Pogodnije je pojasniti ovo pitanje na primjeru eutektoidnog čelika (C \u003d 0,8%). Od ovog čelika izrađena je serija uzoraka, svi su zagrijani do austenitnog stanja, t.j. iznad 727 ° C i dalje se svaki uzorak hladi različitom brzinom (slika 38).

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

i - opći oblik; b - rezultirajuće 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 rasponu temperatura pretvorbe perlita, lamelarne strukture nastaju od kristala ferita i cementita, koji se razlikuju po stupnju disperzije F i C čestica.

Disperzija struktura perlita procjenjuje se na međulamelarnu udaljenost S susjednih feritnih i cementitnih ploča (slika 39).

Da se cementit ne bi zbunio s feritom, koristi se poseban nagrizač - natrijev pikrat koji cementit boji u crno. U ovom slučaju, ferit nije obojen, t.j. ostaje svjetlost.

Lik: 39. Feritno-cementitna struktura

Ako se transformacija odvija na temperaturama od 650–670 ° C, tada nastaje perlit, S \u003d 6 · 10 -4 mm.

Pri temperaturama pretvorbe od 640–590 ° C nastaje sorbitol,

S \u003d 3 · 10 -4 mm.

Pri temperaturama transformacije od 580–550 ° C nastaje troostit, S \u003d 1 × 10 -4 mm.

Kao što se može vidjeti iz iskustva, s povećanjem brzine hlađenja, zrna ferit-cementitne smjese sve se više melju, što oštro utječe na svojstva. Tako, na primjer, za perlit HB 2000, sorbitol HB 3000. i troostitis HB 4200, MPa.

Srednja (bainitska) transformacija.Kao rezultat srednje transformacije, bainite, koja je struktura koja se sastoji od čvrste otopine pomalo prezasićene česticama ugljika i cementita. Bainitska transformacija kombinira elemente perlitne i martenzitne transformacije. U austenitu nastaju zapremine bogate ugljikom i osiromašene ugljikom. Područja austenita osiromašena ugljikom podvrgavaju se g ® transformaciji na način bez difuzije (martenzit). U količinama austenita obogaćenog ugljikom, at t \u003d 400–550 ° S, talože se čestice cementita. Kada t < 400°С частицы цементита выделяются в кристаллах a-фазы.

Bainit koji nastaje na temperaturama od 400-550 ° C naziva se gornji bainit; ima perastu strukturu s lošijim mehaničkim svojstvima (smanjeni s u, KCU i d).

Pri nižim temperaturama (ispod 400 ° C) stvara se niži bainit, koji ima iglastu strukturu s boljim mehaničkim karakteristikama (velike s u, KCU i d).

Martenzitska transformacija austenita. Martenzit Je li prezasićena kruta otopina koja uključuje ugljik u Fe α

Martenzit nastaje samo iz austenita kao rezultat snažnog prehlađenja potonjeg brzinom koja nije manja od kritične brzine kaljenja ( V cr \u003d - tangenta na dijagram, vidi sl. 38, i).

Martenzitne ploče (iglice) nastaju gotovo trenutno, brzinom većom od 1000 m / s, samo unutar zrna austenita i ne prelaze granicu zrna. Stoga veličina martenzitnih iglica ovisi o veličini zrna austenita. Što su zrna austenita sitnija, iglice martenzita su finije, a struktura je okarakterizirana kao grubo-akutikularni ili fino-akulirani martenzit. Martenzitna rešetka je tetragonalna, t.j. razdoblja iz > i (slika 40).

Lik: 40. Mikrostruktura i kristalna rešetka martenzita

Mehanizam martenzitne transformacije je da se na temperaturama ispod MH rešetka austenita, koja dobro otapa ugljik (do 2014% C), pokaže nestabilnom i preuređuje se u Fe α , čija je sposobnost otapanja ugljika vrlo mala (do 0,02%).

Zbog velike brzine hlađenja, sav ugljik u austenitu (fcc rešetka) ostaje fiksiran u Fe α (bcc rešetka), gdje nema mjesta za njegovo postavljanje. Stoga višak ugljika izobličava rešetku, uzrokuje pojavu velikih unutarnjih naprezanja i, kao posljedicu, tvrdoća i čvrstoća se povećavaju, dok se udarna čvrstoća i plastičnost smanjuju.

Austenit-martenzitna transformacija popraćena je povećanjem volumena. Sve čelične konstrukcije mogu se rasporediti (od maksimalnog volumena do minimuma) u sljedećem redu: 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 započinje u točki M H i završava u točki M K, a položaj tih točaka ovisi samo o kemijskom sastavu legure;

4) struktura martenzita uvijek sadrži malu količinu zaostalog neprerađenog austenita (do 4%);

5) tetragonalna martenzitna rešetka ( i = b ¹ iz).

Vrste toplinske obrade.Toplinska obrada tehnološki je postupak u kojem se zagrijavanjem legure na određenu temperaturu, zadržavanjem na toj temperaturi i naknadnim hlađenjem događaju strukturne promjene koje uzrokuju promjene svojstava metala.

Toplinska obrada obično se provodi u onim slučajevima kada postoje:

1) polimorfne transformacije;

2) ograničena i varijabilna (s porastom temperature) 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, vrijeme izlaganja pri određenoj temperaturi, brzina hlađenja.

Temperatura grijanja 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 obrađenih dijelova, masi naboja, prirodi rasporeda dijelova u peći, vrsti uređaja za grijanje itd.

Držanje na određenoj temperaturi potrebno je da bi se dovršile fazne transformacije koje se događaju u metalu, kako bi se izjednačila koncentracija u cijelom volumenu dijela. Vrijeme zagrijavanja (40) zbroj je vremena vlastitog grijanja t n (2) i vremena zadržavanja t u:

ukupno= t n+ t u (40)

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

t n \u003d 0,1D K 1 K 2 K 3(41)

gdje D- veličina najvećeg presjeka (dimenzijska karakteristika); K 1- koeficijent medija (za plin - 2, sol - 1, metal - 0,5); K 2- faktor oblika (za kuglu - 1, cilindar - 2, ploča - 4, paralelepiped - 2,5); K 3- jednoliki koeficijent zagrijavanja (svestrani - 1, jednostrani - 4).

Brzina hlađenja uglavnom ovisi o stupnju stabilnosti austenita, tj. na kemijski sastav čelika, kao i na strukturu koja se želi dobiti.

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

Prema faznom dijagramu Fe-Fe 3 C, temperaturne točke čine liniju PSK, označeno I 1; crta GS – A 3; crta ES – I Art. ako se razmatra postupak grijanja, tada se ispred digitalnog indeksa stavlja slovo IZ (I C1, I C3), a ako je u slučaju hlađenja r(A r h, A r 1).

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

Čelik za žarenje.Svrha žarenja:

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

2) smanjenje tvrdoće radi olakšavanja rezanja;

3) uklanjanje unutarnjih naprezanja;

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

5) smanjenje kemijske heterogenosti.

Kad se potpuno žari, čelik se zagrijava iznad crte I S3 na 30-50 ° C, držao se potrebno vrijeme na ovoj temperaturi, a zatim se polako hladio, obično zajedno s pećnicom (slika 41).

Kada se zagrije iznad točke I C3, dolazi do rekristalizacije, uslijed čega se zrna pročišćavaju, uklanjaju unutarnja naprezanja, a čelik postaje mekan i žilav. Uglavnom hipoeutektoidni čelici podvrgavaju se potpunom žarenju.

U slučaju zagrijavanja ovih čelika ispod I C3 dio feritnih zrna ostaje u istom obliku u kojem je bio prije žarenja (velike veličine, lamelasti oblik), što dovodi do smanjenja žilavosti čelika.

Nepotpuno žarenje zagrijava čelik iznad crte I C1 na 30-50 ° C i nakon držanja polako se hladi s pećnicom. S nepotpunim žarenjem dolazi samo do djelomične rekristalizacije (perlit-austenit). Ova vrsta se koristi za hipereutektoidne čelike.

Zagrijavanje ovih čelika iznad crte A with m (austenitno stanje) je nepraktično, jer će se cementit otopljen u austenitu tijekom naknadnog hlađenja taložiti duž granica zrna perlita u obliku rešetke, što naglo smanjuje plastičnost i čini čelik krhkim.

