Pogodnije je razjasniti ovo pitanje na primjeru eutektoidnog čelika (C = 0,8%). Od ovog čelika napravljen je niz uzoraka, svi su zagrijani do austenitnog stanja, tj. iznad 727°C, a zatim se svaki uzorak hladi različitom brzinom (Sl. 38).

Riža. 38. Dijagram izotermne razgradnje prehlađenog austenita eutektoidnog čelika s superponiranim krivuljama hlađenja:

A – opći oblik; b– nastale strukture

Transformacija austenita na temperaturama od 550°C i više naziva se perlitna transformacija, na 550°C...M H - martenzitna (M H - početak, M K - kraj martenzitne transformacije).

Transformacija perlita. U temperaturnom području pretvorbe perlita nastaju lamelarne strukture kristala ferita i cementita koje se razlikuju po stupnju disperzije čestica F i C.

Disperznost perlitnih struktura ocjenjuje se međulamelarnim razmakom S susjednih feritnih i cementitnih lamina (slika 39).

Kako se cementit ne bi zamijenio s feritom, koristi se poseban jetkač - natrijev pikrat, koji boji cementit u crno. Ferit u ovom slučaju nije obojen, tj. ostaje lagana.

Riža. 39. Struktura ferit-cementit

Ako se transformacija odvija na temperaturama od 650-670 ° C, tada nastaje perlit, S = 6·10 -4 mm.

Na temperaturama transformacije od 640-590°C nastaje sorbitol,

S = 3·10 -4 mm.

Pri temperaturama transformacije od 580–550°C nastaje troostit, S = 1´10 -4 mm.

Kao što se može vidjeti iz iskustva, s povećanjem brzine hlađenja, zrna feritno-cementitne smjese se sve više usitnjavaju, što dramatično utječe na svojstva. Tako, na primjer, perlit NV 2000, za sorbitol NV 3000. a za troostite NV 4200, MPa.

Intermedijarna (bainitna) transformacija. Kao rezultat srednje transformacije, bainit, što je struktura koja se sastoji od a-krute otopine donekle prezasićene česticama ugljika i cementita. Bainitna transformacija kombinira elemente perlitne i martenzitne transformacije. U austenitu nastaju volumeni obogaćeni i osiromašeni ugljikom. Područja austenita osiromašena ugljikom prolaze kroz g ® a transformaciju na način bez difuzije (martenzit). U volumenima austenita obogaćenog ugljikom, na t= 400–550°C, oslobađaju se čestice cementita. Na t < 400°С частицы цементита выделяются в кристаллах a-фазы.

Bainit nastao na temperaturama od 400–550°C naziva se gornji bainit; ima perastu strukturu s lošijim mehaničkim svojstvima (donji s in, KCU i d).

Na nižim temperaturama (ispod 400°C) nastaje niži bainit, igličaste je strukture s boljim mehaničkim svojstvima (veliki s in, KCU i d).

Martenzitna transformacija austenita. martenzit je prezasićena čvrsta otopina ugljika intersticijalnog u Fe α

Martenzit se formira samo iz austenita kao rezultat jakog superhlađenja potonjeg brzinom koja nije manja od kritične brzine kaljenja ( V kr = – tangenta na dijagram, vidi sl. 38, A).

Martenzitne pločice (iglice) nastaju gotovo trenutno, brzinom većom od 1000 m/s, samo unutar zrna austenita i ne prelaze granicu između zrna. Stoga veličina martenzitnih iglica ovisi o veličini zrna austenita. Što su zrna austenita finija, to su iglice martenzita manje i struktura se karakterizira kao grubi igličasti ili finoigličasti martenzit. Rešetka martenzita je tetragonalna, tj. razdoblja S > A(Slika 40).

Riža. 40. Mikrostruktura i kristalna rešetka martenzita

Mehanizam martenzitne transformacije je da na temperaturama ispod MN austenitna rešetka, koja dobro otapa ugljik (do 2014% C), postaje nestabilna i rekonstruira se u Fe α rešetku , čija je sposobnost otapanja ugljika vrlo mala (do 0,02%).

Zbog velike brzine hlađenja, sav ugljik koji se nalazi u austenitu (fcc rešetka) ostaje fiksiran u Fe α (bcc rešetka), gdje nema mjesta za njegov smještaj. Stoga višak ugljika iskrivljuje rešetku, uzrokuje pojavu velikih unutarnjih naprezanja i, kao rezultat, povećava se tvrdoća i čvrstoća, a smanjuje žilavost i duktilnost.

