6.2.2. Перлитное превращение

Перлитное превращение идет при переохлаждении аустенита в диапазоне температур 727˚С...500˚С. При этом происходит распад аустенита на феррито-цементитную смесь:

А_0,8%С→Ф_0,02%С+Ц_6,67%С.

Механизм перлитного превращения – диффузионный и включает два процесса:

• диффузионное перераспределение углерода, приводящее к образованию цементита;

• полиморфное превращение Fe_γ→Fe_α (ГЦК→ОЦК) с образованием феррита.

В итоге образуется феррито-цементитная смесь пластинчатого строения. В зависимости от температуры переохлаждения образуются феррито-цементитные смеси, отличающиеся степенью дисперсности (межпластинчатым расстоянием Δ₀): перлит, сорбит, троостит (табл. 2). С увеличением степени переохлаждения увеличивается дисперсность структур, повышается прочность и твёрдость. Наибольшей пластичностью и вязкостью обладает структура сорбита.

Таблица 2

Продукты перлитного превращения

Ф-Ц смесь	tпереохлаждения, °С	Структура	Межпластинчатое расстояние Δ0, мкм	Твердость, НВ
Перлит	А1…650		0,6…1,0	180…250

1. Закалка стали. Обосновать выбор температуры нагрева под закалку до- и заэвтектоидных сталей. Среды для нагрева и охлаждения под закалку.

Закалка – нагрев доэвтектоидной стали на 30..50°С выше А_С3, заэвтектоидной - на 30..50°С выше А_С1, выдержка и последующее охлаждение со скоростью выше критической (Рис. 38, 42). Цель закалки – получение структуры мартенсита.

Структуры сталей после закалки:

• доэвтектоидных - М+А_ОСТ,

• эвтектоидной - М+А_ОСТ,

• заэвтектоидных – М+А_ОСТ+Ц_II.

Рис. 42. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe₃C с нанесенными температурами нагрева под закалку

В качестве закалочных сред применяются: вода, водные растворы солей и щелочей, минеральное масло. Охлаждающая среда должна обеспечивать скорость охлаждения стали выше критической в области наименьшей устойчивости аустенита. В диапазоне температур мартенситного превращения скорость охлаждения желательно замедлить, чтобы уменьшить внутренние напряжения, возникающие при переходе аустенита в мартенсит, и предотвратить возникновение закалочных дефектов. Для углеродистых и низколегированных сталей применяют воду и водные растворы NaCl, NaOH. Для легированных сталей применяют минеральное масло.

Закалка, как правило, не является окончательной термообработкой, после нее следует отпуск.

Задача: Термообработка готового инструмента из стали Р18: закалка + трехкратный низкий отпуск. Температура нагрева под закалку 1270…1290С обеспечивает наиболее полное растворение вторичных карбидов и получение высоколегированного аустенита. Охлаждение в масле приводит к получению структуры, состоящей из высоколегированного мартенсита, нерастворенных карбидов первичных и остаточного аустенита (25…30%). Остаточный аустенит снижает режущие свойства стали, и поэтому его повышенное количество в готовом инструменте недопустимо. Проводимый после закалки трехкратный низкий отпуск при температуре 550…570С снижает количество остаточного аустенита: на каждой стадии отпуска происходит выделение вторичных карбидов, это уменьшает легированность аустенита, который при охлаждении претерпевает превращение в мартенсит. Окончательная структура инструмента – М_отп+карбиды+А_ост (1-2%).

Билет № 33

1. Циклические испытания металлов. Кривая усталости. Предел выносливости. Пути повышения предела выносливости.

Многие детали машин (валы, шестерни и др.) работают в условиях знакопеременных (циклических) нагрузок. Разрушение детали под действием циклических нагрузок называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью, которая характеризуется пределом выносливости σ_-1.

Усталостные испытания проводят на машинах, создающих в образцах циклические изменения напряжения. Проводят серию испытаний при последовательно уменьшающихся нагрузках, начиная с σ₁=0,6σ_В, при этом определяют число циклов N до разрушения. По результатам испытаний строят кривую усталости σ=f(N) (рис.11) и определяют предел выносливости, σ_-1 – максимальное напряжение, которое выдерживает образец без разрушения бесконечное или базовое число циклов. Для стали за базу принимают 10⁷ циклов. Предел выносливости зависит от состояния поверхности и размера зерна: при полированной поверхности значение σ_-1 максимально, при шлифованной – меньше на 10…15%. Чем мельче зерно, тем выше σ_-1. Для повышения σ_-1 применяют методы поверхностного упрочнения.

