Фазові і структурні перетворення під час термічної обробки сталей 5ХНМ та ШХ15 (стр. 6 из 12)

272HV - V

= = 0,0073 ºС/с.

Для швидкостей охолодження 15,26 ºС/с; 3,22 ºС/с; 2,32 ºС/с; 1,49 ºС/с в структурі отримуємо мартенсіт. Такі швидкості охолодження характерні для масла. При швидкості 0,43 ºС/с 5% залишкового аустеніту перетворюється на нижній бейніт (НБ); при швидкості 0,28ºС/с – 32% А

→ НБ; при V = 0,198ºС/с – 50% А → НБ; при V = 0,035ºС/с – 83% А → НБ; при V = 0,028ºС/с – 85% А → НБ; при V = 0,032ºС/с – 68% А → НБ; при V = 0,01ºС/с – 7% А → НБ.

Розглянемо механізм і кінетику перетворення мартенситу. Мартенсит є частково впорядкованим пересиченим твердим розчином впровадження вуглецю в

-залізі. Мартенситне перетворення відбувається лише тоді, коли швидким охолодженням аустеніт переохолоджений до низьких температур; коли дифузійні процеси стають неможливими і при цьому не відбувається перерозподілу компонентів між аустенітом і мартенситом. Тому мартенситне перетворення можна розглядати, як фазове перетворення в однокомпонентній системі. Мартенситне перетворення полягає в закономірній перебудові кристалічної гратки, при якій атомі не обмінюються своїми місцями, а зміщуються на відстань, що не перевищує міжатомну (за Г.В. Курдюмовим). В наслідок викривлення кристалічної гратки мартенсит володіє високою твердістю і низькою пластичністю.

Мартенситне перетворення носить гетерогенний характер, об’єктами зародження якого є дефекти упаковки. Якщо їх не буде, то і мартенситне перетворення не буде відбуватися.

Мартенситне перетворення носить двохстадійний характер. Утворення мартенситу проходить через проміжну стадію, в результаті якої утворюється так званий

-мартенсит з гексагональною плотноупакованою кристалічною граткою [8].

Для сталі 5ХНМ температура мартенситного перетворення становить М

=230 ºС. В мартенситі загартованої сталі міститься стільки ж вуглецю, скільки його було у вихідній сталі (0,5% С). Для сталі 5ХНМ характерними є механізми пластичної деформації, двійникування і сковзання (середньовуглецева сталь). Мартенситне перетворення починається відразу при температурі М і протікає при безперервному охолодженні в інтервалі температур. Щоб мартенситне перетворення розвивалося необхідно безперервне охолодження сталі нижче т.М . Якщо охолодження зупинити, то мартенситне перетворення практично також зупиняється. Кількість мартенситу зростає в результаті утворення все нових кристалів. Легуючі елементи сталі 5ХНМ (Cr, Ni, Mo) знижують т. М .

Мартенситне перетворення не протікає до кінця, тому в загартованій сталі присутній залишковий аустеніт. Кількість залишкового аустеніту в сталі 5ХНМ не перевищує 10%.

1.6 Фазові і структурні перетворення під час нагріву загартованої сталі 5ХНМ

Після попереднього гартування молотовий штамп зі сталі 5ХНМ має такий структурний стан: мартенсит, твердість якого становить 56-60 HRC і деяка кількість залишкового аустеніту. Гартування проводили при температурі 840-860 ºС і охолоджували в печі.

Стосовно до досліджуємого виробу – молотового штампу зі сталі 5ХНМ задані наступні вимоги: твердість 35-38 HRC; межа міцності

= 1320 Н/мм ; необхідно отримати структуру сорбіта відпуску, до того ж цей вироб повинен витримувати робочі температури 500-550 ºС. Температура відпуска має бути 550-580 ºС із наступним охолодженням на повітрі. Схема структури після високого відпуска наведена на рисунку 1.16.

Початковою структурою є структура загартованої сталі, що складається з тетрагонального мартенсіту і залишкового аустеніту. Мартенсіт і залишковий аустеніт є нестійкими (нерівноважними) структурними складовими. Перехід загартованої сталі в стійкий стан супроводжується перетвореннями мартенсіту і залишкового аустеніту. Ці перетворення мають дифузійний характер і швидкість їх протікання в основному визначається температурою нагріву.

При нагріві загартованої сталі можна чекати зменшення тетрагональності мартенсіту виділенням надмірного вуглецю з твердого розчину і зняття залишкової внутрішньої напруги в кристалічній гратці, що повинне привести до зменшенняоб'єму кристалів мартенсіту. Окрім цього, відбуватиметься перетворення залишкового аустеніту і збільшення змісту Fe3C за рахунок вуглецю, що виділився тетрагонального мартенсіту [8].

Розглянемо, що буде відбуватися при нагріванні загартованої сталі до температури 550-580 ºС, при якій проводимо відпуск, і при подальшій витримці. Термічну обробку, яка полягає в нагріванні загартованої сталі до температури нижче т. А

, називають відпуском. Структура мартенситу і залишкового аустеніту, які є нерівноважнми фазами, є типовою структурою загартованої сталі. Перехід сталі у більш стійкий стан повинен супроводжуватись розпадом мартенситу і залишкового аустеніту з утворенням структури, яка складається з ферито-карбідної суміші.

Розпад мартенсіту з виділенням карбідів – головний процес при відпуску сталі, який залежно від температури і тривалості відпуска проходить наступні стадії.

На першій стадії перетворення (при температурі порядку 100-150 ºС) із кристалів мартенсіту утворюється

-карбід. Концентрація вуглецю в цих дільницях мартенситу, які безпосередньо оточують кристали виділившихся карбідів, різко зменшується, тоді як більш віддалені дільниці зберігають вихідну концентрацію вуглецю, що отримана після гартування. Таким чином, після нагрівання до низьких температур в сталі поряд з частинками карбідів, що виділилися, одночасно присутні два -твердих розчина з більш високою (вихідною) і низькою концентрацією вуглецю. Такий тип розпаду мартенситу називається двохфазним.

При температурах нижче 150 ºС швидкість дифузії мала, тому частинки карбідів, що утворюються, не збільшуються, а розпад мартенситу супроводжується зародженням нових частинок карбідів на межах кристалів мартенсіта і в місцях з підвищеною щільністю дефектів.

Карбідні частинки мають форму тонких пластин товщиною в декілька атомних шарів. Пластинки

-карбіду когерентно пов’язані із граткою - розчина. Внаслідок того, що питомі об’єми -карбіду і - розчину різні, виникають сильні викривлення кристалічної гратки обох фаз.

Таким чином, в результаті нагріву загартованої сталі до 180 °С відбувається перше перетворення при відпуску - початок розпаду мартенсита з виділенням вуглецю у вигляді дисперсних частинок (карбіду заліза), зменшення тетрагональності гратки мартенситу і її викривлень зняттям напруги, зменшення об'єму кристалів мартенситу.

В результаті протікання першого перетворення при відпуску отримуємо відпущений мартенсіт або мартенсіт відпустки, усередині якої розподілені дрібнодисперсні частинки цементита; структура відпущеного мартенсіту зберігає голкову будову.

На другій стадії перетворення (150 - 350 ºС), зовнішньою ознакою якої є збільшення довжини зразка, з мартенситу виділяються карбіди, і внаслідок цього він збіднюється вуглецем. В цьому інтервалі температур відбувається перетворення залишкового аустеніту на відпущений мартенсит, тобто друге перетворення при відпуску супроводжується майже повним розпадом залишкового аустеніту, одночасно з цим продовжується виділення вуглецю з тетрагонального мартенситу з деяким зниженням в ньому напруги. До кінця другого перетворення при відпустці вміст вуглецю в мартенсіті складає 0,15... 0,20 %. При цьому стає помітним зростання карбідних частинок, що раніше виділилися з мартенсіту.

При температурі відпуска до 300 ºС при виділенні вуглецю із пересиченого твердого розчину, утворюється карбід заліза Fe

C. Хімічний склад феритної і карбідної фаз за легуючими елементами не відрізняється за вмістом їх у сталі, тобто перерозподілу легуючих елементів не відбувається. Але на кінетику розпаду мартенситу в інтервалі температур відпуска 100-300 ºС легуючі елементи впливають. По-перше, вони уповільнюють виділення вуглецю з пересиченого твердого розчину (мартенситу) і тим самим сприяють збереженню більш високої його тетрагональності.

По-друге, підвищується температура початку виділення карбідної фази. По-третє, підвищується температура початку росту карбідних часток, які виділилися (від 350 до 450-500 ºС). Таку дію мають карбідоутворюючи елементи Cr, Mo, а також не карбідоутворюючий Ni.