Austenitno-martenzitna transformacija prati povećanje volumena. Sve čelične konstrukcije mogu se poredati (od najvećeg volumena do najmanjeg) u sljedeći red: martenzit – troostit – sorbitol – perlit – austenit.

Razlika od transformacije perlita:

1) visoka stopa konverzije;

2) transformacija je bez difuzije, tj. bez prethodnog oslobađanja ugljika i stvaranja Fe 3 C;

3) transformacija počinje u točki M H i završava u točki M K, a položaj tih točaka ovisi samo o kemijski sastav legura;

4) u strukturi martenzita uvijek postoji mala količina zaostalog netransformiranog austenita (do 4%);

5) martenzitna rešetka je tetragonalna ( A = b ¹ S).

Vrste toplinske obrade. Toplinska obrada je tehnološka operacija u kojoj zagrijavanjem legure na određenu temperaturu, držanjem na toj temperaturi i naknadnim hlađenjem dolazi do strukturnih promjena koje uzrokuju promjenu svojstava metala.

Toplinska obrada obično se provodi u slučajevima kada:

1) polimorfne transformacije;

2) ograničena i promjenjiva (koja raste s temperaturom) topljivost jedne komponente u drugoj u krutom stanju;

3) promjena strukture metala pod utjecajem hladne deformacije.

Glavni parametri načina toplinske obrade su: temperatura i brzina zagrijavanja, trajanje izlaganja na određenoj temperaturi, brzina hlađenja.

Temperatura zagrijavanja čelika ovisi o položaju kritičnih točaka, vrsti toplinske obrade i dodjeljuje se na temelju analize dijagrama stanja legure.

Brzina zagrijavanja ovisi o kemijskom sastavu legure, veličini i obliku dijelova koji se obrađuju, masi punjenja, prirodi rasporeda dijelova u peći, vrsti uređaja za grijanje itd.

Držanje na danoj temperaturi potrebno je za dovršetak faznih transformacija koje se događaju u metalu, izjednačavajući koncentraciju u cijelom volumenu dijela. Vrijeme zagrijavanja (40) je zbroj intrinzičnog vremena zagrijavanja t n (2) i vremena zadržavanja t u:

ttot= t n+ t in (40)

gdje se t in uzima kao 1 min po 1 mm debljine za ugljične čelike i 2 min za legirane čelike.

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

Gdje D– veličina najvećeg presjeka (dimenzionalne karakteristike); K 1– srednji koeficijent (za plin – 2, sol – 1, metal – 0,5); K2– koeficijent oblika (za loptu – 1, cilindar – 2, ploču – 4, paralelopiped – 2,5); K 3– koeficijent ravnomjernog zagrijavanja (univerzalni – 1, jednostrani – 4).

Brzina hlađenja ovisi uglavnom o stupnju stabilnosti austenita, tj. na kemijski sastav čelika, kao i na strukturu koju treba dobiti.

Ovisno o brzini hlađenja ugljičnog čelika dobivaju se sljedeće strukture: ferit s perlitom, perlit, sorbitol, trostit, martenzit.

Prema faznom dijagramu Fe-Fe 3 C, temperaturne točke koje tvore liniju PSK, označeni su A 1 ; crta G.S. – A 3; crta ES – Čl. ako se razmatra proces zagrijavanja, tada se slovo stavlja ispred digitalnog indeksa S (A C1, A C3), a ako u slučaju hlađenja r(A r h, AR 1).

Ugljični čelici podvrgavaju se sljedećim vrstama toplinske obrade: žarenje, normalizacija, kaljenje i popuštanje.

Čelik za žarenje. Svrha žarenja:

1) korekcija strukture nakon tople obrade (kovanje, lijevanje);

2) smanjenje tvrdoće radi lakšeg rezanja;

3) ublažavanje unutarnjeg stresa;

4) priprema strukture za naknadnu toplinsku obradu i hladno utiskivanje;

5) smanjenje kemijske heterogenosti.

Kada je potpuno žaren, čelik se zagrijava iznad linije A S3 na 30–50°S, čuva se pravo vrijeme na toj temperaturi, a zatim se polako hladi, obično zajedno s peći (slika 41).

Kad se zagrije iznad točke A Dolazi do rekristalizacije C3, uslijed koje se zrna drobe, unutarnji naponi se uklanjaju, a čelik postaje mekan i viskozan. Podeutektoidni čelici uglavnom se podvrgavaju potpunom žarenju.

Ako se ovi čelici zagrijavaju ispod A C3 dio zrna ferita ostaje u istom obliku u kojem je bio prije žarenja (velike veličine, pločasti oblik), što dovodi do smanjenja žilavosti čelika.