Рис. 11. Построение кривой усталости

Превращение аустенита в мартенсит при охлаждении. Особенности этого превращения. Строение и свойства мартенсита. Влияние углерода и легирующих элементов на температуру М_Н и М_К

Мартенситное превращение протекает в интервале температур М_н-М_к (рис. 33).

Механизм мартенситного превращения – бездиффузионный. При непрерывном быстром охлаждении аустенита со скоростью выше критической (V_КР - критическая скорость закалки – минимальная скорость охлаждения для получения мартенсита) диффузии углерода не происходит, идет только полиморфное γ→α превращение:

Feγ(C)0,8%C→ Feα(C)0,8%C.

Образуется мартенсит – пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.

Кристаллическая решётка мартенсита - тетрагональная (Рис.34), в ней отношение периодов с/а≠1. Чем больше в мартенсите углерода, тем больше степень тетрагональности (с/а).

Рис.34. Кристаллическая решетка мартенсита

Мартенсит – структура закаленной стали, обладает высокой твердостью. Это объясняется искажениями кристаллической решётки, вызванными повышенным содержанием в ней углерода, увеличением плотности дислокаций до 10¹²см^-2. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Твердость мартенсита стали с содержанием углерода 0,8% – 63…65 HRC.

Мартенсит имеет игольчатое строение (рис. 35).

Рис. 35. Строение мартенсита: а – схема, б – микроструктура

Основные особенности мартенситного превращения:

• превращение А→М идет по бездиффузионному механизму;

• превращение А→М идёт с увеличением объёма, что вызывает значительные остаточные напряжения;

• мартенситное превращение не идёт до конца, в структуре сохраняется остаточный аустенит (А_ОСТ).

Количество А_ОСТ зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали, которые влияют на положение точек начала и конца мартенситного превращения (рис. 36). При содержании углерода более 0,6% М_К опускается в область отрицательных температур. Чем больше углерода и легирующих элементов, тем ниже М_Н и М_К и тем больше в структуре остаточного аустенита.

2. Улучшаемые стали. Состав, термическая обработка, получаемая структура, назначение.

. Улучшаемые стали – среднеуглеродистые, содержат 0,3…0,5% С. Применяются для деталей, работающих при ударных и циклических нагрузках: коленчатые и карданные валы, валы редукторов, оси, шатуны, шестерни и др.

Основная термообработка: улучшение (закалка + высокий отпуск). Структура: зернистый сорбит, который оптимально сочетает высокую прочность с высокой ударной вязкостью и выносливостью. Для малонагруженных деталей вместо улучшения проводится нормализация. Для деталей, работающих в условиях повышенного износа, после улучшения или нормализации проводят поверхностную закалку ТВЧ или азотирование.

Углеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50. Термообработка: улучшение (нормализация), структура сорбит отпуска зернистый (сорбит пластинчатый+феррит). Обладают малой прокаливаемостью, применяются для осей шестерен, фланцев, крепежных деталей.

Легированные стали:

Хромистые: 30Х, 40Х, 40ХФА. Термообработка: улучшение + закалка ТВЧ + низкий отпуск. Структура: на поверхности - М_ОТП+А_ОСТ, в сердцевине – С_ОТП. Применяются для шатунов, валов коробки передач, шатунных болтов, креплений маховика, крепежа и т.д.

Хромомарганцевые 40ХГ, 40ХГТР, хромоникелевые 45ХН, 40ХН2МА. Термообработка: улучшение, структура сорбит отпуска зернистый. Применение: валы, штоки, поршни, шаровые пальцы, шатуны, коленчатые валы.

Хромомарганцевокремниевые (хромансилы): 30ХГС, 35ХГСНА. Термообработка: изотермическая закалка или улучшение. Структура, соответственно, – нижний бейнит или сорбит зернистый. Применяются для шаровых пальцев, рычагов рулевого управления, шатунных болтов, креплений маховика и.т.д.

Хромоалюминиевые (нитраллои): 38Х2МЮА. Термообработка: улучшение+азотирование. Структура: на поверхности – карбонитриды легирующих элементов, в сердцевине – С_ОТП. Применяются для гильз цилиндров мощных двигателей, плунжеров топливной аппаратуры, игл форсунок.

Задача: