento y las deformaciones. Sin embargo, el enfriamiento en el rango de estabilidad mínima de la austenita sobreenfriada se ralentiza (ver Tabla 15.2), por lo que se utilizan aceites para endurecer aceros aleados con mayor templabilidad.

Emulsión de aceite en agua(las emulsiones consisten en pequeñas gotas suspendidas de aceite en agua) y agua con temperatura 30...40 °C reduce la velocidad de enfriamiento en el rango de 650-550 °C (ver Tabla 15.2) y, por lo tanto, la probabilidad de deformación, al mismo tiempo que reduce la templabilidad. Estos medios se utilizan para el endurecimiento de alta frecuencia, cuando es necesario endurecer solo la superficie de la pieza.

Para aceros con templabilidad profunda, se utiliza como medio de enfriamiento. aire - silencioso, que proporciona una velocidad de enfriamiento muy baja, o bajo presión, cuando es necesario enfriar más rápido (ver Tabla 15.2). En ambos casos, las tensiones de enfriamiento son pequeñas.

Enfriamiento bajo Platos de metal También ocurre a bajas velocidades (ver Tabla 15.2). Esta tecnología combina el endurecimiento con el enderezamiento (corrección de forma) y prácticamente elimina la deformación.

Al endurecer piezas de gran tamaño, utilice mezclas agua-aire. Se suministran a la pieza a través de boquillas especiales. La capacidad de enfriamiento de las mezclas se puede ajustar cambiando la cantidad de agua que contiene y la presión del aire.

Usar como refrigerantes soluciones acuosas de polímeros le permite cambiar la velocidad de enfriamiento en un amplio rango, entre velocidades de enfriamiento en agua y aceite. Se utilizan para endurecimiento volumétrico y superficial.

Para muchos aceros estructurales, las temperaturas Mn se encuentran en el rango de 170-330 °C. Para ellos endurecimiento isotérmico(realizado manteniendo a una temperatura ligeramente superior al punto Mn) uso sales fundidas. En particular, se utiliza la mezcla de NaNO3 (45%) y KNO3 (55%) ya comentada anteriormente, operable en el rango de 160...650 °C.

La estructura y las propiedades del acero endurecido dependen en gran medida no sólo de la temperatura de calentamiento, sino también de la velocidad de enfriamiento. La formación de estructuras endurecidas se debe al sobreenfriamiento de la austenita por debajo de la línea PSK, donde su estado es inestable. Al aumentar la velocidad de enfriamiento, es posible sobreenfriarlo a temperaturas muy bajas y transformarlo en varias estructuras con diferentes propiedades. La transformación de austenita sobreenfriada puede ocurrir tanto durante el enfriamiento continuo como isotérmicamente, durante la exposición a temperaturas por debajo del punto Ar1 (es decir, por debajo de la línea PSK).

La influencia del grado de sobreenfriamiento sobre la estabilidad de la austenita y la velocidad de su transformación en varios productos se presenta gráficamente en forma de diagramas en coordenadas de temperatura-tiempo. Como ejemplo, considere un diagrama de este tipo para acero de composición eutectoide (Figura 3). La descomposición isotérmica de la austenita sobreenfriada en este acero ocurre en el rango de temperatura desde Ar1 (727 °C) hasta Mn (250 °C), donde Mn es la temperatura a la que comienza la transformación martensítica. La transformación martensítica en la mayoría de los aceros sólo puede ocurrir con enfriamiento continuo.

Fig.3 Diagrama de descomposición de austenita para acero de composición eutectoide.

El diagrama (ver Figura 3) muestra dos líneas con forma de letra “C”, las llamadas “curvas C”. Uno de ellos (izquierda) indica el momento del inicio de la descomposición de la austenita superenfriada a diferentes temperaturas, el otro (derecha) indica el momento del final de la descomposición. En la región ubicada a la izquierda de la línea del inicio de descomposición, hay austenita sobreenfriada. Entre las curvas C se encuentran tanto la austenita como sus productos de descomposición. Finalmente, a la derecha de la línea del final de la descomposición, sólo existen productos de transformación.

La transformación de austenita sobreenfriada a temperaturas de Ar1 a 550 0C se llama perlítica. Si la austenita se sobreenfría a temperaturas de 550...Mn, su transformación se llama intermedia.

Como resultado de la transformación de la perlita se forman estructuras laminares del tipo perlita, que son mezclas de ferrita-cementita de dispersión variable. A medida que aumenta el grado de sobreenfriamiento, de acuerdo con las leyes generales de cristalización, aumenta el número de centros. El tamaño de los cristales resultantes disminuye, es decir. aumenta la dispersión de la mezcla ferrita-cementita. Así, si la transformación se produce a temperaturas en el rango Ar1...650°C, se forma una mezcla rugosa de ferrita y cemento, que se denomina perlita. La estructura de la perlita es estable, es decir. sin cambios con el tiempo a temperatura ambiente.

