Реферат: Основы термической обработки сталей
Следует, однако, иметь в виду, что в промышленных сплавах, например в сталях, нет в чистом виде твердых растворов замещения и внедрения. Даже простые углеродистые стали представляют собой сложные многокомпонентные сплавы, в которых образуются твердые растворы внедрения на базе твердых растворов замещения.
Химические соединения - такие фазы, которым можно приписать простые стехиометрические формулы. Они имеют обычно сложную кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, тип которой отличается от решеток входящих в них компонентов. Состав химических соединений, в отличие от тверды растворов, постоянный и не изменяется с изменением температуры. Поэтому на диаграммах состояния химические соединения показывают вертикальной прямой линией.
Свойства химических соединений всегда сильно отличаются от свойств входящих в них компонентов.
В сталях наибольший интерес представляет химическое соединение Fe3 C, обладающее высокой твердостью и хрупкостью.
При рассмотрении сплавов в микроскоп видны структурные составляющие . Структурными составляющими называют участки сплава, которые выглядят одинаково (светлыми, темными, пестрыми). Структурные составляющие выявляют путем травления полированных образцов-шлифов кислотами или другими реактивами. Структурные составляющие могут состоять из одной или нескольких фаз.
Все сплавы в твердом состоянии могут состоять из следующих структурных составляющих:
1. Кристаллов твердых растворов,
2. Кристаллов химических соединений,
3. Механической смеси кристаллов различных типов (кристаллов чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений).
При образовании механических смесей особо выделяют однородные механические смеси, которые являются самостоятельными структурными составляющими и при рассмотрении в микроскоп выглядят однородными участками.
Если однородная механическая смесь образовалась при кристаллизации из жидкого состояния, то она называется эвтектикой. Например, при кристаллизации белого чугуна содержащего 4,3%С образуется эвтектика (однородная механическая смесь состоящая из аустенита и цементита), которая имеет специальное название ледебурит .
Если однородная механическая смесь кристаллов образовалась в твердом состоянии, то она называется эвтектоидом . Например, в углеродистой стали содержащей 0,83%С при охлаждении ниже 7230 аустенит распадается на феррит и цементит. Такая однородная механическая смесь в сталях имеет специальное название - перлит .
1.4. Превращения в стали при нагреве
Термическая обработка стали состоит в нагреве до определенной температуры, выдержке и охлаждении с определенной скоростью.
При кажущейся простоте этих операций в процессе их выполнения в стали протекают сложные процессы, которые и определяют свойства после термической обработки.
На рис. 3. Показан фрагмент диаграммы Fe-C, где находятся углеродистые стали. Линии на диаграмме имеют специальные обозначения. Линия А1 (7230 ) показывает начало образования аустенита при нагреве, линия А3 - конец образования аустенита, линия Аст - конец растворения цементита в аустените.
После медленного охлаждения, а диаграмма и построена при медленном охлаждении, структуры стали в зависимости от содержания углерода будут различными.
| %С | Название | Структура |
| 0-0,02 | Бесперлитные стали | Ф, Ф+Ц |
| 0,02-0,83 | Доэвтектоидные стали | Ф+П |
| 0,83 | Эвтектоидная сталь | П |
| 0,83-1,3 | Заэвтектоидные стали | П+Ц |
Рассмотрим процессы происходящие при нагреве эвтектоидной стали. При нагреве стали выше А1 перлит превращается в аустенит. Этот процесс протекает в 2 этапе.
1. Кристаллическая решетка феррита (ОЦК) перестраивается в решетку аустенита (ГЦК)
2. Цементит растворяется в аустените
Первый этап протекает достаточно быстро. Второй требует определенного времени (на диффузию атомов углерода из Fe3 C в аустенит). Время это тем меньше, чем больше разница между А1 и фактической температурой нагрева.
Например при 7400 П ® А за 8 мин., при 7800 за 2 минуты.
Продолжительность этого этапа зависит и от размера частиц цементита - чем они меньше, тем быстрее они растворяются в аустените.
Процесс превращения перлита в аустенит протекает путем зарождения в перлите многочисленных зерен аустенита и последующего их роста. Процесс заканчивается, когда зерна аустенита полностью заполняют объем исходного перлитного зерна (см.рис.4). Размер образовавшихся аустенитных зерен (начальное зерно аустенита) будет намного меньше исходного перлитного зерна.
При дальнейшем повышении температуры зерна аустенита растут путем перемещения границ, а число зерен естественно уменьшается.
Склонность к росту зерна аустенита при нагреве у разных сталей различна. Если сталь содержит в своем составе только Si и Mn, то зерно начинает расти уже при сравнительно невысоких температурах 800 – 9000 .
Если же сталь содержит сильные карбидо и нитридообразующие элементы (Al, Y, Ti), то зерно существенно не растет до более высоких температур, а затем при 950 – 10000 резко увеличивает свои размеры. Такие стали называют наследственно мелкозернистыми. Поведение наследственно мелкозернистых сталей при нагреве объясняется тем, что присутствующие в них частички AlN, VN, VC, TiN, TiC препятствуют перемещению границ зерен. Однако, когда, при достижении определенных температур, происходит растворение этих фаз, зерно растет быстро - скачком.
Размер зерен аустенита существенно влияет на размер зерен, которые получаются при охлаждении. Поэтому всегда стремятся, чтобы зерно аустенита при нагреве не успело вырасти.
Сильный рост зерна аустенита при нагреве называется перегревом стали (см.рис.4.2). Перегрев можно исправить последующей правильной термообработкой.