Что происходит с металлом при охлаждении

Всем привет! Как и писал в одном из выпусков «It's a Man's Man's Man's World», я работаю на предприятии в отделении термической обработки. В х набралось несколько человек, которые желали видеть более детально мою работу. Надеюсь, не только им будет интересна моя сфера деятельности, и каждый сможет открыть для себя что то новое.

С того времени я начал сбор материала для поста, ушел в отпуск и написал пост.

Вообще, все это интересно, познавательно и достаточно сложно.

Что бы хорошо в этом разбираться и понимать, что происходит с металлом и почему — нужно иметь достаточно углубленные знания в нескольких областях — химия, физика, металловедение и возможно каких-то других.

Думаю необходимо сделать оговорку, что такими знаниями в полной степени я не владею, и имею лишь только базовые знания в пределах курса и опыта работы. Тогда ты будешь большим начальником главным и управлять такими, как я.

Термической обработкой называют совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических сплавов, находящихся в твёрдом состоянии, для изменения их структуры и получения нужных физико – механических свойств.

Перед тем, как рассказывать что такое закалка, и показать как она происходит, я хочу рассказать про рабочее место.

Его, как такового — нет. Весь цех — мое рабочее место. Так произошло ввиду того, что промышленное оборудование нагрева достаточно большое, и под разные операции и задачи тех. процесса термообработки отведено определенное оборудование. Поэтому закалка производится на одной печи, отпуск на другой.

Цементация на третей, а отжиг на четвертой и так далее…

Так же хочу предупредить особо впечатлительных лиц, беременных женщин и детей — во первых, это прежде всего производство.

Во вторых — оно не совсем технологично, и людей в бахилах и белых халатах здесь вы не увидите. А увидите местами старое оборудование, оставшееся в наследство от великой сверх-цивилизации, грязь, цех и разруху.

Хотя мы всей душой любим свое рабочее место и стараемся поддерживать его в порядке.

Закалка – нагрев стали выше температуры фазовых превращений с последующим охлаждением по определённому режиму для получения нужной структуры и повышения твердости и прочности.

Процесс закалки стали заключается в ее нагреве до определенной температуры (на 30…50° выше линии GSK по диаграмме Fе -Fе3С), выдержке и последующем быстром охлаждении в воде, масле, расплавленных солях или других средах.

Практически все готовые металлические изделия проходят этап закалки.

Пилы, ножевки, сверла, бытовые ножи и многое другое. Показывать, как происходит закалка я буду на таких «кольцах», из них собирают подшипники, которые используются в нефтедобывающей отрасли. Было фото готового подшипника, но я его (фото) потерял.

Доставляют их в «телегах» вместе с нарядом на работу — в нем указан тип, токарь который построил дом наточил, количество и необходимая твердость, дата отправки.

Что происходит с металлом при охлаждении

Что бы далее не задаваться вопросами, почему такая температура — у нас есть технологическая карта, или технология. Это таблица, в которой собраны все температуры закалки-отпуска, их среды для каждого типа металла. Ориентироваться будем на нее.

Что происходит с металлом при охлаждении

Начиная работу, необходимо выставить «рабочую» температуру, согласно технологии, на специальном приборе — КСП-4 (потенциометр).

Что происходит с металлом при охлаждении

Далее нужно проверить уровень закалочной среды-соли калия. Раз в несколько дней нужно поднять уровень. К нам она поставляется в 50 кг мешках.

Приносим, открываем — засыпаем совочком как песочек в детстве и ждем пока расплавится)) Фото старался затемнить, что бы было видно хоть что-то. Трубка тонкая слева — термопара, датчик температуры среды.

Большие трубы — электроды, которые производят нагрев среды.

Что происходит с металлом при охлаждении

Перед тем, как приступить к закалке, необходимо «посадить» детали на специальное приспособление (ручной работы)) и «просушить» их рядом с рабочей областью ванны, где как среда закалки находится расплавленная соль калия, для исключения наличия воды на поверхности детали.

Ее наличие крайне не желательно, ведь при такой температуре вода не испаряется, а происходит «взрыв» — громкий хлопок с выбросом в окружающий мир среды закалки. Очень неприятно, первый раз страшно эти брызги могут поджечь рабочую одежду и придется тушить.