Todas las demás estructuras se formaron a temperaturas más bajas, es decir. cuando la austenita se sobreenfría, se clasifican como metaestables. Entonces, cuando la austenita se sobreenfría a temperaturas de 650...590°C, se convierte en una fina mezcla de ferrita y cementita llamada sorbitol.

A temperaturas aún más bajas, de 590...550 °C, se forma trostita, una mezcla de ferrita y cementita muy dispersa. Las divisiones indicadas de las estructuras de perlita son hasta cierto punto arbitrarias, ya que la dispersión de las mezclas aumenta monótonamente al disminuir la temperatura de transformación. Al mismo tiempo, aumenta la dureza y resistencia de los aceros. Así, la dureza de la perlita en el acero eutéctico es 180...22-HB (8...19 HRC), sorbitol - 250...350 HB (25...38 HRC), trostita - 400...450 HB (43...48HRC).

Cuando la austenita se sobreenfría a temperaturas de 550...MN, se descompone con la formación de bainita. Esta transformación se denomina intermedia, ya que, a diferencia de la perlita, se produce parcialmente mediante el llamado mecanismo martensítico, dando lugar a la formación de una mezcla de cementita y ferrita algo sobresaturada de carbono. La estructura bainítica se caracteriza por una alta dureza de 450...550 HB.

Fig.4 Diagrama de descomposición de austenita para aceros hipoeutectoides (a) e hipereutectoides (b).

En los diagramas de descomposición de austenita para aceros hipoeutectoides e hipereutectoides (Fig. 4.) hay una línea adicional que muestra el momento en que el exceso de cristales de ferrita o cementita comienzan a separarse de la austenita. La liberación de estas estructuras sobrantes se produce sólo durante una hipotermia leve. Con un sobreenfriamiento significativo, la austenita se transforma sin precipitación previa de ferrita o cementita. En este caso, el contenido de carbono en la mezcla resultante difiere del eutectoide.

En el caso del enfriamiento continuo de la austenita a diferentes velocidades, su transformación no se desarrolla a una temperatura constante, sino en un cierto rango de temperatura. Para determinar las estructuras obtenidas durante el enfriamiento continuo, tracemos las curvas de velocidad de enfriamiento de muestras de acero al carbono eutectoide en el diagrama de descomposición de austenita (Fig. 5).

En este diagrama se puede ver que con una velocidad de enfriamiento V1 muy baja, que se garantiza mediante el enfriamiento junto con el horno (por ejemplo, durante el recocido), se obtiene una estructura de perlita. A la velocidad V2 (en el aire), la transformación se produce a temperaturas ligeramente más bajas. Se forma una estructura de perlita, pero más dispersa. Este tratamiento se llama normalización y se usa ampliamente para aceros con bajo contenido de carbono (a veces para aceros con contenido medio de carbono) en lugar del recocido como agente suavizante.

Fig.5. Curvas de descomposición de austenita durante el enfriamiento continuo de acero eutectoide.

A la velocidad V3 (enfriamiento en aceite), la transformación de la austenita se produce a temperaturas que aseguran la formación de una estructura de sorbitol y, en ocasiones, de trostita.

Si la austenita se enfría con muy alta velocidad(V4), luego se sobreenfría a una temperatura muy baja, indicada en los diagramas como Mn. Por debajo de esta temperatura se produce una transformación martensítica sin difusión, que conduce a la formación de una estructura martensítica. Para los aceros al carbono, esta velocidad de enfriamiento la proporciona, por ejemplo, agua.

En general, la velocidad de enfriamiento mínima a la que toda la austenita se sobreenfría a una temperatura de Mn y se convierte en martensita se denomina velocidad de enfriamiento crítica. En la Fig. 5, se designa como Vcr y es tangente a la curva C. La tasa de endurecimiento crítico es la más importante. características tecnológicas convertirse en. Determina la elección del medio refrigerante para obtener una estructura martensítica.

El valor de la tasa crítica de endurecimiento depende de la composición química del acero y de algunos otros factores. Por ejemplo, para algunos aceros aleados, incluso el enfriamiento en aire proporciona una velocidad mayor que la crítica.

Al endurecerse a martensita, es necesario tener en cuenta que esta estructura tiene un gran volumen específico y su formación va acompañada tanto de un aumento notable en el volumen del producto endurecido como de un fuerte aumento de las tensiones internas, que a su vez conducen a deformación o incluso la formación de grietas. Todo esto, combinado con la mayor fragilidad de la martensita, requiere un tratamiento térmico adicional de las piezas endurecidas: operación de templado