Es más conveniente aclarar esta cuestión utilizando el ejemplo del acero eutectoide (C \u003d 0,8%). De este acero se fabrica una serie de muestras, todas ellas se calientan al estado austenítico, es decir por encima de 727 ° C y, además, cada muestra se enfría a una velocidad diferente (Fig. 38).

Figura: 38. Diagrama de descomposición isotérmica de austenita superenfriada de acero eutectoide con curvas de enfriamiento superpuestas:

y - forma general; segundo - las estructuras resultantes

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

Transformación de perlita.En el rango de temperaturas de transformación de la perlita, las estructuras laminares se forman a partir de cristales de ferrita y cementita, que difieren en el grado de dispersión de las partículas F y C.

La dispersión de las estructuras de perlita se estima mediante la distancia interlaminar S de las placas de ferrita y cementita adyacentes (Fig. 39).

Para no confundir la cementita con la ferrita, se utiliza un grabador especial: el picrato de sodio, que pinta la cementita de negro. En este caso, la ferrita no está coloreada, es decir permanece ligero.

Figura: 39. Estructura de ferrita-cementita

Si la transformación tiene lugar a temperaturas de 650–670 ° C, entonces se forma perlita, S \u003d 6 · 10 -4 mm.

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

S \u003d 3 · 10 -4 mm.

A temperaturas de transformación de 580–550 ° C, se forma troostita, S \u003d 1 × 10 -4 mm.

Como se puede ver en la experiencia, con un aumento en la velocidad de enfriamiento, los granos de la mezcla de ferrita y cemento se muelen cada vez más, lo que afecta drásticamente las propiedades. Entonces, por ejemplo, para la perlita media pensión 2000, sorbitol media pensión 3000. y troostitis media pensión 4200, MPa.

Transformación intermedia (bainítica).Como resultado de una transformación intermedia, bainita, que es una estructura que consiste en una solución sólida algo sobresaturada con partículas de carbón y cementita. La transformación bainítica combina elementos de perlita y transformaciones martensíticas. En la austenita, se forman volúmenes ricos en carbono y empobrecidos en carbono. Las regiones de austenita empobrecidas en carbono experimentan una transformación g® sin difusión (martensítica). En los volúmenes de austenita enriquecida con carbono, en t \u003d 400–550 ° С, se precipitan partículas de cementita. Cuando t < 400°С частицы цементита выделяются в кристаллах a-фазы.

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

A temperaturas más bajas (por debajo de 400 ° C), formas más bajas de bainita, tiene una estructura acicular con mejores características mecánicas (grandes s en, KCU yd).

Transformación martensítica de austenita. Martensita Es una solución sólida sobresaturada de la incorporación de carbono en Fe α

La martensita se forma solo a partir de austenita como resultado de un fuerte sobreenfriamiento de esta última a una velocidad no menor que la velocidad crítica de enfriamiento ( V cr \u003d - tangente al diagrama, ver fig. 38, y).

Las placas de martensita (agujas) se forman casi instantáneamente, a una velocidad de más de 1000 m / s, solo dentro del grano de austenita y no cruzan el límite del grano. 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 finas son las agujas de martensita y la estructura se caracteriza como martensita acicular gruesa o acicular fina. La celosía de martensita es tetragonal, es decir periodos desde > y (figura 40).

Figura: 40. Microestructura y celosía cristalina de martensita

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

Debido a la alta velocidad de enfriamiento, todo el carbono en austenita (celosía fcc) queda fijo en Fe α (celosía bcc), donde no hay lugar para su colocación. Por tanto, el exceso de carbono distorsiona la celosía, provoca la aparición de grandes tensiones internas y, como consecuencia, aumenta la dureza y resistencia, mientras que la tenacidad y plasticidad disminuyen.

La transformación austenita-martensítica se acompaña de un aumento de volumen. Todas las estructuras de acero pueden disponerse (desde el volumen máximo al mínimo) en la siguiente fila: martensita - troostita - sorbitol - perlita - austenita.

Diferencia de la transformación de perlita:

1) alta tasa de conversión;

2) la transformación no tiene 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 la composición química de la aleación;

4) la estructura de la martensita siempre contiene una pequeña cantidad de austenita residual no convertida (hasta un 4%);

5) celosía tetragonal de martensita ( y = segundo ¹ desde).

Tipos de tratamiento térmico.El tratamiento térmico es una operación tecnológica en la que al calentar la aleación a una determinada temperatura, mantenerla a esta temperatura y posteriormente enfriarla, se producen cambios estructurales que provocan cambios en las propiedades de los metales.

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

1) transformaciones polimórficas;

2) solubilidad limitada y variable (aumentando 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, tiempo de mantenimiento a una temperatura determinada, velocidad de enfriamiento.