А еще у тебя в руках детали остались, ведь ты их загружал, не забыл?))

Поэтому ставим их рядышком и идем отдохнуть минут на 10. Безопасность — очень важно!

Что происходит с металлом при охлаждении

После того, как с деталек испарилась вся вода, можно погружать в среду закалки. Для этого мы берем «крючок» (опять таки, ручной работы!), цепляем «приспособление» и погружаем.

Что происходит с металлом при охлаждении

Выжидаем приблизительно 10-15 минут.

Почему столько? Потому что приблизительно за такое время деталь полностью нагреется, как снаружи, так и внутри (хозяюшки и те, кто ел сырые внутри печеньки/пирожки/etc поймут).

Ну и помимо этого, пройдут все физико-химические превращения по диаграммам внутри металла (см начало поста). После этого деталь вынимаем и несем ее к баку с охлаждающей средой — маслом. Погружаем.

Что происходит с металлом при охлаждении

Масло, вступив в контакт с горячей деталью буквально тут же закипает и испаряется, образовывая паровую оболочку, которая мешает поступлению свежего масла для охлаждения.

В результате чего деталь может не прокалиться (читай — не получить нужную твердость) в определенных местах, где оболочка была больше и дольше. Для этого ее нужно разрушить, совершая возвратно-поступательные движения деталью внутри бака при погружении и некоторое время после.

Разрушив ее, мы можем спокойно оставить деталь остывать на некоторое время для последующего остывания.

После того, как деталь остыла ее можно достать и поставить на сетку, что бы остатки масла стекли обратно в бак. Здесь не столько важно масло, сколько чистота. Если этого не сделать, все быстро станет масленым — пол, стол, перчатки, инструмент, etc.

Что происходит с металлом при охлаждении

Так произошла закалка. Т.е. мы нагрели деталь, и быстро ее охладили. Теперь не менее важно провести отпуск, который снимет напряжения в металле, возникшие в следствии высокого нагрева и резкого охлаждения, и повысит/понизит твердость.

Я специально прервался на данном месте, т.к. следующая процедура не относится ни к закалке, ни к отпуску,  а имеет лишь подготовительный характер — перед отпуском нам нужно удалить образовавшуюся окалину и остатки охлаждающей жидкости.

Отпуск — технологический процесс, заключающийся в термической обработке закалённого на мартенсит сплава или металла, при которой основными процессами являются распад мартенсита, а также полигонизация и рекристаллизация.

Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности.

Делаем это после того, как масло стекло с деталей. Детали нужно перенести на стол, снять с «приспособлений» и связать все закаленные кольца в одну связку. После чего мы их отправим в бак «отварки», содержимое которого — растворенная сода в кипящей воде.

Что происходит с металлом при охлаждении

Сколько деталь там будет находится, и что мы с ней будем делать — не принципиально. У нас есть один срок — приблизительно 6 часов, в течении которых мы обязаны произвести отпуск.

Иначе в составе металла начнут происходить необратимые изменения, которые приведут к потере характеристик и как следствие — разрушения детали.  Лучше всего произвести отпуск как можно раньше.

Для отпуска мы используем совсем другую печь, как по типу (шахтную), как и по методу нагрева — сопротивлением.

Что происходит с металлом при охлаждении

Как набирается несколько связок заслуживающих нашего внимания — загружаем их в печь. Качество конечно замылено — делал в процессе работы, загрузка уже не первая, соответственно там горячо и пар идет, телефон держать тяжело в таких условиях.

Загрузили — закрываем. Включаем вентиляцию — все что не отмылось начинает выгорать и дико дымить-чадить. Без вентиляции вобще ничто и никуда.

Идем к пульту, щиту управления электро-печью = как хотите, но нам нужно задать температуру отпуска. Здесь прибор электронный, все действия производятся нажатием кнопочек. Выставил температуру — свободен! Минимум — час. А лучше полтора. Опять таки, такова технология. Лишь за это время в металле при данной температуре произойдут все превращения (см начало поста) и мы получим готовую деталь.

Про прошествии часа-полтора, достаем готовые детали и оставляем охлаждаться их на воздухе для ожидания дальнейшей транспортировки. Теперь они «получили» и «закрепили» нужную твердость и с ними можно делать все что угодно. Их характеристики соответствуют ТЗ в наряде.