S nepotpunim žarenjem, čelik se zagrijava iznad crte A C1 na 30–50°C i nakon držanja polako se hladi zajedno s peći. Kod nepotpunog žarenja dolazi samo do djelomične rekristalizacije (perlit-austenit). Ova vrsta se koristi za hipereutektoidne čelike.

Zagrijavanje ovih čelika iznad linije A s m (austenitno stanje) je nepraktično, budući da će se cementit otopljen u austenitu tijekom naknadnog hlađenja osloboditi duž granica zrna perlita u obliku mreže, što naglo smanjuje duktilnost i čini čelik krhkim.

Difuzijsko žarenje (homogenizacija) koristi se za izravnavanje kemijske heterogenosti na kristalnom objektu u velikim odljevcima. Provodi se na temperaturi od 1050–1150°C i uz dužu ekspoziciju (10–18 sati).

Rekristalizacijsko žarenje koristi se za uklanjanje hladnog otvrdnuća i unutarnjih naprezanja u čeliku nakon obrade hladnim pritiskom (valjanje, utiskivanje, izvlačenje itd.). Za ugljične čelike, ova vrsta žarenja se provodi na temperaturi od 650-690 °C. Kao rezultat toga, tvrdoća se smanjuje, a duktilnost povećava.

Hlađenje obratka tijekom različitih operacija toplinske obrade izvodi se različitim brzinama. Kod žarenja hlađenje treba biti sporo, ali kod kaljenja nekih čelika, naprotiv, treba biti vrlo brzo. Brzina hlađenja kontrolira se upotrebom različitih rashladnih medija.

Hlađenje izradaka pomoću peći, oni. vrlo sporo, koristiti tijekom žarenja. Za sve ostale postupke toplinske obrade, hlađenje se provodi višom brzinom. Hlađenje zrakom koristi za normalizacija, kao i kod kaljenja čelika vrlo velike prokaljivosti (čelici za kaljenje na zraku).

Najmanja dopuštena brzina hlađenja pri kaljenju čelika (što je niža brzina, niži je napon kaljenja, vidi 11.6 i sl. 11.16) određena je njihovom prokaljivošću. Što je veća prokaljivost čelika, to se može provesti sporije hlađenje kaljenjem (vidi sliku 5.22), stoga se za različite čelike koriste tekućine za kaljenje koje osiguravaju različite brzine hlađenja.

Hlađenje (kaljenje) srednje treba osigurati visoku brzinu hlađenja na temperaturama najniže stabilnosti prehlađenog austenita (650... ...550 °C, vidi sl. 5.7) kako bi se spriječilo njegovo raspadanje. Naprotiv, u temperaturnom području martenzitne transformacije (Mn...Mk), preporučljivo je polagano hlađenje kako bi se smanjila naprezanja kaljenja. Karakteristike medija za gašenje koji se najčešće koriste u praksi toplinske obrade dane su u tablici. 15.2.

Tablica 15.2

Brzina hlađenja u različitim medijima za kaljenje

Voda i vodene otopine- To su jeftini i rašireni hladnjaci. Njihovo dostojanstvo je velika brzina hlađenje u području minimalne stabilnosti prehlađenog austenita; nedostatak je i velika brzina hlađenja u području martenzitne transformacije (vidi tablicu 15.2). Korištenje ovih medija povećava prokaljivost, ali povećava vjerojatnost deformacija i pukotina. Voda se koristi za kaljenje ugljičnih čelika.

Prilikom kaljenja u vodi može se pojaviti mrljasta tvrdoća (vidi 5.2.2). Da bi se spriječio ovaj nedostatak, vodene otopine soli i lužina, koje imaju višu temperaturu isparavanja, koriste se kao tekućine za gašenje. Ali u isto vrijeme, brzina hlađenja naglo raste (vidi tablicu 15.2), što određuje veću vrijednost naprezanja kaljenja.

ulja u rasponu Mn...Mk osiguravaju značajno smanjenje brzine hlađenja u usporedbi s vodom, što dovodi do smanjenja naprezanja pri kaljenju i deformacija. Međutim, hlađenje u području minimalne stabilnosti prehlađenog austenita se usporava (vidi tablicu 15.2), pa se ulja koriste za kaljenje legiranih čelika veće prokaljivosti.

Emulzija ulja u vodi(emulzije se sastoje od sitnih suspendiranih kapljica ulja u vodi) i vode s temperaturom 30...40 °C smanjuje brzinu hlađenja u rasponu od 650-550 °C (vidi tablicu 15.2), a time i vjerojatnost deformacije, dok se istovremeno smanjuje kaljivost. Ovi mediji se koriste za visokofrekventno kaljenje, kada je potrebno očvrsnuti samo površinu dijela.

Za čelike s dubokom prokaljivošću koristi se kao medij za kaljenje. zrak - tiho, što omogućuje vrlo nisku brzinu hlađenja, ili pod pritiskom, kada je potrebno brže hlađenje (vidi tablicu 15.2). U oba slučaja naprezanja kaljenja su mala.

Hlađenje pod metalne ploče javlja se i pri malim brzinama (vidi tablicu 15.2). Ova tehnologija kombinira kaljenje s ravnanjem (korekcija oblika) i gotovo eliminira deformacije.

Prilikom stvrdnjavanja velikih dijelova koristite vodeno-zračne smjese. Dovode se u dio kroz posebne mlaznice. Kapacitet hlađenja smjesa može se podešavati promjenom količine vode u njoj i tlaka zraka.

Koristiti kao sredstva za hlađenje vodene otopine polimera omogućuje promjenu brzine hlađenja u širokom rasponu - između brzina hlađenja u vodi i ulju. Koriste se za volumetrijsko i površinsko kaljenje.

Za mnoge konstrukcijske čelike, temperature Mn leže u rasponu od 170-330 °C. Za njihov izotermno kaljenje(izvodi se držanjem na temperaturi malo iznad Mn točke) uporaba rastaljene soli. Konkretno, koristi se mješavina NaNO3 (45%) i KNO3 (55%) koja je već razmatrana gore, a djeluje u rasponu od 160...650 °C.

Struktura i svojstva kaljenog čelika uvelike ovise ne samo o temperaturi zagrijavanja, već i o brzini hlađenja. Formiranje struktura otvrdnjavanja je posljedica prekomjernog hlađenja austenita ispod linije PSK, gdje je njegovo stanje nestabilno. Povećanjem brzine hlađenja moguće ga je prehladiti do vrlo niskih temperatura i transformirati u različite strukture različitih svojstava. Transformacija prehlađenog austenita može se dogoditi i tijekom kontinuiranog hlađenja i izotermno, tijekom izlaganja temperaturama ispod točke Ar1 (tj. ispod PSK linije).

Utjecaj stupnja prehlađenja na stabilnost austenita i brzinu njegove transformacije u različite produkte prikazan je grafički u obliku dijagrama u koordinatama temperatura-vrijeme. Kao primjer, razmotrite takav dijagram za čelik eutektoidnog sastava (slika 3). Izotermna razgradnja prehlađenog austenita u ovom čeliku događa se u temperaturnom području od Ar1 (727 °C) do Mn (250 °C), gdje je Mn temperatura na kojoj počinje martenzitna transformacija. Martenzitna transformacija u većini čelika može se dogoditi samo kontinuiranim hlađenjem.

Sl.3 Dijagram razgradnje austenita za čelik eutektoidnog sastava.

Dijagram (vidi sliku 3) prikazuje dvije linije u obliku slova "C", takozvane "C-krivulje". Jedan od njih (lijevo) označava vrijeme početka raspadanja prehlađenog austenita na različitim temperaturama, drugi (desno) označava vrijeme završetka raspadanja.U području koje se nalazi lijevo od linije početka razgradnje, postoji prehlađeni austenit. Između C-krivulja nalazi se i austenit i njegovi produkti raspadanja. Konačno, desno od linije kraja raspada, postoje samo proizvodi transformacije.

Transformacija prehlađenog austenita na temperaturama od Ar1 do 550 0C naziva se perlitna. Ako se austenit prehladi na temperature od 550...Mn, njegova se transformacija naziva intermedijerom.

Kao rezultat transformacije perlita nastaju lamelarne strukture tipa perlita, koje su feritno-cementitne smjese različite disperzije. S povećanjem stupnja prehlađenja, u skladu s općim zakonima kristalizacije, povećava se broj centara. Veličina nastalih kristala se smanjuje, tj. povećava se disperzija smjese ferit-cementit. Dakle, ako se transformacija odvija na temperaturama u rasponu Ar1...650°C, nastaje gruba smjesa ferit-cementit, koja se sama naziva perlit. Struktura perlita je stabilna, tj. nepromijenjen tijekom vremena na sobnoj temperaturi.

Sve ostale strukture nastale su na nižim temperaturama, tj. kada se austenit prehladi, klasificiraju se kao metastabilni. Dakle, kada se austenit prehladi na temperaturu od 650...590°C, pretvara se u finu feritno-cementitnu smjesu nazvanu sorbitol.

Na još nižim temperaturama od 590...550 °C nastaje trostit - vrlo raspršena feritno-cementitna smjesa. Navedene podjele perlitnih struktura su u određenoj mjeri proizvoljne, budući da disperzija smjesa monotono raste s padom temperature transformacije. Istodobno se povećava tvrdoća i čvrstoća čelika. Tako je tvrdoća perlita u eutektičkom čeliku 180...22-HB (8...19 HRC), sorbitol - 250...350 HB (25...38 HRC), trostit - 400...450 HB (43 ... 48HRC).

Kada se austenit prehladi na temperaturu od 550...MN, raspada se uz stvaranje bainita. Ova se transformacija naziva intermedijarnom, jer se, za razliku od perlita, djelomično odvija kroz takozvani martenzitni mehanizam, što dovodi do stvaranja mješavine cementita i ferita donekle prezasićene ugljikom. Bainitna struktura karakterizira visoka tvrdoća 450...550 HB.

Slika 4 Dijagram razgradnje austenita za hipoeutektoidne (a) i hipereutektoidne (b) čelike.

Na dijagramima razgradnje austenita za hipoeutektoidne i hipereutektoidne čelike (slika 4.) postoji dodatna linija koja pokazuje vrijeme kada se višak kristala ferita ili cementita počinje odvajati od austenita. Oslobađanje ovih suvišnih struktura događa se samo tijekom lagane hipotermije. Uz značajno prehlađenje, austenit se transformira bez prethodnog taloženja ferita ili cementita.U ovom slučaju sadržaj ugljika u dobivenoj smjesi razlikuje se od eutektoidnog.

U slučaju kontinuiranog hlađenja austenita različitim brzinama, njegova se transformacija ne odvija na konstantnoj temperaturi, već u određenom temperaturnom rasponu. Kako bismo odredili strukture dobivene kontinuiranim hlađenjem, nacrtajmo krivulje brzine hlađenja uzoraka ugljikovo-eutektoidnog čelika na dijagramu razgradnje austenita (slika 5.).

Iz ovog dijagrama je vidljivo da se pri vrlo niskoj brzini hlađenja V1, koja se osigurava hlađenjem zajedno s peći (npr. tijekom žarenja), dobiva perlitna struktura. Pri brzini V2 (u zraku) transformacija se odvija pri nešto nižim temperaturama. Formira se perlitna struktura, ali više dispergirana. Ova obrada se naziva normalizacija i naširoko se koristi za čelike s niskim udjelom ugljika (ponekad za čelike sa srednjim udjelom ugljika) umjesto žarenja kao sredstvo za omekšavanje.

sl.5. Krivulje razgradnje austenita tijekom kontinuiranog hlađenja eutektoidnog čelika.

Pri brzini V3 (hlađenje u ulju), transformacija austenita se događa na temperaturama koje osiguravaju stvaranje strukture sorbitola, a ponekad i strukture trostita.

Ako se austenit ohladi s vrlo velika brzina(V4), zatim se prehladi na vrlo nisku temperaturu, označenu na dijagramima kao Mn. Ispod te temperature dolazi do martenzitne transformacije bez difuzije, što dovodi do stvaranja strukture martenzita. Za ugljične čelike ovu brzinu hlađenja osigurava, na primjer, voda

Općenito, minimalna brzina hlađenja pri kojoj se sav austenit prehladi na temperaturu od Mn i pretvara u martenzit naziva se kritična brzina kaljenja. Na slici 5 označena je kao Vcr i tangenta je na C-krivulju. Kritična brzina otvrdnjavanja je najvažnija tehnološke karakteristike postati. Određuje izbor rashladnog medija za dobivanje martenzitne strukture.

Vrijednost kritične brzine otvrdnjavanja ovisi o kemijskom sastavu čelika i nekim drugim čimbenicima. Na primjer, za neke legirane čelike čak i hlađenje na zraku daje brzinu veću od kritične.

Pri otvrdnjavanju na martenzit potrebno je uzeti u obzir da ova struktura ima veliki specifični volumen i da je njeno formiranje popraćeno i primjetnim povećanjem volumena očvrslog proizvoda i naglim povećanjem unutarnjih naprezanja, što zauzvrat dovodi do deformacija ili čak stvaranje pukotina. Sve to, u kombinaciji s povećanom krhkošću martenzita, zahtijeva dodatnu toplinsku obradu očvrslih dijelova - operaciju kaljenja