La temperatura de calentamiento del acero depende de la posición de los puntos críticos, el tipo de tratamiento térmico y se asigna en función del 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 procesadas, 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 mantener una temperatura determinada para completar las transformaciones de fase que ocurren en el metal, para igualar la concentración en todo el volumen de la pieza. El tiempo de calentamiento (40) es la suma del tiempo de su propio calentamiento t n (2) y el tiempo de mantenimiento t en:

t total= t n+ estaño (40)

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

t n \u003d 0.1D K 1 K 2 K 3(41)

dónde re- el tamaño de la sección más grande (característica dimensional); K 1- el coeficiente del medio (para gas - 2, sal - 1, metal - 0.5); K 2- factor de forma (para una bola - 1, un cilindro - 2, una placa - 4, un paralelepípedo - 2.5); K 3- coeficiente de calentamiento uniforme (general - 1, unilateral - 4).

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

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

Según el diagrama de fase Fe-Fe 3 C, los puntos de temperatura que forman una línea PSK, denotado Y 1; línea GS – UN 3; línea ES – Y arte. si se considera el proceso de calentamiento, entonces se coloca una letra delante del índice digital DESDE (Y C1, Y C3), y si en el caso de enfriamiento r(A r h, A r 1).

Los aceros al carbono se someten a los siguientes tipos de tratamiento térmico: recocido, normalización, temple y revenido.

Acero recocido.Propósito de recocido:

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

2) reducción de la dureza para facilitar el corte;

3) eliminación de tensiones internas;

4) preparación de la estructura para posterior tratamiento térmico y estampación en frío;

5) reducción de la heterogeneidad química.

Cuando está completamente recocido, el acero se calienta por encima de la línea. Y С3 a 30–50 ° С, mantenido durante el tiempo requerido a esta temperatura y luego enfriado lentamente, generalmente junto con el horno (Fig. 41).

Cuando se calienta por encima del punto Y C3, se produce la recristalización, como resultado de lo cual los granos se refinan, se eliminan las tensiones internas y el acero se vuelve blando y dúctil. Los aceros principalmente hipoeutectoides se someten a un recocido completo.

En el caso de calentar estos aceros debajo Y La parte C3 de los granos de ferrita permanece en la misma forma que tenía antes del recocido (tamaño grande, forma laminar), lo que conduce a una disminución de la tenacidad del acero.

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

Calentando estos aceros por encima de la línea UN con m (estado de austenita) no es práctico, ya que la cementita disuelta en austenita durante el enfriamiento posterior precipitará a lo largo de los límites de los granos de perlita en forma de rejilla, lo que reduce drásticamente la plasticidad y hace que el acero sea frágil.

El recocido por difusión (homogeneización) se utiliza para igualar la falta de homogeneidad química sobre un objeto de cristal en piezas grandes. Se realiza a una temperatura de 1050-1150 ° C y con exposiciones más prolongadas (10-18 h).

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

El enfriamiento de piezas de trabajo en diferentes operaciones de tratamiento térmico se realiza a diferentes velocidades. En el recocido, el enfriamiento debe ser lento y en el endurecimiento de algunos aceros, por el contrario, muy rápido. La velocidad de enfriamiento se regula mediante el uso de diferentes medios de enfriamiento.

Refrigeración de piezas de trabajo con horno, aquellos. muy lento, usa durante el recocido. Para todas las demás operaciones de tratamiento térmico, el enfriamiento se realiza a un ritmo más rápido. Aire acondicionado usar en normalización, y también en el endurecimiento de aceros de muy alta templabilidad (aceros endurecidos al aire).

La tasa de enfriamiento mínima permitida durante el endurecimiento de los aceros (cuanto menor es la tasa, menor es el valor de las tensiones de enfriamiento, ver 11.6 y la figura 11.16) está determinada por su templabilidad. Cuanto mayor sea la templabilidad del acero, más lento se puede realizar el enfriamiento por temple (ver Fig. 5.22), por lo tanto, para diferentes aceros, se utilizan fluidos de temple que proporcionan diferentes velocidades de enfriamiento.

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

Cuadro 15.2

Tasa de enfriamiento en varios medios de enfriamiento

Agua y soluciones acuosas Son neveras baratas y generalizadas. Su ventaja es una alta velocidad de enfriamiento en el área de estabilidad mínima de la austenita superenfriada; la desventaja es también una alta tasa de enfriamiento en la región de la transformación martensítica (ver tabla. 15.2). El uso de estos medios aumenta la templabilidad, pero aumenta la probabilidad de deformación y agrietamiento. El agua se utiliza para endurecer los aceros al carbono.

Cuando se enfría en agua, puede aparecer una dureza irregular (ver 5.2.2). Para evitar este rechazo, 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 bruscamente (ver Tabla 15.2), lo que determina el mayor valor de las tensiones de enfriamiento.

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

Emulsión de aceite en agua (las emulsiones consisten en las gotitas de aceite en suspensión más pequeñas en agua) y agua con temperatura 30 ... 40 ° С reducen la velocidad de enfriamiento en el rango de 650-550 ° С (ver Tabla 15.2) y por lo tanto la probabilidad de deformaciones, al tiempo que reduce la templabilidad. Estos medios se utilizan para el endurecimiento con HFC, cuando solo es necesario endurecer la superficie de la pieza.

Para aceros con templabilidad profunda, se utiliza el medio de endurecimiento. aire - silencioso, que proporciona una tasa 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 bajas.

Enfriamiento debajo 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 enfriar piezas de gran tamaño, utilice mezclas de agua y aire. Se alimentan a la pieza a través de boquillas especiales. La capacidad de enfriamiento de las mezclas se puede ajustar cambiando la cantidad de agua y la presión del aire.

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

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

La estructura y propiedades del acero templado dependen en gran medida no solo de la temperatura de calentamiento, sino también de la velocidad de enfriamiento. La formación de estructuras templadas 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 asegurar su sobreenfriamiento a temperaturas muy bajas y convertirlo en varias estructuras con diferentes propiedades. La transformación de austenita superenfriada puede proceder tanto con enfriamiento continuo como isotérmico, durante el mantenimiento 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 presentan gráficamente en forma de diagramas en las coordenadas "temperatura-tiempo". Como ejemplo, consideremos un diagrama de este tipo para acero de composición eutectoide (Fig. 3). La descomposición isotérmica de la austenita superenfriada en este acero ocurre en el rango de temperatura de Ar1 (727 ° C) a Mn (250 ° C), donde Mn es la temperatura de inicio de la transformación martensítica. La transformación martensítica en la mayoría de los aceros solo puede tener lugar con enfriamiento continuo.

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

El diagrama (ver Fig. 3) muestra dos líneas en 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) - el tiempo del final de la descomposición. En la región ubicada a la izquierda de la línea de inicio de la descomposición, hay austenita superenfriada. Entre las curvas C hay austenita y sus productos de descomposición. Finalmente, solo existen productos de transformación a la derecha del final de la línea de desintegración.

La transformación de austenita superenfriada a temperaturas de Ar1 a 550 ° C se denomina perlita. Si la austenita se sobreenfría a temperaturas de 550 ... Mn, su transformación se denomina intermedia.

Como resultado de la transformación de la perlita, se forman estructuras lamelares del tipo perlita, que son mezclas de ferrita-cementita de diversas dispersiones. Con un aumento en el grado de sobreenfriamiento, de acuerdo con las leyes generales de cristalización, aumenta el número de centros. El tamaño de los cristales formados disminuye, es decir aumenta la dispersión de la mezcla de ferrita-cementita. Entonces, si la transformación ocurre a temperaturas que se encuentran en el rango Ar1 ... 650 ° C, se forma una mezcla gruesa de ferrita-cementita, que se llama perlita misma. 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 en hipotermia de austenita, son metaestables. Entonces, cuando la austenita se sobreenfría a temperaturas de 650 ... 590 ° C, se convierte en una fina mezcla de ferrita-cementita llamada sorbitol.

A temperaturas aún más bajas de 590 ... 550 ° C, se forma trostita, una mezcla de ferrita-cementita extremadamente 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 que la dureza de la perlita en 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, procede parcialmente según 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 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 del inicio de la liberación del exceso de cristales de ferrita o cementita de austenita. La liberación de estas estructuras en exceso ocurre solo con una ligera hipotermia. Con un sobreenfriamiento significativo, la austenita se transforma sin separación preliminar 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 resultantes del enfriamiento continuo, trazaremos las curvas de la velocidad de enfriamiento de las muestras de acero eutectoide al carbono en el diagrama de descomposición de austenita (Fig. 5.).

Puede verse en este diagrama que a una velocidad de enfriamiento V1 muy baja, que se proporciona enfriando junto con el horno (por ejemplo, durante el recocido), se obtiene una estructura de perlita. A una velocidad de V2 (en aire), la transformación procede 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 de recocido como ablandamiento.

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

A la velocidad V3 (enfriamiento en aceite), la transformación de la austenita se produce a temperaturas tales que se obtiene una estructura de sorbitol y, a veces, una estructura de caña.

Si la austenita se enfría a una velocidad muy alta (V4), entonces 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 de martensita. Para los aceros al carbono, esta velocidad de enfriamiento la proporciona, por ejemplo, agua

En el caso general, la velocidad mínima de enfriamiento a la que toda la austenita se sobreenfría a la temperatura Mn y se convierte en martensita se denomina velocidad crítica de enfriamiento. En la Fig. 5, se designa como Vcr y es tangente a la curva C. La velocidad crítica de enfriamiento es la característica tecnológica más importante del acero. Determina la elección de los medios de enfriamiento para obtener una estructura martensítica.

El valor de la tasa crítica de enfriamiento depende de la composición química del acero y de algunos otros factores. Así, por ejemplo, en algunos aceros aleados, incluso el enfriamiento por aire proporciona una velocidad más alta que la crítica.

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