Difuzijsko žarenje (homogenizacija) koristi se za izjednačavanje kemijske nehomogenosti nad kristalnim objektom u velikim odljevcima. Provodi se na temperaturi od 1050–1150 ° C i uz dulje izlaganje (10–18 h).

Rekristalizacijsko žarenje koristi se za uklanjanje otvrdnjavanja i unutarnjih naprezanja u čeliku nakon obrade hladnim tlakom (valjanje, štancanje, izvlačenje itd.). Za ugljične čelike, ova vrsta žarenja izvodi se na temperaturi od 650–690 ° C. Kao rezultat, tvrdoća se smanjuje, a plastičnost povećava.

Hlađenje obradaka u različitim postupcima toplinske obrade izvodi se različitim brzinama. Pri žarenju hlađenje treba biti sporo, a kod očvršćavanja nekih čelika, naprotiv, vrlo brzo. Brzina hlađenja regulira se upotrebom različitih rashladnih medija.

Hlađenje obradaka peći, oni. vrlo sporo, koristite tijekom žarenja. Za sve ostale postupke toplinske obrade hlađenje se izvodi bržom brzinom. Zračno hlađenje koristiti na normalizacija, a također i kod kaljenja čelika s vrlo visokom otvrdnjavanjem (zrakom očvrsnuti čelici).

Minimalna dopuštena brzina hlađenja tijekom otvrdnjavanja čelika (što je niža brzina, to je niža vrijednost naprezanja kaljenja, vidi 11.6 i sl. 11.16) određuje se njihovom otvrdnjavanjem. Što je veća otvrdnjavanje čelika, to se hlađenje kaljenjem može sporije izvesti (vidi sliku 5.22), pa se za različite čelike koriste tekućine za kaljenje koje osiguravaju različite brzine hlađenja.

Hlađenje (kaljenje) srednje mora osigurati visoku brzinu hlađenja na temperaturama najniže stabilnosti prehlađenog austenita (650 ... ... 550 ° C, vidi sliku 5.7) kako bi se spriječilo njegovo raspadanje. Suprotno tome, u temperaturnom području martenzitne transformacije (Mn ... Mk) preporučljivo je polagano hlađenje radi smanjenja naprezanja pri gašenju. Karakteristike medija za stvrdnjavanje koji se najčešće koriste u praksi toplinske obrade dane su u tablici. 15.2.

Tablica 15.2

Brzina hlađenja u raznim medijima za gašenje

Voda i vodene otopine Jesu li jeftini i rašireni hladnjaci. Njihova je prednost velika brzina hlađenja u području minimalne stabilnosti prehlađenog austenita; nedostatak je također velika brzina hlađenja u području martenzitne transformacije (vidi tablicu 15.2). Upotreba ovih medija povećava otvrdnjavanje, ali povećava vjerojatnost deformacije i pucanja. Voda se koristi za kaljenje ugljičnih čelika.

Kad se ugasi u vodi, može se pojaviti mješavina tvrdoće (vidjeti 5.2.2). Da bi se spriječilo to odbacivanje, vodene otopine soli i lužine, koje imaju višu temperaturu isparavanja, koriste se kao tekućine za gašenje. Ali istodobno, 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 i deformacija kaljenja. Međutim, hlađenje u rasponu minimalne stabilnosti prehlađenog austenita usporava (vidi tablicu 15.2.), Pa se ulja koriste za gašenje legiranih čelika s većom otpornošću.

Emulzija ulje u vodi (emulzije se sastoje od najmanjih suspendiranih kapljica ulja u vodi) i voda s temperaturom 30 ... 40 ° C smanjuje brzinu hlađenja u rasponu 650-550 ° C (vidi tablicu 15.2), a time i vjerojatnost deformacija, istodobno smanjujući otvrdnjavanje. Ti se mediji koriste za HFC stvrdnjavanje, kada treba samo očvrsnuti površinu dijela.

