Влияние легирующих элементов на прокаливаемость стали

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Закалкой называется нагрев стали выше критических точек, изотермическую выдержку и охлаждение с высокой скоростью в специальной среде – охладителе ( вода, водные растворы солей или щелочей, индустриальное масло ). Цель закалки – получение максимальной прочности и твердости. Различают полную и неполную закалку. Температура нагрева доэвтектоидной стали под закалку соответствует температуре полного отжига, а заэвтектоидной стали – температуре неполного отжига. В последнем случае сознательно оставляют в структуре нагретой стали цементит, как твердую фазу, конкурирующую по твердости с мартенситом (основной структурой закалки).

Закаливаемость — способность стали получать высокую твердость при закалке, что обеспечивается получением структуры мартенсита. Закаливаемость измеряется в единицах твердости и зависит, главным образом, от содержания углерода (рис. 1). Твердость мартенсита зависит от содержания в нем углерода. Твердость закаленной стали увеличивается пропорционально содержанию в ней углерода, но, начиная с 0,7 % С, твердость закаленной стали остается постоянной (HRC 63 — 65). Это объясняется тем, что закалка всех заэвтектоидных сталей производится с одной температуры (780°С), а поэтому у всех заэвтектоидных сталей состав аустенита при температуре закалки и состав мартенсита после закалки будет одинаков. У заэвтектоидных сталей с увеличением содержания углерода увеличивается количество вторичного цементита после закалки, что должно бы способствовать повышению твердости, но одновременно с этим увеличивается количество остаточного аустенита после закалки, а это ведет к снижению твердости. Поэтому твердость всех закаленных заэвтектоидных сталей практически остается постоянной.

Рис. 1. Влияние содержания углерода на закаливаемость стали:

а— твердость закаленной стали; б— твердость мартенсита

Прокаливаемость — способность стали воспринимать закалку на большую или меньшую глубину, которая определяется твердостью полумартенситной зоны (рис. 2). Прокаливаемость измеряется в единицах длины (мм) и зависит от критической скорости закалки. Чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость стали. Все факторы, которые увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки, способствуют увеличению прокаливаемости. Наличие легирующих элементов и примесей, растворяющихся при нагреве в аустените, увеличение содержания углерода до 0,8 %, а также рост размера зерна аустенита повышают прокаливаемость стали. Легирующие элементы при температуре закалки в виде карбидов, интерметаллидов и других фаз, создающих неоднородность аустенита, уменьшают прокаливаемость стали.

Рис. 2. Твердость углеродистой стали, имеющей в структуре после закалки 50% мартенсита и 50% троостита

Из диаграмм изотермического распада аустенита углеродистой и легированной стали (рис. 3) видно, что при одинаковых скоростях охлаждения, сквозную закалку приобретает легированная сталь. Свойства ее по сечению после закалки одинаковые.

Рис. 3. Влияние прокаливаемости на механические свойства углеродистой (а) и легированной (б) стали (схема):

1 — распределение твердости по сечению образца после закалки;
2 — распределение механических свойств у тех же образцов стали после улучшения (закалки и высокого отпуска)

Несквозная прокаливаемость является следствием того, что сердцевина детали охлаждается со скоростью, меньше критической. Поэтому в сердцевине аустенит распадается на феррито-цементитную смесь. В сечениях же, где скорость охлаждения выше критической, аустенит превратится в мартенсит. Свойства по сечению такой закаленной стали неодинаковые.

Прокаливаемость является весьма важным фактором, определяющим свойства и область применения стали. Высокая прокаливаемость позволяет получить высокие механические свойства стали в массивных сечениях детали после термической обработки. Это особенно важно для ответственных деталей и конструкций, которые подвергаются термическому улучшению, т.е. закалке и высокому отпуску.

Количественной характеристикой прокаливаемости является критический (реальный) диаметр. Реальным или действительным критическим диаметром называют тот наибольший диаметр образца, при котором конструкционная сталь в данном охладителе прокаливается полностью, т.е. в центре образца твердость соответствует твердости полумартенситной зоны (зоны, состоящей из 50% мартенсита и 50% троостита). Критический диаметр, кроме критической скорости закалки стали, зависит от закаливающей среды.

Чтобы прокаливаемость не ставить в зависимость от способа (среды) охлаждения, вводится теоретическое понятие об идеальном критическом диаметре. Идеальный критический диаметр — это такой диаметр образца, у которого в центре при закалке в идеально охлаждающей жидкости получается полумартенситная структура. Идеально охлаждающая жидкость — это жидкость, отнимающая тепло с поверхности с бесконечно большой скоростью. Идеальный критический диаметр находится методом торцевой закалки.

Влияние легирования на прокаливаемость стали

Улучшаемые легированные стали

Улучшение (термическое улучшение) – это двойная термическая обработка, включающая в себя закалку с последующим высоким отпуском. Позволяет существенно улучшить общий комплекс механических свойств и является основным видом термической обработки конструкционных сталей.