На этом закончен цикл закалки детали. Если пост наберет достаточно плюсов и будет интересен пикабушникам — продолжу писать, есть еще достаточно материала по операциям термообработки, которые можно было осветить.

P.S. Работу я люблю и дорожу ей, а так же надеюсь, что претензий к фото не будет и мне не достанется от работодателя за публикации данных фотографий.))

Читайте также:  Насадка гриндер на болгарку своими руками

Всем удачной рабочей недели!

Охлаждение, кристаллизация и улучшение металлов

Кристаллизация металлов.

В кристаллах металла ионы располагаются правильными рядами и имеют определенную амплитуду колебаний.
При повышении температуры амплитуда увеличивается настолько, что правильность рядов нарушается и в жидком металле сохраняется только у ближайших соседей на протяжении нескольких параметров решетки.

При охлаждении жидкого металла наблюдается обратная картина.
С понижением температуры подвижность ионов падает и вблизи температуры плавления образуются скопления атомов, в которых они расположены, как в кристаллах, правильными рядами.
Такие скопления являются центрами кристаллизации (зародышами).

По достижению температуры затвердевания, вновь образуется кристаллическая решетка и металл переходит в твердое состояние.
Переход металла при определенной температуре из жидкого состоя­ния в твердое называется кристаллизацией.

Энергетическое состояние любой системы характеризуется опреде­ленным запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения молекул, атомов, электронов, энергии упругих искажений кри­сталлической решетки.

Та часть энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу называется свободной: E = U – TS,

где Е – свободная энергия, U – полная внутренняя энергия сис­темы, T – температура, S – энтропия.
Чем больше свободная энергия системы, тем система ме­нее устойчива. Согласно второму закону термодинамики всякая система стремится к более устойчивому состоянию, т.е. к минимальному значению свобод­ной энергии.
Любой самопроизвольно текущий процесс идет только в том случае, если новое состояние более устойчиво.
Например, шарик, поднятый на высоту Н, стремиться скатиться вниз по наклонной плоскости, уменьшив при этом свою свободную энергию (рис. 1). Кристаллизация металлов также подчиняется этому закону: если меньшей свободной энергией обладает твердое тело, то идет процесс кристаллизации и наоборот, при меньшей свободной энергии жидкого состояния – плавление.
Зависимость изменения свободной энергии металла в жидком и твердом состояниях от температуры приведена на рис. 2.

С увеличением температуры величина свободной энергии как жидкой, так и твердой фаз уменьшаются.

Что происходит с металлом при охлаждении Что происходит с металлом при охлаждении
Рис. 2. Изменение свободной энергии (Е) жидкого (Ж) и твердого (Тв) металла в зависимости от температуры (Т °С)

При температуре Ts  свободные энергии твердой и жидкой фаз равны, что дает возможность их одновременного существования.

Выше температуры Ts вещество находится в жидком состоянии, а ниже — в твердом состоянии.

Такая температура называется равновесной (или теоретической температурой кристаллизации).

Чтобы начался процесс кристаллизации необходима разность свободных энергий (∆Е1) жидкой и твердой фаз.
Это возможно при охлаждении вещества ниже температуры Ts.

В соответствии с этим температура Т1, соответствует температуре кристаллизации (или фактической температуре кристаллизации).

Разность по абсолютной величине между равновесной и температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения: ∆Т = |Тs –Т1|.
Чем больше степень переохлаждения ΔТ, тем больше разность свободных энергий ΔЕ, тем интенсивнее будет идти процесс кристаллизации. Для исследования процесса кристаллизации пользуются кривыми охлаждения.
Металл помещается в тигель из огнеупорного материала и нагревается до жидкого состояния.
Потом печь выключается, металл помещается в необходимую охлаждающую среду и записываются кривые охлаждения.
В качестве датчика температуры используются термопары.
Сначала происходит охлаждение жидкого металла.
Затем в нем появляются первые кристаллы, после чего снижение температуры на некоторое время приостанавливается, несмотря на то, что тигель продолжает терять тепло в окружающую среду.
Это тепло компенсируется скрытой теплотой кристаллизации.

На кривой охлаждения это соответствует горизонтальной площадке.