Za čelike s dubokom otvrdnjavanjem koristi se medij za stvrdnjavanje zrak - tiho, koje pruža vrlo malu brzinu hlađenja ili pod pritiskom kada je potrebno brže hlađenje (vidi tablicu 15.2). U oba su slučaja naprezanja za gašenje niska.

Hlađenje ispod metalne ploče javlja se i pri malim brzinama (vidi tablicu 15.2). Ova tehnologija kombinira otvrdnjavanje s ravnanjem (korekcija oblika) i praktički uklanja deformacije.

Pri gašenju dijelova velike veličine upotrijebite smjese voda-zrak. Oni se dijelom napajaju kroz posebne mlaznice. Kapacitet hlađenja smjese može se prilagoditi promjenom količine vode u njoj i tlaka zraka.

Koristite kao rashladne tekućine vodene otopine polimera omogućuje vam promjenu brzine hlađenja u širokom rasponu - između brzina hlađenja u vodi i u ulju. Koriste se za volumetrijsko i površinsko otvrdnjavanje.

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

Struktura i svojstva kaljenog čelika uvelike ovise ne samo o temperaturi zagrijavanja, već i o brzini hlađenja. Stvaranje ugašenih struktura posljedica je prehlađenja austenita ispod linije PSK, gdje je njegovo stanje nestabilno. Povećavanjem brzine hlađenja moguće je osigurati njegovo prehlađivanje na vrlo niske temperature i pretvoriti ga u različite strukture s različitim svojstvima. Transformacija prehlađenog austenita može se nastaviti kontinuiranim hlađenjem i izotermičkim tijekom držanja na temperaturama ispod točke Ar1 (tj. Ispod linije PSK).

Utjecaj stupnja prehlađenja na stabilnost austenita i brzinu njegove transformacije u različite proizvode prikazani su grafički u obliku dijagrama u koordinatama "temperatura-vrijeme". Kao primjer, razmotrimo takav dijagram za čelik eutektoidnog sastava (slika 3). Izotermna razgradnja prehlađenog austenita u ovom čeliku događa se u temperaturnom rasponu od Ar1 (727 ° C) do Mn (250 ° C), gdje je Mn temperatura početka martenzitne transformacije. Martenzitna transformacija u većini čelika može se dogoditi samo uz kontinuirano hlađenje.

Slika 3 Dijagram razgradnje austenita za čelik s eutektoidnim sastavom.

Dijagram (vidi sliku 3) prikazuje dvije crte u obliku slova "C", takozvane "C-krivulje". Jedan od njih (lijevo) označava vrijeme početka razgradnje prehlađenog austenita pri različitim temperaturama, drugi (desno) - vrijeme završetka razgradnje.U području smještenom lijevo od crte početka razgradnje nalazi se prehlađeni austenit. Između C-krivulja nalazi se i austenit i njegovi proizvodi raspadanja. Napokon, s desne strane kraja linije raspadanja postoje samo proizvodi transformacije.

Transformacija prehlađenog austenita na temperaturama od Ar1 do 550 ° C naziva se perlit. Ako se austenit prehladi na temperature od 550 ... Mn, njegova se transformacija naziva srednjom.

Kao rezultat perlitne transformacije nastaju lamelarne strukture tipa perlita, koje su ferit-cementitne smjese različite disperzije. Povećanjem stupnja prehlađenja povećava se broj centara u skladu s općim zakonima kristalizacije. Veličina stvorenih kristala se smanjuje, tj. povećava se disperzija smjese ferit-cementita. Dakle, ako se transformacija dogodi na temperaturama u rasponu Ar1 ... 650 ° C, nastaje gruba smjesa ferit-cementita, koja se naziva sam perlit. Struktura perlita je stabilna, t.j. nepromijenjena tijekom vremena na sobnoj temperaturi.

Sve ostale strukture nastale na nižim temperaturama, t.j. kod hipotermije austenita oni su metastabilni. Dakle, kada se austenit prehladi na temperature od 650 ... 590 ° C, on se pretvara u finu feritno-cementitnu smjesu koja se naziva sorbitol.

Na još nižim temperaturama od 590 ... 550 ° C nastaje trostit - izuzetno raspršena smjesa ferit-cementita. Navedene podjele bisernih struktura u određenoj su mjeri proizvoljne, budući da se disperzija smjesa monotono povećava sa smanjenjem temperature pretvorbe. Istodobno se povećava tvrdoća i čvrstoća čelika. Dakle, tvrdoća perlita u eutektičnom čeliku je 180 ... 22-HB (8 ... 19 HRC), sorbitol - 250 ... 350 HB (25 ... 38 HRC), trostit - 400 ... 450 HB (43 ... 48HRC).

Kad se austenit prehladi na temperature od 550 ... MN, on se raspada stvaranjem bainita. Ta se transformacija naziva intermedijarnom, jer se za razliku od perlita djelomično odvija prema takozvanom martenzitnom mehanizmu, što dovodi do stvaranja smjese cementita i ferita donekle prezasićenih ugljikom. Bainitsku strukturu karakterizira velika tvrdoća 450 ... 550 HB.

Slika 4 Dijagram razgradnje austenita za hipoeutektoidni (a) i hipereutektoidni (b) čelik.

Na dijagramima razgradnje austenita za hipoeutektoidni i hipereutektoidni čelici (slika 4.) nalazi se dodatni redak koji prikazuje vrijeme početka odvajanja viška kristala ferita ili cementita od austenita. Oslobađanje ovih suvišnih struktura događa se samo uz malu hipotermiju. Sa značajnim prehlađenjem, austenit se pretvara bez prethodnog odvajanja ferita ili cementita, a u tom se slučaju sadržaj ugljika u rezultirajućoj smjesi razlikuje od eutektoida.

U slučaju kontinuiranog hlađenja austenita različitim brzinama, njegova se transformacija ne razvija pri konstantnoj temperaturi, već u određenom temperaturnom rasponu. Kako bismo odredili strukture koje proizlaze iz kontinuiranog hlađenja, na dijagramu razgradnje austenita (slika 5.) ucrtati ćemo krivulje brzine hlađenja uzoraka ugljikovog eutektoidnog čelika.

Iz ovog je dijagrama vidljivo da se pri vrlo niskoj brzini hlađenja V1, koja se osigurava hlađenjem zajedno s peći (na primjer, tijekom žarenja), dobiva biserna struktura. Pri brzini od V2 (u zraku), transformacija se odvija na nešto nižim temperaturama. Formirana je biserna struktura, ali više raspršena. Taj se postupak naziva normalizacija i široko se koristi za nisko-ugljične čelike (ponekad za srednje-ugljične čelike) umjesto žarenja kao omekšavanja.

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

Brzinom V3 (hlađenje u ulju), transformacija austenita odvija se na temperaturama tako da se dobije sorbitolna struktura, a ponekad i trska.

Ako se austenit hladi vrlo velikom brzinom (V4), tada se prehladi na vrlo nisku temperaturu, koja je na dijagramima označena kao Mn. Ispod ove temperature dolazi do difuzijske martenzitne transformacije, što dovodi do stvaranja martenzitne strukture. Za ugljične čelike ovu brzinu hlađenja osigurava, na primjer, voda

U općenitom slučaju, minimalna brzina hlađenja pri kojoj se sav austenit prehladi na temperaturu Mn i pretvara u martenzit naziva se kritična brzina gašenja. Na slici 5. označen je kao Vcr i tangenta je na C-krivulju. Kritična brzina kaljenja najvažnija je tehnološka karakteristika čelika. Određuje izbor rashladnog medija za dobivanje martenzitne strukture.

Vrijednost kritične brzine kaljenja ovisi o kemijskom sastavu čelika i nekim drugim čimbenicima. Na primjer, u nekim legiranim čelicima čak i zračno hlađenje omogućuje brzinu veću od kritične.

Prilikom kaljenja za martenzit potrebno je uzeti u obzir da ova struktura ima veliki specifični volumen i njezino stvaranje prati i zamjetan porast volumena kaljenog proizvoda i nagli porast unutarnjih naprezanja, što zauzvrat dovodi do deformacije ili čak do stvaranja pukotina. Sve to, u kombinaciji s povećanom krhkošću martenzita, zahtijeva dodatnu toplinsku obradu očvrslih dijelova - postupke kaljenja