Закалка – это термическая обработка, которая включает нагрев стали/сплава до температур выше фазовых превращений (для доэвтектоидных выше точки А_С3; для заэвтектоидных выше точки А_С1), выдержку при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью, превышающей критическую. В результате быстрого охлаждения при закалке фиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур.

Закалка является упрочняющей термической обработкой.

Отпуск – заключительная термическая операция, состоящая в нагреве закаленной стали/сплава ниже температур фазовых превращений, выдержке и охлаждения на воздухе. Цель отпуска – получение более равновесной структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности, создание требуемого комплекса эксплуатационных свойств стали.

Различают три вида отпуска:

– низкий отпуск проводят при температурах 150 – 250 о С. При этом из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших частиц карбидов. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода остается в мартенсите. Цель низкого отпуска – снижение внутренних напряжений, уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости детали или изделия. Структура стали в результате низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска или мартенсит отпуска и вторичный цементит. Закалке и низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также изделия, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

Средний отпуск проводят при температуре 350 – 450 о С. При этом из мартенсита уже выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито – цементитную смесьс очень мелкими, в виде игл , частицами цементита, которая называется трооститом отпуска.

При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшения сопротивляемости действию ударных нагрузок. Закалку и средний отпуск проводят для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры 550 – 680 о С. Цель высокого отпуска – достижение оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости. Структура стали после закалки и высокого отпуска – сорбит отпуска (мелкая смесь феррита и зернистого цементита, более крупного по сравнению с цементитом троостита отпуска). Термическая обработка, состоящая из закалки и последующего высокого отпуска, является основным видом термической обработки изделий из конструкционных сталей, подвергающихся в процессе эксплуатации действию высоких напряжений и ударных знакопеременных нагрузок. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением.

Для наиболее ответственных тяжелонагруженных деталей применяют легированные стали, подвергаемые закалке с отпуском. В зависимости от требуемого уровня свойств выбирают температуру отпуска. Низкий отпуск (t = 200 – 250 о С) обеспечивает высокие прочностные характеристики и низкие значения пластичности и вязкости. Однако наиболее часто в машиностроении применяют операцию улучшения, сочетающую в себе закалку и высокий отпуск при 550 – 680 о С. Такая термическая обработка обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и малой склонностью к хрупким разрушениям. Легирующие элементы, влияя на процессы, происходящие при закалке и отпуске, будут существенно влиять и на механические свойства улучшаемой стали.

Легирующие элементы определяют размер зерна аустенита, его устойчивость при переохлаждении, структуру мартенсита, свойства феррита и карбидной фазы, а также другие факторы. Таким образом, осуществляется и их влияние на механические свойства стали.

В улучшаемых конструкционных сталях легирующие элементы прежде всего должны обеспечить необходимую прокаливаемость и требуемые механические свойства после отпуска.

Влияние легирования на прокаливаемость стали

Прокаливаемость стали определяется устойчивостью переохлажденного аустенита, сечением изделия и скоростью охлаждения. При достижении в определенном сечении изделия скорости охлаждения больше критической после закалки получается структура мартенсита. При меньших скоростях охлаждения наряду с мартенситом могут получаться структуры бейнита (верхнего и нижнего), а также продукты перлитного превращения. Кроме того, наряду с мартенситом после закалки может присутствовать и остаточный аустенит.

Наиболее часто прокаливаемость стали определяют методом торцовой закалки, строя кривые прокаливаемости. Поскольку отдельные плавки каждой стали имеют несколько различающиеся значения прокаливаемости (сказывается влияние колебаний химического состава, размера зерна и др. металлургических факторов) сталь каждой марки характеризуется в целом не одной кривой, а полосой прокаливаемости. По полосе прокаливаемости определенной стали можно установить значения критической скорости охлаждения при закалке и критические диаметры (диаметр максимального сечения, прокаливающегося насквозь в данной охлаждающей среде).

Все легирующие элементы, кроме кобальта, повышают прокаливаемость стали. Влияние легирующих элементов на прокаливаемость стали, так же как и на устойчивость переохлажденного аустенита не может быть просуммировано, а эффективность действия какого – либо элемента зависит от комбинации и количества легирующих элементов в каждой стали. Наилучшая прокаливаемость стали достигается при комплексном легировании.

Сильные карбидообразующие элементы (V, Nb, Ti) могут оказывать двоякое влияние на прокаливаемость. Они увеличивают прокаливаемость, если растворены в аустените, и уменьшают ее, если связаны в карбиды или карбонитриды. Обычно в конструкционные улучшаемые стали эти элементы вводят в небольших количествах (

0,1%) с целью обеспечения мелкозернистой структуры, поэтому их влияние на прокаливаемость относительно невелико.

Особо сильное влияние на увеличение прокаливаемости конструкционных сталей с содержанием 0,2 – 0,4 %С оказывает ок. 0,003 % В. Ему эквивалентны

1% Ni, 0,5 % Mn, 0,2 % Mo. При содержании более 0,003% В прокаливаемость не увеличивается, наступает горячеломкость стали. При содержании мене 0,001% В его влияние на прокаливаемость незаметно. Перед введением бора сталь хорошо раскисляют алюминием и связывают азот в нитриды введением титана.

Механизм влияния малых добавок бора на прокаливаемость заключается в том, что бор как поверхностно – активный элемент, концентрируясь на границах зерен аустенита, препятствует зарождению здесь феррита при g a – превращении.

Дата добавления: 2018-09-24 ; просмотров: 1404 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Прокаливаемость сталей: влияние легирования

Известно, что активные легирующие элементы стали, такие как хром и молибден, образуют в ней карбиды. Это значит, что эти элементы будут стремиться войти в карбидную часть перлита и бейнита при их образовании из аустенита.

Диффузия углерода при распаде аустенита: от 0,8 % до 0,02 % и 6,7 %

Когда некоторый объем аустенита превращается в перлит или бейнит в обыкновенных углеродистых сталях, то атомы углерода должны перестраиваться из однородного распределения, которое они имеют в аустените. В уже превращенном из аустенита объеме может вообще не быть углерода (0,02 %) в ферритном участке и быть 6,7 % углерода в цементитном участке. Это перераспределение атомов происходит за счет диффузии.

Труднее диффузия – медленнее распад аустенита

Точно также при превращении аустенита легированной стали легирующие атомы, например, хрома и марганец, также должны перераспределиться из однородного распределения в аустените до высокого содержания в карбидах и низкого – в феррите. Однако диффузионное перераспределение для легирующих элементов намного труднее, для углерода. Дело в том, что у них коэффициент диффузии намного меньше, чем у углерода. Поэтому присутствие легирующих элементов в стали затрудняет образование перлита и бейнита. Соответственно кривые начала перлитного и бейнитного превращений на диаграммах превращения аустенита – изотермического и непрерывного – будут сдвигаться вправо, в более, так сказать, поздние времена.

Все легирующие добавки в стали, кроме кобальта, сдвигают кривые начала образования феррита, перлита и бейнита на диаграммах изотермического превращения вправо.

Влияние никеля на прокаливаемость стали

Однако известно, что, например, никель довольно таки неактивный элемент, а тоже замедляют скорость образования перлита и бейнита. В этом случае причина заключается во влиянии никеля на фазовую диаграмму. Просто это невозможно объяснить. Однако конечный результат легко запомнить: почти все легирующие элементы в стали замедляют распад аустенита с образованием феррита, перлита или бейнита.

Как хром замедляет превращение аустенита

На рисунке ниже показано сравнение диаграмм изотермического превращения аустенита для двух американских сталей — углеродистой стали 1060 и легированной стали 5160 (аналоги наших сталей 60Г и 50ХГА) – с различным содержанием хрома. Можно сказать, что сталь 5160 – это та же сталь 1060, но с добавлением 0,8 % хрома.

а) б)

где: широкая область феррита

область аустенита

область феррита

а). При введении элементов аустенизаторов свыше концентрации сталь становится однофазной и имеет структуру феррита вплоть до температуры плавления

(это стали ферритного класса).

б). При содержании элементов аустенизаторов свыше концентрации в стали отсутствуют полиморфные превращения. Структура стали- аустенит. (это стали аустенитного класса).

В сталях ферритного и аустенитного класса отсутствуют фазовые превращения в твердом состоянии, поэтому их нельзя упрочнять термообработкой.

§. Влияние легирующих элементов на свойства феррита.

Легирующие элементы: марганец никель кремний молибден хром при взаимодействии с железом образуют твердые растворы замещения (замещают атомы железа в решетке ОЦК). Из-за разности атомных радиусов железа и легирующих элементов в кристаллической решетке возникают искажения и образуются напряжения поэтому твердость возрастает , прочность возрастает, а пластичность падает,.

Таким образом можно проводить упрочнение сталей ферритного класса, легируя их дешевыми элементами без применения термообработки.

§. Понятие закаливаемости и прокаливаемости стали.

Закаливаемость- способность стали повышать твердость при закалке (пример- – закаливающаяся сталь,).

Прокаливаемость- способность стали приобретать мартенситную структуру в результате закалки.

Прокалеваемость характеризуется глубиной проникновения закаленного слоя.

§. Влияние легирующих элементов на прокалеваемость.

У углеродистых сталей глубина проникновения, что мало. Задача- чтобы мартенсит насквозь проник от поверхности к сердцевине и образовалась равнопрочная структура (то есть так называемая сквозная прокаливаемость).

Легирующие элементы (кроме кобальта) повышают прочность стали в закаленном состоянии за счет увеличения глубины проникновения закаленного слоя то есть увеличивают прокалеваемость.

В легированной стали глубина проникновения мартенсита больше.

При введении легирующих элементов критическая скорость закалки уменьшается, а глубина закаленного слоя растет, то есть увеличивается прокаливаемость .

Особенно сильно увеличивают прокалеваемость (но они обязательно должны быть только в твердом растворе, так как карбиды в чистом виде уменьшают прокаливаемость). Поэтому при термообработке добиваются растворения карбидов в аустените.

Как показывает статистика, для легированных сталей выдержка под закалку больше, чем для углеродистых (чтобы равномерно растворить карбиды в аустените).