Что происходит с металлом при охлаждении

При незначительной степени переохлаждения (ΔТ3) скорость охлаждения (V3) сравнительно мала и кристаллизация протекает при температуре, близкой к равновесной.

При увеличении степени переохлаждения (кривые V2 и V1) скорости охлаждения увеличиваются.
Кристаллизация происходит при более низкой температуре и в течение более короткого времени.

Следует отметить, что чем чище металл, тем степень переохлаждения выше.

Впервые глубокие исследования процесса кристаллизации были проведены русским инженером – металлургом Д.К. Черновым в 1878 г. Он показал, что процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров и роста кристаллов из этих центров.

При снижении температуры жидкого металла до температуры кристаллизации группы атомов с упорядоченным расположением становятся устойчивыми и начинают обрастать новыми слоями, т.е.

они становятся центрами кристаллизации.
Кристаллы свободно растут до тех пор, пока со всех сторон их окружает жидкий металл.
Когда кристаллов становится много, они мешают взаимному росту.

Поэтому кристаллы в металле имеют неправильную форму.

На рис. 4 показана схема роста зерен при кристаллизации.

Что происходит с металлом при охлаждении

Число зарождающихся в единицу времени центров кристаллизации (Ч.Ц.) имеет размерность 1/мм3с (число центров, возникающих в 1 мм3 за секунду).

Скорость роста кристаллов (С.Р.) – это увеличение линейных размеров кристалла в единицу времени (м/ч). Что происходит с металлом при охлаждении

При очень большой степени переохлаждения (при Ч.Ц. и С.Р. равным нулю) образуется аморфный металл.

Модифицирование металла.

Большую роль в количестве центров кристаллизации технических металлов и сплавов играют различные включения, попадающие при плавке или вводимые специально.
Такой метод является наиболее рациональным для регулирования размеров зерен, их формы, а, следовательно, и свойств.

Процесс искусственного регулирования размеров и форм зерен за счет введения дополнительных элементов называется модифицированием, а вводимые компоненты – модификаторами.

Наиболее часто в качестве модификаторов для стали используются алюминий, титан, ванадий; для чугунов – магний, церий.

По механизму воздействия модификаторы делятся на:

  • вещества нерастворяющиеся в жидком металле — выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации;
  • вещества поверхностно-активные, которые растворяются в металле и, осаждаясь на растущих кристалла, препятствуют их росту.

Кристаллизация в формах и отливках идет в стороны противоположные отводу тепла, т. е. перпендикулярно стенкам и дну.
Вначале в этих направлениях образуется как бы ствол будущего кристалла, называемый осью первого порядка.
Одновременно на их ребрах происходит рост осей второго порядка, перпендикулярных первым.
Затем зарождаются и развиваются оси третьего порядка и т. д.

В итоге образуется древовидный кристалл, называемый дендритом…

1. Кристаллизация металлов, охлаждение чистого железа, его модификации;

Металлы
— неорганические, крупнокристаллические,
абсолютно плотные вещества, обладающие
специфическими свойствами: металлическим
блеском, высокой прочностью, электро-
и теплопроводимостью..

Кристаллизация
— процесс перехода металла из жидкого
состояния в твердое. Кристаллизация
состоит из двух процессов: 1)зарождения
мельчайших частиц кристаллов (зародышей
или центров кристаллизации) и 2)роста
кристаллов из этих центров.

С
понижением температуры подвижность
ионов падает и вблизи температуры
плавления образуются скопления атомов,
в которых они расположены, как в
кристаллах, правильными рядами и они
начинают обрастать новыми слоями.

Такие
скопления являются центрами кристаллизации
(зародышами). Кристаллы свободно растут
до тех пор, пока со всех сторон их окружает
жидкий металл.

По достижению температуры
затвердевания, вновь образуется
кристаллическая решетка и металл
переходит в твердое состояние.

Чистое
железо(суммарное содержание примесей
— до 0,1%, углерода — до 0,02%). Технически
чистое железо мягкое(не твёрдое)устойчиво
к коррозии, обладает повышенной
электропроводностью и очень высокой
пластичностью.

При
аллотропическом превращении исчезают
старые зерна и появляются новые. Такое
превращение аналогично процессу
кристаллизации: вначале образуются
зародыши, а затем идет рост зерен новой
модификации(перекристаллизацией)

Следующая
площадка наблюдается на кривой охлаждения
при температуре 911 °С по причине
превращения Fe в Feα. Кристаллическая решетка превращается
из гранецентрированной опять в
объемно-центрированную кубическую,
которая сохраняется до самых низких
температур.

Площадка
на кривой охлаждения, соответствующая
температуре 768 °С, связана с перестройкой
электронных оболочек атомов и изменением
магнитных свойств. Ниже 768 °С железо
магнитно, а выше – немагнитно.

Чистое
железо кристаллизуется в виде трех
модификаций α, и β(α-феррит, аустенит и β-феррит), каждая
из которых устойчива в своем интервале
температур.

Модификации α и β обладают
одинаковой кубической пространственно
центрированной решеткой и представляют
собой, — строго говоря, одну фазу. β-Fe
отличается от α-Fe только параметрами
объёмноцентрированной кубической
решётки и магнитными свойствами
парамагнетика.

Его не выделяют как
отдельную фазу, и рассматривает как
разновидность α-Fe; модификация является кубической гранецентрированной
решеткой.

2. Виды сплавов, основные составляющие структуры сплавов

Сплавы
— сложные кристаллические вещества,
которые обладают свойствами металлов.

Виды
сплавов:

1)
По способу изготовления сплавов различают
литые и порошковые сплавы. Литые сплавы
получают кристаллизацией расплава
смешанных компонентов. Порошковые —
прессованием смеси порошков с последующим
спеканием при высокой температуре.
Компонентами порошкового сплава могут
быть не только порошки простых веществ,
но и порошки химических соединений(карбиды
вольфрама или титана).

2)
По способу получения заготовки (изделия)
различают литейные (чугуны), деформируемые
(стали) и порошковые сплавы.

3)
В твердом агрегатном состоянии сплав
может быть гомогенным (однородным,
однофазным — состоит из кристаллитов
одного типа) и гетерогенным (неоднородным,
многофазным).

Твёрдый
раствор является основой сплава
(матричная фаза). Фазовый состав
гетерогенного сплава зависит от его
химического состава. В сплаве могут
присутствовать: твердые растворы
внедрения, твердые растворы замещения,
химических соединений (карбиды, нитриды)
и кристаллиты простых веществ.

Структурные
составляющие:

Читайте также:  Ножи фото рисунки чертежи

1)
Феррит – твердый раствор углерода в
α-Fe. При температуре 723° С предельное
содержание углерода 0,02 %. При отсутствии
примесей не корродирует.

2)
Цементит – карбид железа Fe3C – химическое
соединение, содержащее 6,67 % углерода.
Является составной частью эвтектической
смеси, а также самостоятельной структурной
составляющей. Способен образовывать
твердые растворы путем замещения атомами
других металлов, неустойчив, распадается
при термической обработке. Цементит
очень тверд (НВ 800) и хрупок.

3)
Аустенит – твердый раствор углерода в
γ–Fe. Атомы углерода внедряются в
кристаллическую решетку, причем насыщение
может быть различным в зависимости от
температуры и примесей. Устойчив только
при высокой температуре, а с примесями
Mn, Сг – при обычных, даже низких
температурах. Твердость аустенита НВ
170-220.

4)
Перлит – эвтектоидная смесь феррита и
цементита, образуется при распаде
аустенита при температуре 723° С и
содержании углерода 0,83 %. Твердость
перлита НВ 160-260. Структура перлита может
быть пластинчатой и глобулярной
(зернистой).

5)
Ледебурит – эвтектическая смесь
аустенита и цементита, образующаяся
при 1130° С и содержании углерода 4,3 %
Структура неустойчивая: при охлаждении
аустенит, входящий в состав ледебурита,
распадается на вторичный цементит и
перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и
хрупок.

6)
Графит – мягкая и хрупкая составляющая
чугуна, состоящая из разновидностей
углерода. Встречается в серых и ковких
чугунах.

Материаловед

Свойства сплава зависят от его структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру, а следовательно, и свойства является термическая обработка.

Основы термической обработки разработал Чернов Д.К… В дальнейшем они развивались в работах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, в целях изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (представляется в виде графика в осях температура – время,  рис. 12.1 ).

