Термичната обработка на стоманата е най-мощният механизъм за влияние върху нейната структура и свойства. Базира се на модификации на кристалните решетки в зависимост от играта на температурите. Ферит, перлит, цементит и аустенит могат да присъстват в желязо-въглеродна сплав при различни условия. Последният играе основна роля във всички термични трансформации в стоманата.
Определение
Стомана е сплав от желязо и въглерод, в която съдържанието на въглерод е до 2,14% теоретично, но технологично приложимо го съдържа в количество не повече от 1,3%. Съответно всички структури, които се образуват в него под въздействието на външни влияния, също са разновидности на сплави.
Теорията представя тяхното съществуване в 4 варианта: проникващ твърд разтвор, изключващ твърд разтвор, механична смес от зърна или химично съединение.
Аустенитът е твърд разтвор на проникване на въглеродния атом в лицево-центричната кубична кристална решетка на желязото, наричана γ. Въглеродният атом се въвежда в кухината на γ-решетката на желязото. Размерите му надвишават съответните пори между Fe атомите, което обяснява ограниченото им преминаване през "стените" на основната структура. Образувани в процеситемпературни трансформации на ферит и перлит с повишаване на топлината над 727˚С.
Диаграма на желязо-въглеродни сплави
Графика, наречена диаграма на състоянието на желязо-цементит, изградена експериментално, е ясна демонстрация на всички възможни варианти за трансформации в стомани и чугуни. Специфичните температурни стойности за определено количество въглерод в сплавта образуват критични точки, в които възникват важни структурни промени по време на процесите на нагряване или охлаждане, те също образуват критични линии.
GSE линията, която съдържа точките Ac3 и Acm, представлява нивото на разтворимост на въглерода при повишаване на нивата на топлина.
| Таблица на разтворимостта на въглерода в аустенит спрямо температурата | |||||
| Температура, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Приблизителна разтворимост на C в аустенит, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Характеристики на образованието
Аустенитът е структура, която се образува при нагряване на стоманата. При достигане на критичната температура, перлитът и феритът образуват интегрална субстанция.
Опции за отопление:
- Униформа, докато се достигне необходимата стойност, къса експозиция,охлаждане. В зависимост от характеристиките на сплавта, аустенитът може да бъде напълно или частично образуван.
- Бавно повишаване на температурата, дълъг период на поддържане на достигнато ниво на топлина, за да се получи чист аустенит.
Свойства на получения нагрят материал, както и този, който ще се получи в резултат на охлаждане. Много зависи от постигнатото ниво на топлина. Важно е да предотвратите прегряване или прегряване.
Микроструктура и свойства
Всяка от фазите, характерни за желязо-въглеродните сплави, има своя собствена структура от решетки и зърна. Структурата на аустенита е ламелна, с форми, близки както до игловидна, така и до люспеста. При пълно разтваряне на въглерода в γ-желязо, зърната имат светла форма без наличието на тъмни цементитни включвания.
Твърдостта е 170-220 HB. Топлинната и електрическата проводимост са с порядък по-ниски от тези на ферита. Няма магнитни свойства.
Вариантите на охлаждане и неговата скорост водят до образуване на различни модификации на "студеното" състояние: мартензит, бейнит, троостит, сорбит, перлит. Те имат подобна игловидна структура, но се различават по дисперсия на частиците, размер на зърното и частици на цементит.
Ефект от охлаждането върху аустенита
Разлагането на аустенита става в същите критични точки. Ефективността му зависи от следните фактори:
- Скорост на охлаждане. Влияе върху естеството на въглеродните включвания, образуването на зърна, образуването на крайниямикроструктура и нейните свойства. Зависи от средата, използвана като охлаждаща течност.
- Наличие на изотермичен компонент в един от етапите на разлагане - при понижаване до определено температурно ниво се поддържа стабилна топлина за определен период от време, след което бързото охлаждане продължава или настъпва заедно с нагревателно устройство (пещ).
По този начин се разграничава непрекъсната и изотермична трансформация на аустенита.
Особености на характера на трансформациите. Графика №
C-образна графика, която показва естеството на промените в микроструктурата на метала във времевия интервал, в зависимост от степента на промяна на температурата - това е диаграмата на аустенитната трансформация. Истинското охлаждане е непрекъснато. Възможни са само някои фази на принудително задържане на топлина. Графиката описва изотермични условия.
Характерът може да бъде дифузионен и недифузионен.
При стандартни скорости на намаляване на топлината, аустенитното зърно се променя чрез дифузия. В зоната на термодинамична нестабилност атомите започват да се движат помежду си. Тези, които нямат време да проникнат в желязната решетка, образуват цементитни включвания. Към тях се присъединяват съседни въглеродни частици, освободени от техните кристали. Циментитът се образува по границите на разлагащите се зърна. Пречистените феритни кристали образуват съответните плочи. Образува се дисперсна структура - смес от зърна, чийто размер и концентрация зависят от скоростта на охлаждане и съдържаниетосплав въглерод. Образуват се също перлит и неговите междинни фази: сорбит, троостит, бейнит.
При значителни темпове на понижение на температурата, разлагането на аустенита няма дифузионен характер. Възникват сложни изкривявания на кристалите, в които всички атоми се изместват едновременно в равнина, без да променят местоположението си. Липсата на дифузия допринася за нуклеацията на мартензита.
Влияние на втвърдяването върху характеристиките на разлагането на аустенита. Мартензит
Втвърдяването е вид топлинна обработка, чиято същност е бързото нагряване до високи температури над критичните точки Ac3 и Acm, последвано от бързо охлаждане. Ако температурата се понижи с помощта на вода със скорост над 200˚С в секунда, тогава се образува твърда игловидна фаза, която се нарича мартензит.
Това е свръхнаситен твърд разтвор на проникване на въглерод в желязото с кристална решетка от типа α. Поради мощни измествания на атомите, той се изкривява и образува тетрагонална решетка, което е причина за втвърдяване. Образуваната структура има по-голям обем. В резултат на това кристалите, ограничени от равнината, се компресират, раждат се иглени плочи.
Мартензитът е здрав и много твърд (700-750 HB). Образува се изключително в резултат на високоскоростно закаляване.
Закаляване. Дифузионни структури
Аустенитът е формация, от която могат да се произвеждат изкуствено бейнит, троостит, сорбит и перлит. Ако охлаждането на втвърдяването настъпи припо-ниски скорости се извършват дифузионни трансформации, механизмът им е описан по-горе.
Troostite е перлит, който се характеризира с висока степен на дисперсия. Образува се при намаляване на топлината със 100˚С в секунда. Голям брой дребни зърна ферит и цементит се разпределят по цялата равнина. „Втвърденият” цементит се характеризира с ламеларна форма, а полученият в резултат на последващо темпериране троостит има зърнеста визуализация. Твърдост - 600-650 HB.
Бейнитът е междинна фаза, която е още по-дисперсна смес от кристали от високовъглероден ферит и цементит. По механични и технологични свойства той е по-нисък от мартензита, но превъзхожда троостита. Образува се в температурни диапазони, когато дифузията е невъзможна, а силите на компресия и движение на кристалната структура за превръщане в мартензитна не са достатъчни.
Сорбитолът е грубо игловидно разнообразие от перлитни фази, когато се охлажда със скорост от 10˚С в секунда. Механичните свойства са междинни между перлит и троостит.
Перлитът е комбинация от зърна ферит и цементит, които могат да бъдат гранулирани или ламелни. Образува се в резултат на плавния разпад на аустенита със скорост на охлаждане от 1˚C в секунда.
Беититът и трооститът са по-свързани с втвърдяващи се структури, докато сорбит и перлит могат да се образуват и при темпериране, отгряване и нормализиране, чиито особености определят формата на зърната и техния размер.
Ефект от отгряване върхухарактеристики на разпад на аустенита
Практически всички видове отгряване и нормализиране се основават на реципрочната трансформация на аустенита. При хипоевтектоидни стомани се прилага пълно и непълно отгряване. Частите се нагряват в пещта над критичните точки Ac3 и Ac1 съответно. Първият тип се характеризира с наличието на дълъг период на задържане, който осигурява пълна трансформация: ферит-аустенит и перлит-аустенит. Следва бавно охлаждане на заготовките в пещта. На изхода се получава фино дисперсна смес от ферит и перлит, без вътрешни напрежения, пластична и издръжлива. Непълното отгряване е по-малко енергоемко и само променя структурата на перлита, оставяйки ферита практически непроменен. Нормализирането предполага по-висока скорост на понижаване на температурата, но също така и по-груба и по-малко пластична структура на изхода. За стоманени сплави със съдържание на въглерод от 0,8 до 1,3%, при охлаждане, като част от нормализирането, настъпва разлагане в посока: аустенит-перлит и аустенит-цементит.
Друг вид топлинна обработка, базирана на структурни трансформации, е хомогенизирането. Приложим е за големи части. Това предполага абсолютно постигане на аустенитно едрозърнесто състояние при температури 1000-1200 ° C и излагане в пещта до 15 часа. Изотермичните процеси продължават с бавно охлаждане, което спомага за изравняване на металните конструкции.
Изотермично отгряване
Всеки от изброените методи за въздействие върху метала за опростяване на разбиранеторазглежда като изотермично преобразуване на аустенита. Въпреки това, всеки от тях само на определен етап има характерни черти. В действителност промените настъпват с постоянно намаляване на топлината, чиято скорост определя резултата.
Един от методите, най-близки до идеалните условия, е изотермичното отгряване. Същността му също се състои в нагряване и задържане до пълното разлагане на всички структури в аустенит. Охлаждането се осъществява на няколко етапа, което допринася за по-бавно, по-дълго и по-термично стабилно разлагане.
- Бързо спадане на температурата до 100˚C под точката Ac1.
- Принудително задържане на постигнатата стойност (чрез поставяне в пещта) продължително време до завършване на процесите на образуване на феритно-перлитни фази.
- Охлаждане на тих въздух.
Методът е приложим и за легирани стомани, които се характеризират с наличието на остатъчен аустенит в охладено състояние.
Задържан аустенит и аустенитни стомани
Понякога е възможен непълен разпад, когато има задържан аустенит. Това може да се случи в следните ситуации:
- Охлаждане твърде бързо, когато не настъпи пълно разпадане. Той е структурен компонент на бейнит или мартензит.
- Високовъглеродна или нисколегирана стомана, за която процесите на аустенитни дисперсни трансформации са сложни. Изисква специални методи за топлинна обработка като хомогенизиране или изотермично отгряване.
За високолегирани -няма процеси на описаните трансформации. Легирането на стомана с никел, манган, хром допринася за образуването на аустенит като основна здрава структура, която не изисква допълнителни влияния. Аустенитните стомани се характеризират с висока якост, устойчивост на корозия и устойчивост на топлина, устойчивост на топлина и устойчивост на трудни агресивни условия на работа.
Аустенитът е структура, без образуването на която не е възможно високотемпературно нагряване на стоманата и която участва в почти всички методи на нейната топлинна обработка с цел подобряване на механичните и технологични свойства.
