Mugavam on seda küsimust selgitada eutektoidterase (C = 0,8%) näitel. Sellest terasest valmistatakse rida proove, mis kõik kuumutatakse austeniitsesse olekusse, s.o. üle 727°C ja seejärel jahtub iga proov erineva kiirusega (joonis 38).

Riis. 38. Eutektoidterasest ülejahutatud austeniidi isotermilise lagunemise skeem koos sellele asetatud jahutuskõveratega:

A – üldine vorm; b– saadud struktuurid

Austeniidi muundumist temperatuuridel 550°C ja kõrgemal nimetatakse perliidi muundumiseks, temperatuuril 550°C...M H - martensiitne (M H - martensiitse teisenduse algus, M K - lõpp).

Perliidi transformatsioon. Perliidi transformatsiooni temperatuurivahemikus moodustuvad ferriidi ja tsementiidi kristallide lamellstruktuurid, mis erinevad osakeste F ja C dispersiooniastme poolest.

Perliidistruktuuride hajutatust hinnatakse külgnevate ferriit- ja tsementiitkihtide kihtidevahelise kauguse S järgi (joonis 39).

Et tsementiiti ferriidiga mitte segi ajada, kasutatakse spetsiaalset söövitusainet - naatriumpikraati, mis värvib tsementiitmustaks. Ferriit ei ole sel juhul värviline, st. jääb heledaks.

Riis. 39. Ferriit-tsementiit struktuur

Kui muundumine toimub temperatuuril 650–670°C, siis tekib perliit, S = 6·10 -4 mm.

Transformatsioonitemperatuuril 640–590 °C moodustub sorbitool,

S = 3 · 10 -4 mm.

Transformatsioonitemperatuuridel 580–550°C tekib troostiit, S = 1´10 -4 mm.

Nagu kogemusest nähtub, purustatakse jahutuskiiruse suurenemisega ferriidi-tsementiidi segu terad üha enam, mis mõjutab omadusi dramaatiliselt. Nii näiteks perliit NV 2000 sorbitooli jaoks NV 3000. ja troostiidi eest NV 4200, MPa.

Vahepealne (bainiidi) teisendus. Vahepealse transformatsiooni tulemusena bainiit, mis on struktuur, mis koosneb süsiniku ja tsementiidi osakestest mõnevõrra üleküllastunud a-tahkest lahusest. Bainiidi muundumine ühendab endas perliidi ja martensiidi teisenduste elemente. Austeniidis tekivad süsinikuga rikastatud ja vaesestatud mahud. Austeniidi süsinikusisaldusega alad läbivad a g ® a transformatsiooni difusioonivabal viisil (martensiitne). Süsinikuga rikastatud austeniidi mahtudes at t= 400–550°C, eralduvad tsemendiosakesed. Kell t < 400°С частицы цементита выделяются в кристаллах a-фазы.

Temperatuuril 400–550°C tekkivat bainiidi nimetatakse ülemiseks bainiidiks, sellel on sulgjas struktuur ja halvemad mehaanilised omadused (madalam s in, KCU ja d).

Madalamatel temperatuuridel (alla 400°C) moodustub madalam bainiit, millel on paremate mehaaniliste omadustega nõelalaadne struktuur (suured s in, KCU ja d).

Austeniidi martensiitne muundumine. Martensiit on üleküllastunud tahke süsiniku interstitsiaalne lahus Fe α-s

Martensiit moodustub ainult austeniidist viimase tugeva ülejahutuse tulemusena kiirusega, mis ei ole väiksem kui kriitiline kustutuskiirus ( V kr = – diagrammi puutuja, vt joon. 38, A).

Martensiitplaadid (nõelad) tekivad peaaegu koheselt, kiirusega üle 1000 m/s, ainult austeniiditera sees ega ületa teradevahelist piiri. Seetõttu sõltub martensiidi nõelte suurus austeniidi terade suurusest. Mida peenemad on austeniidi terad, seda väiksemad on martensiitnõelad ja struktuuri iseloomustatakse jäme- või peennõelaga martensiidina. Martensiitvõre on tetragonaalne, s.t. perioodid Koos > A(joonis 40).

Riis. 40. Martensiidi mikrostruktuur ja kristallvõre

Martensiidi muundumise mehhanism seisneb selles, et temperatuuril alla МН osutub hästi süsinikku lahustav austeniidivõre (kuni 2014% C) ebastabiilseks ja rekonstrueeritakse Fe α võreks. , mille süsiniku lahustamise võime on väga väike (kuni 0,02%).

Tänu suurele jahutuskiirusele jääb kogu austeniidis (fcc võre) paiknev süsinik fikseerituks Fe α-s (bcc võre), kuhu pole ruumi selle paigutamiseks. Seetõttu moonutab liigne süsinik võre, põhjustab suurte sisepingete ilmnemist ning selle tulemusena suureneb kõvadus ja tugevus, samal ajal kui sitkus ja plastilisus vähenevad.

Austeniit-martensiitse muundumisega kaasneb mahu suurenemine. Kõik teraskonstruktsioonid saab paigutada (maksimaalsest mahust miinimumini) järgmisesse ritta: martensiit – troostiit – sorbitool – perliit – austeniit.

Erinevus perliidi transformatsioonist:

1) kõrge konversioonimäär;

2) teisendus on difusioonivaba, s.o. ilma süsiniku eelneva vabanemise ja Fe 3 C moodustumiseta;

3) teisendus algab punktis M H ja lõpeb punktis M K ning nende punktide asukoht sõltub ainult keemiline koostis sulam;

4) martensiidi struktuuris on alati vähesel määral transformeerimata austeniidi jääkaineid (kuni 4%);

5) martensiitvõre on tetragonaalne ( A = b ¹ Koos).

Kuumtöötluse tüübid. Kuumtöötlemine on tehnoloogiline toiming, mille käigus sulami teatud temperatuurini kuumutamisel, sellel temperatuuril hoidmisel ja sellele järgneval jahutamisel tekivad struktuurimuutused, mis põhjustavad muutusi metallide omadustes.

Kuumtöötlus viiakse tavaliselt läbi juhtudel, kui:

1) polümorfsed teisendused;

2) ühe komponendi piiratud ja muutuv (temperatuuriga tõusev) lahustuvus teises tahkes olekus;

3) metalli struktuuri muutumine külmdeformatsiooni mõjul.

Kuumtöötlusrežiimide peamised parameetrid on: temperatuur ja kuumutamiskiirus, kokkupuute kestus antud temperatuuril, jahutuskiirus.

Terase kuumutamistemperatuur sõltub kriitiliste punktide asendist, kuumtöötluse tüübist ja määratakse sulami olekudiagrammi analüüsi põhjal.

Kuumutamiskiirus sõltub sulami keemilisest koostisest, töödeldavate osade suurusest ja kujust, laengu massist, osade paigutuse iseloomust ahjus, kütteseadme tüübist jne.

Etteantud temperatuuril hoidmine on vajalik metallis toimuvate faasimuutuste lõpuleviimiseks, ühtlustades kontsentratsiooni kogu detaili mahu ulatuses. Kuumutamisaeg (40) on sisemise kuumenemisaja t n (2) ja hoidmisaja t summa:

tott= t n+ t sisse (40)

kus t in on 1 min 1 mm paksuse kohta süsinikteraste puhul ja 2 min legeerteraste puhul.

t n = 0,1D K 1 K 2 K 3(41)

Kus D– suurima sektsiooni suurus (mõõtmete omadused); K 1– keskmine koefitsient (gaasil – 2, soolal – 1, metallil – 0,5); K2– kujukoefitsient (pallil – 1, silindril – 2, plaadil – 4, rööptahukal – 2,5); K 3– ühtlase kütte koefitsient (universaalne – 1, ühepoolne – 4).

Jahutuskiirus sõltub peamiselt austeniidi stabiilsusastmest, s.o. terase keemilise koostise, aga ka saadava struktuuri kohta.

Sõltuvalt süsinikterase jahutuskiirusest saadakse järgmised struktuurid: ferriit perliidiga, perliit, sorbitool, trostiit, martensiit.

Fe-Fe 3 C faasidiagrammi järgi joont moodustavad temperatuuripunktid PSK, on määratud A 1 ; rida G.S. – A 3; rida ES – A Art. kui arvestada kütteprotsessi, siis asetatakse täht digitaalse indeksi ette KOOS (A C1, A C3) ja jahutamise korral r(A r h, AR 1).

Süsinikteraseid kuumtöödeldakse järgmist tüüpi: lõõmutamine, normaliseerimine, karastamine ja karastamine.

Lõõmutav teras. Lõõmutamise eesmärk:

1) konstruktsiooni korrigeerimine pärast kuumtöötlemist (sepistamine, valamine);

2) kõvaduse vähendamine lõikamise hõlbustamiseks;

3) sisemise stressi leevendamine;

4) konstruktsiooni ettevalmistamine järgnevaks kuumtöötlemiseks ja külmstantsimiseks;

5) keemilise heterogeensuse vähendamine.

Täielikult lõõmutatud teras kuumeneb joone kohal AС3 temperatuuril 30–50°С, hoitud õige aeg sellel temperatuuril ja seejärel aeglaselt jahtub, tavaliselt koos ahjuga (joonis 41).

Kuumutamisel punktist kõrgemale A Toimub C3 rekristallisatsioon, mille tulemusena terad purustatakse, sisemised pinged kaovad ning teras muutub pehmeks ja viskoosseks. Hüpoeutektoidterased allutatakse valdavalt täielikule lõõmutamisele.

Kui neid teraseid kuumutatakse allpool A C3 osa ferriidi teradest jääb samaks kujul, milles ta oli enne lõõmutamist (suured suurused, plaadi kuju), mis viib terase sitkuse vähenemiseni.

Mittetäieliku lõõmutamise korral kuumeneb teras joone kohal A C1 temperatuuril 30–50 °C ja pärast hoidmist jahtub aeglaselt koos ahjuga. Mittetäieliku lõõmutamise korral toimub ainult osaline rekristallisatsioon (perliit-austeniit). Seda tüüpi kasutatakse hüpereutektoidsete teraste jaoks.

Nende teraste kuumutamine liini kohal A m-ga (austeniitne olek) on ebapraktiline, kuna järgneval jahutamisel austeniidis lahustunud tsementiit eraldub piki perliidi terade piire võrgu kujul, mis vähendab järsult plastilisust ja muudab terase hapraks.

Difusioonlõõmutamist (homogeniseerimist) kasutatakse kristallobjekti keemilise heterogeensuse tasandamiseks suurtes valandites. Seda tehakse temperatuuril 1050–1150 °C ja pikema kokkupuutega (10–18 tundi).

Ümberkristallilist lõõmutamist kasutatakse terasest külmkarastumise ja sisepingete eemaldamiseks pärast külmsurvetöötlust (valtsimine, stantsimine, tõmbamine jne). Süsinikteraste puhul viiakse seda tüüpi lõõmutamine läbi temperatuuril 650–690 °C. Selle tulemusena väheneb kõvadus ja suureneb plastilisus.

Toorikute jahutamine erinevatel kuumtöötlusoperatsioonidel toimub erinevatel kiirustel. Lõõmutamisel peaks jahutamine olema aeglane, mõne terase karastamise korral aga vastupidi väga kiire. Jahutuskiirust juhitakse erinevate jahutusvahendite kasutamisega.

Toorikute jahutamine ahjuga, need. väga aeglane, kasuta lõõmutamise ajal. Kõigi muude kuumtöötlustoimingute puhul toimub jahutamine suurema kiirusega. Õhkjahutus kasutatud normaliseerimine, samuti väga kõrge karastavusega teraste karastamise korral (õhkkarastavad terased).

Minimaalne lubatud jahutuskiirus teraste karastamisel (mida väiksem kiirus, seda väiksem on karastuspinge, vt 11.6 ja joon. 11.16) määrab nende karastavus. Mida kõrgem on terase karastatavus, seda aeglasemalt saab karastusjahutust läbi viia (vt joonis 5.22), seetõttu kasutatakse erinevate teraste puhul erineva jahutuskiiruse tagavaid karastusvedelikke.

Jahutus (karastus) keskkond peaks tagama kõrge jahutuskiiruse ülejahutatud austeniidi madalaima stabiilsusega temperatuuridel (650... ...550 °C, vt joonis 5.7), et vältida selle lagunemist. Vastupidi, martensiitsete muundumise temperatuurivahemikus (Mn...Mk) on aeglane jahutamine soovitatav karastuspingete vähendamiseks. Kuumtöötlemise praktikas enim kasutatavate karastusvahendite omadused on toodud tabelis. 15.2.

Tabel 15.2

Jahutuskiirus erinevates jahutusvahendites

Vesi ja vesilahused- Need on odavad ja laialt levinud jahutid. Nende väärikus on suur kiirus jahutamine ülejahutatud austeniidi minimaalse stabiilsuse piirkonnas; puuduseks on ka suur jahutuskiirus martensiitsete transformatsiooni piirkonnas (vt tabel 15.2). Nende kandjate kasutamine suurendab kõvastuvust, kuid suurendab deformatsiooni ja pragude tekkimise tõenäosust. Süsinikteraste kõvenemisel kasutatakse vett.

Vees karastamisel võib tekkida laiguline kõvadus (vt 5.2.2). Selle defekti vältimiseks kasutatakse karastusvedelikena soolade ja leeliste vesilahuseid, millel on kõrgem aurustumistemperatuur. Kuid samal ajal suureneb järsult jahutuskiirus (vt tabel 15.2), mis määrab karastuspingete suurema väärtuse.

Õlid vahemikus Mn...Mk vähendavad oluliselt jahutuskiirust võrreldes veega, mis toob kaasa karastuspingete ja deformatsioonide vähenemise. Küll aga aeglustub jahutamine ülejahutatud austeniidi minimaalse stabiilsuse vahemikus (vt tabel 15.2), mistõttu kasutatakse õlisid kõrgema karastumisega legeerteraste karastamise korral.

Õli vees emulsioon(emulsioonid koosnevad pisikestest hõljuvatest õlipiiskadest vees) ja vesi temperatuuriga 30...40 °C vähendab jahutuskiirust vahemikus 650-550 °C (vt tabel 15.2) ja seeläbi deformatsiooni tõenäosust, vähendades samal ajal ka karastuvust. Neid kandjaid kasutatakse kõrgsageduskarastamiseks, kui on vaja karastada ainult detaili pind.

Sügavkarastusega teraste puhul kasutatakse karastusainena. õhk - vaikne, mis tagab väga madala jahutuskiiruse või rõhu all, kui on vaja kiiremini jahutada (vt tabel 15.2). Mõlemal juhul on karastuspinged väikesed.

Jahutus all metallplaadid esineb ka madalatel kiirustel (vt tabel 15.2). See tehnoloogia ühendab karastamise sirgendamisega (kuju korrigeerimine) ja praktiliselt välistab deformatsiooni.

Suuremõõtmeliste detailide kõvenemisel kasutage vee-õhu segud. Need tarnitakse detailile spetsiaalsete düüside kaudu. Segude jahutusvõimsust saab reguleerida, muutes selles oleva vee hulka ja õhurõhku.

Kasutage jahutusvedelikuna polümeeride vesilahused võimaldab muuta jahutuskiirust laias vahemikus – vee ja õli jahutuskiiruste vahel. Neid kasutatakse mahuliseks ja pinnakarastamiseks.

Paljude konstruktsiooniteraste puhul jäävad temperatuurid Mn vahemikku 170-330 °C. Nende jaoks isotermiline kõvenemine(teostatakse hoides temperatuuril veidi üle Mn-punkti) kasutamine sulatatud soolad. Eelkõige kasutatakse eespool juba käsitletud NaNO3 (45%) ja KNO3 (55%) segu, mis töötab vahemikus 160...650 °C.

Karastatud terase struktuur ja omadused sõltuvad suuresti mitte ainult küttetemperatuurist, vaid ka jahutuskiirusest. Kõvenevate struktuuride teke on tingitud austeniidi ülejahtumisest allpool PSK joont, kus selle olek on ebastabiilne. Jahutuskiirust suurendades on võimalik seda ülejahutada väga madalatele temperatuuridele ja muuta see erinevateks erinevate omadustega struktuurideks. Ülejahutatud austeniidi muundumine võib toimuda nii pideva jahutamise ajal kui ka isotermiliselt, kokkupuutel Ar1-punktist madalamal temperatuuril (st allpool PSK joont).

Ülejahutusastme mõju austeniidi stabiilsusele ja selle muutumise kiirusele erinevateks toodeteks on esitatud graafiliselt diagrammide kujul temperatuuri-aja koordinaatides. Vaatleme näiteks eutektoidse koostisega terase diagrammi (joonis 3). Ülejahutatud austeniidi isotermiline lagunemine selles terases toimub temperatuurivahemikus Ar1 (727 °C) kuni Mn (250 °C), kus Mn on temperatuur, mille juures algab martensiitsene muundumine. Enamiku teraste martensiitne muundumine saab toimuda ainult pideva jahutamise korral.

Joon.3 Eutektoidse koostisega terase austeniidi lagunemise skeem.

Diagramm (vt joonis 3) kujutab kahte joont, mis on kujundatud nagu täht “C”, nn “C-kõverad”. Üks neist (vasakul) tähistab ülejahutatud austeniidi lagunemise algusaega erinevatel temperatuuridel, teine ​​(paremal) aga lagunemise lõpu aega. lagunemisel on ülejahutatud austeniit. C-kõverate vahel on nii austeniit kui ka selle lagunemissaadused. Lõpuks, lagunemise lõpu joonest paremal, eksisteerivad ainult transformatsiooniproduktid.

Ülejahutatud austeniidi muundumist temperatuuridel Ar1 kuni 550 0C nimetatakse perliitseks. Kui austeniit on ülejahutatud temperatuurini 550...Mn, nimetatakse selle muundumist vahepealseks.

Perliidi muundumise tulemusena tekivad perliidi tüüpi lamellstruktuurid, mis on erineva dispersiooniga ferriit-tsementiidi segud. Ülejahutuse suurenemisega, vastavalt üldistele kristallisatsiooniseadustele, suureneb tsentrite arv. Saadud kristallide suurus väheneb, s.o. ferriidi-tsementiidi segu dispersioon suureneb. Nii et kui muundumine toimub temperatuurivahemikus Ar1...650°C, moodustub krobeline ferriidi-tsementiidi segu, mida nimetatakse perliidiks endaks. Perliidi struktuur on stabiilne, s.t. toatemperatuuril aja jooksul muutumatuna.

Kõik muud struktuurid tekkisid madalamal temperatuuril, s.o. kui austeniit on ülejahutatud, klassifitseeritakse need metastabiilseks. Niisiis, kui austeniit jahutatakse üle temperatuurini 650...590 °C, muutub see peeneks ferriit-tsementiidi seguks, mida nimetatakse sorbitooliks.

Veelgi madalamal temperatuuril 590...550 °C tekib trostiit - väga dispergeeritud ferriidi-tsementiidi segu. Näidatud perliitstruktuuride jaotused on teatud määral meelevaldsed, kuna segude dispersioon suureneb monotoonselt transformatsioonitemperatuuri langedes. Samal ajal suureneb teraste kõvadus ja tugevus. Seega on perliidi kõvadus eutektilises terases 180...22-HB (8...19 HRC), sorbitooli - 250...350 HB (25...38 HRC), trostiidi - 400...450 HB (43 ...48HRC).

Kui austeniit ülejahutada temperatuurini 550...MN, laguneb see bainiidi moodustumisega. Seda transformatsiooni nimetatakse vahepealseks, kuna erinevalt perliidist toimub see osaliselt nn martensiitse mehhanismi kaudu, mille tulemusena moodustub tsementiidi ja ferriidi segu, mis on mõnevõrra üleküllastunud süsinikuga. Bainiitset struktuuri iseloomustab kõrge kõvadus 450...550 HB.

Joonis 4 Hüpoeutektoidse (a) ja hüpereutektoidse (b) terase austeniidi lagunemise skeem.

Hüpoeutektoidse ja hüpereutektoidse terase austeniidi lagunemise diagrammidel (joonis 4.) on lisarida, mis näitab aega, mil üleliigsed ferriidi või tsementiidi kristallid hakkavad austeniidist eralduma. Nende liigsete struktuuride vabanemine toimub ainult kerge hüpotermia ajal. Olulise ülejahutuse korral muundub austeniit ilma ferriidi või tsementiidi eelneva sadestamiseta.Sellisel juhul erineb süsinikusisaldus tekkivas segus eutektoidsest.

Austeniidi pideva jahutamise korral erinevatel kiirustel areneb selle muundumine mitte konstantsel temperatuuril, vaid teatud temperatuurivahemikus. Pideva jahutamise käigus saadud struktuuride määramiseks joonistagem süsinikeutektoidterase proovide jahutuskiiruse kõverad austeniidi lagunemise diagrammile (joonis 5.).

Sellelt diagrammil on näha, et väga madalal jahutuskiirusel V1, mis tagatakse koos ahjuga jahutamisega (näiteks lõõmutamisel), saadakse perliitstruktuur. Kiirusel V2 (õhus) toimub muundumine veidi madalamatel temperatuuridel. Moodustub perliitstruktuur, kuid rohkem hajutatud. Seda töötlust nimetatakse normaliseerimiseks ja seda kasutatakse laialdaselt madala süsinikusisaldusega teraste puhul (mõnikord keskmise süsinikusisaldusega teraste puhul), mitte lõõmutamise asemel pehmendusainena.

Joonis 5. Austeniidi lagunemiskõverad eutektoidterase pideval jahutamisel.

Kiirusel V3 (jahutus õlis) toimub austeniidi muundumine temperatuuridel, mis tagavad sorbitooli struktuuri ja mõnikord ka trostiidi struktuuri moodustumise.

Kui austeniiti jahutada väga suur kiirus(V4), siis see ülejahutatakse väga madalale temperatuurile, mis on diagrammidel näidatud kui Mn. Sellest temperatuurist madalamal toimub difusioonivaba martensiitne transformatsioon, mis viib martensiitstruktuuri moodustumiseni. Süsinikteraste puhul tagab selle jahutuskiiruse näiteks vesi

Üldiselt nimetatakse minimaalset jahutuskiirust, mille juures kogu austeniit ülejahutatakse temperatuurini Mn ja muutub martensiidiks, kriitiliseks jahutuskiiruseks. Joonisel 5 on see tähistatud kui Vcr ja puutub C-kõveraga. Kriitiline kõvenemismäär on kõige olulisem tehnoloogilised omadused muutuda. See määrab martensiitse struktuuri saamiseks kasutatava jahutusvahendi valiku.

Kriitilise kõvenemiskiiruse väärtus sõltub terase keemilisest koostisest ja mõnest muust tegurist. Näiteks mõne legeerterase puhul annab isegi õhus jahutamine kriitilisest suurema kiiruse.

Martensiidiks kõvenemisel tuleb arvestada, et sellel struktuuril on suur erimaht ja selle tekkega kaasneb nii kõvastunud toote mahu märgatav kasv kui ka sisepingete järsk tõus, mis omakorda toob kaasa deformatsioon või isegi pragude teke. Kõik see koos martensiidi suurenenud haprusega nõuab karastatud osade täiendavat kuumtöötlust - karastusoperatsiooni