Рис.12.1. Графики различных видов термообработки:

отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)

Различают следующие виды термической обработки:

1.Отжиг 1 рода – возможен для любых металлов и сплавов.

  • Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.
  • Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутренние напряжения.
  • Основное значение имеют температура нагрева и время выдержки. Характерным является медленное охлаждение
  • Разновидностями отжига первого рода являются:
  • –                   диффузионный;
  • –                   рекристаллизационный;
  • –                   отжиг для снятия напряжения  после ковки, сварки, литья.

2. Отжиг II рода – отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении.

Проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии.

Проводят отжиг второго рода  в целях получения  равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Характеризуется нагревом до температур выше критических и очень медленным охлаждением, как правило, вместе с печью (рис. 12.1 (1, 1а)).

3. Закалка – проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, в целях повышения твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).

Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охлаждения (рис. 12.1 (2, 2а)).

4. Отпуск –  проводится в целях снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости  закаленных сталей.

Характеризуется  нагревом до температуры ниже критической А (рис. 12.1 (3)). Скорость охлаждения роли не играет. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.

  1. Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.
  2. Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).
  3. Окончательная – формирует свойство готового изделия.
  4. Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении

Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат стремления системы к   минимуму свободной энергии (рис 12.2).

Рис. 12.2. Зависимость свободной энергии структурных составляющих сталей

от температуры: аустенита (FA),  мартенсита (FM), перлита (FП)

1. Превращение перлита в аустенит  происходит при нагреве выше критической температуры А1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.

2.  Превращение аустенита в перлит происходит при охлаждении  ниже А, минимальной свободной энергией обладает перлит:

3. Превращение аустенита в мартенсит происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

4. Превращение мартенсита в перлит   происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

  • Механизм основных превращений
  • 1.Превращение перлита в аустетит:
  • Превращение основано на диффузии углерода,  сопровождается полиморфным превращением , а так же растворением цементита в аустените.

Для исследования процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита (рис.12.3). Для этого образцы нагревают до температуры выше  и выдерживают, фиксируя начало и конец превращения.

Рис. 12.3. Диаграмма изотермического образования аустенита:

  1. 1 — начало образования аустенита; 2 — конец преобразования перлита в аустенит;
  2. 3 —  полное растворение  цементита.
  3. С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается.

Механизм превращения представлен на рис.12.4.

Рис. 12.4. Механизм превращения перлита в аустенит.

Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зёрен на поверхности раздела  феррит – цементит, кристаллическая решетка перестраивается в решетку .

Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста.

Образующиеся зерна аустенита имеют вначале такую же концентрацию углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается. Превращение  в идет быстрее.

После того, как весь цементит растворится, получается аустенит неоднородный по химическому составу: там , где находились пластинки цементита, концентрация углерода более высокая.

Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка.

Величина  образовавшегося зерна аустенита оказывает влияние на свойства стали.

Рост зерна аустенита. Образующиеся зерна аустенита получаются мелкими (начальное зерно). При повышении температуры или выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста является разность свободных энергий мелкозернистой (большая энергия) и крупнозернистой (малая энергия) структуры аустенита.

Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температуры, то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая.

Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой. Стали одной марки, но разных плавок могут различаться, так как содержат неодинаковое количество неметаллических включений, которые затрудняют рост аустенитного зерна.

Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор –  увеличивают ее.

Заэвтектоидные стали менее склонны к росту зерна.

При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размера зерна зависят механические свойства. Крупное зерно снижает сопротивление отрыву, ударную вязкость, повышает порог хладоломкости.

Различают величину зерна наследственного и действительного.

Для определения величины наследственного зерна, образцы нагревают до 930ºС и затем определяют размер зерна.

Действительная величина зерна – размер зерна при обычных температурах. полученный после той или иной термической обработки.

Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали.

Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше температуры  приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении  феррит выделяется  в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов.

Такая структура называется видманштеттовая структура и характеризуется пониженными механическими свойствами.

Перегрев можно исправить повторным нагревом до оптимальных температур с последующим медленным охлаждением.

Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается   к  температуре плавления. При этом  наблюдается окисление границ зерен,  что резко  снижает прочность стали. Излом такой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак.

2. Превращение аустенита в перлит  при медленном охлаждении:

Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается  полиморфным превращением  , выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита.

В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения. Вначале, с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, а затем убывает. При температуре 727ºС и ниже 200ºС скорость равна нулю. При температуре 200ºС равна нулю скорость диффузии углерода.

Закономерности превращения.

Образцы нагревают до температуры, при которой структура состоит из однородного аустенита (770ºС). Затем переносят в термостаты с заданной температурой (интервал 25 – 50ºС). Превращение аустенита можно легко обнаружить с помощью наблюдений за изменением магнитных характеристик, так как аустенит парамагнитен, а феррит и цементит обладают магнитными свойствами.

Получают серию кинетических кривых (рис. 12.5 а), которые показывают количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.

Рис. 12.5. Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении (а);

Читайте также:  Как расточить отверстие в металле

диаграмма изотермического превращения аустенита (б)

В начале наблюдается инкубационный подготовительный период, время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит. Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада.

Затем скорость начинает уменьшаться и постепенно затухает. С увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается, а затем увеличивается.

Горизонтальная линия Мн показывает температуру начала бездиффузного мартенситного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита (рис. 12.5 б).

При малых степенях переохлаждения , в области температур 727…550ºС, сущность превращения заключается в том, что в результате превращения аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. Аустенит содержит 0,8 % углерода, а образующиеся фазы: феррит –0,02 %, цементит – 6,67 % углерола.

Время устойчивости  аустенита и скорость его превращения зависят от степени переохлаждения.

Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению ниже температуры на 150…200ºС, то есть соответствует минимальной устойчивости аустенита.

Механизм превращения представлен на рис. 12.6.

Рис. 12.6. Механизм превращения аустенита в перлит

При образовании перлита из аустенита  ведущей фазой является цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено  на границе аустенитных зёрен.

Образовавшаяся пластинка цементита растёт, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки  феррита. Эти пластинки растут как по толщине, так и по длине.

Рост образовавшихся колоний перлита продолжается до  столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров.

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит процесс его распада.

Толщина соседних  пластинок феррита и цементита определяет дисперсность структуры и обозначается .  Она зависит от температуры превращения. В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различное название.

мм –  перлит, образуется при переохлаждении до температуры  Т = 650…700 ºС, или при скорости охлаждения Vохл =  30…60 ºС/ч. Твердость составляет  180…250 НВ.

мм –  сорбит, образуется при переохлаждении до температуры         Т = 600…650 ºС, или при скорости охлаждения Vохл =  60 ºС/с. Твердость составляет  250…350 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, достаточной вязкостью и прочностью.

мм – троостит,  образуется при переохлаждении до температуры         Т = 550…600 ºС, или при скорости охлаждения Vохл =  150 ºС/с. Твердость составляет  350…450 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью и лпастичностью.

Твердость ферритно-цементитной смеси прямо пропорциональна площади поверхности раздела между ферритом  и цементитом…

  • Если температура нагрева незначительно превышала теипературу А и полученый аустенит неоднороден по составу, то при малой степени переохлаждения образуется зернистый перлит.
  • Промежуточное превращение
  • При температуре ниже 550ºС самодиффузия атомов железа практически не происходит, а атомы углерода обладают достаточной подвижностью.
  • Механизм превращения состоит в том, что внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода  и участки аустенита, обогащенные углеродом превращаются в цементит.

Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по  сдвиговому механизму, путем возникновения и роста зародышей феррита. Образующиеся при этом кристаллы имеют игольчатую форму.

Такая структура, состоящая из цементита и феррита, называется бейнитом. Особенностью является повышенное содержание углерода в феррите (0.1…0.2 %).

Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависят от температуры превращения.

При температуре мм  –  верхний бейнит. Структура характеризуется недостаточной прочностью, при низких относительном удлинении () и ударной вязкости  ().

При температуре  300ºС –   –  нижний бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.

Что происходит с металлом если его нагреть?

Многие металлы и сплавы, нагретые до высокой температуры, становятся пластичными.

Железо, сталь, медь, алюминий, магний, латунь, алюминиево-железистая бронза, дюралюмин и некоторые другие металлы и сплавы при нагревании приобретают способность коваться и изменять свою форму без разрушения.

При охлаждении металл сжимается, его объем уменьшается, но удерживается расположенным вокруг металлом, длина и ширина которого не изменялась. Необходимо, чтобы дополнительное утолщение, полученное при растяжении металла, было восстановлено после охлаждения.

Что будет если нагреть сталь?

Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить её невозможно.

Что происходит с металлом при резком охлаждении?

При быстром охлаждении (закалке), например, в воде, свойства металла резко улучшаются. Так, в виде рецептов, добытых трудами многих поколений, возникла технология обработки металлов. … От природы и количества этих примесей зависят свойства металла. Следовательно, для изменения свойств можно вводить примеси.

Что выделяет металл при нагреве?

Длительный нагрев при высоких температурах вызывает окисление металла и образование окалины. При высоких температурах происходит также обезуглероживание поверхностных слоев стальной заготовки в результате соединения содержащегося в ней углерода с кислородом воздуха и образования углекислого газа.

Что происходит с металлом при минусовой температуре?

Отрицательные температуры несколько повышают прочность стали, но очень неблагоприятно сказываются на ее хрупкости. При температурах ниже — 10° пластичность стали начинает заметно уменьшаться, и при температурах ниже — 45° сталь становится хрупкой.

Почему металл сжимается при охлаждении?

Известно, что все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Степень увеличения или уменьшения первоначального размера металла при изменении температуры на один градус характеризуется коэффициентом линейного расширения. … Его коэффициент расширения в 8 раз меньше железа.

Почему сталь закаливают?

Для придания металлам определённых качеств, например, прочности, их подвергают специальной термической обработке, которая называется закалка. Во время этого процесса металл подвергают нагреву при очень высоких температурах, при этом доводят сталь до критической точки, а затем быстро охлаждают.

Что будет если нагреть нож?

Первое, что следует контролировать, чтобы правильно закалить клинок, – это равномерность и постепенность нагрева. Если пренебречь этим требованием и выполнять нагрев ножа слишком быстро, это приведет к тому, что в структуре металла будут формироваться слишком крупные зерна, что сделает изделие хрупким.

Что значит закалить сталь?

Закаливание является операцией по термической обработке металла. Она состоит из нагревания металла до критической температуры, при которой изменяется кристаллическая решетка материала, либо до температуры, при которой происходит растворение фазы в матрице, существующей при низкой температуре.

Что такое нормализация и чем она отличается от отжига?

Нормализацией называют термическую обработку стали, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния (на 30—50 град. выше Ас3, или Аст) и охлаждают на спокойном воздухе. Следовательно, отличие нормализации от полного отжига для доэвтектоидных сталей заключается только в скорости охлаждения.

Чем отличается закалка в масле от воды?

При закалке в масле скорость охлаждения получается значительно меньшая, чем в воде. … Зато во второй период, при температуре 200°С, скорость охлаждения в масле в 28 раз ниже, чем в воде. Это значительно уменьшает закалочные напряжения и опасность образования трещин.

Что такое изотермическая закалка?

изотермическая закалка — Закалка с выдержкой при постоянной температуре в процессе охлаждения для уменьшения закалочных напряжений и получения определённой структуры.

Что выделяет алюминий при нагревании?

Считается, что алюминиевые изделия при нагревании выделяют ионы металла. В связи с этим такую посуду не рекомендуется использовать для варки щей из квашеной капусты, щавеля, компотов и киселей, тушения или жарки овощей, а также для кипячения молока.

Когда металл нагревается?

При пропускании электрического тока через металл тепло выделяется во всём его объёме, в результате чего нагрев можно вести с высокой скоростью. … При термической или химико-термической обработке температура нагрева зависит от цели обработки и температур структурных превращений металла или сплава (200—1150°C).

Что происходит с алюминием при нагревании?

С концентрированными серной и соляной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли, окислов и воды.

Интересные материалы:

Сколько часов в сутки должен спать годовалый ребенок? Сколько человек должно быть в комиссии по электробезопасности? Сколько человек должно быть в подчинении у начальника? Сколько человек должно быть в управлении? Сколько дб должно быть в наушниках? Сколько денег должно быть в финансовой подушке? Сколько детей должно быть в группе на одного воспитателя? Сколько детей должно быть в комбинированной группе? Сколько дней должен быть дренаж после операций? Сколько дней должен составлять отпуск?

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector