Покупателям металлургической продукции обязательно надо знать, что собой представляет доэвтектоидная сталь. Внимания заслуживают ее структура после полного отжига, микроструктура и марки, процедура закалки стали. Нужно также выяснить ее ключевые характеристики, в том числе и то, каково содержание углерода.
Термин «доэвтектоидная сталь» означает конкретное расположение стального сплава на специальной технологической диаграмме железоуглеродистых соединений.
Это расположение будет левее, нежели у обычных эвтектоидных сплавов. Основная часть соединений образована ферритом и перлитом. При микроскопическом изучении отличить такие зерна не составляет труда.
Светлые зерна представляют собой феррит, который почти не подвержен травлению.
Что немаловажно, такие зерна не только светлы, они еще и полигональны. Перлит же образован комбинацией феррита с цементитом. Соответственно, это вещество травится лучше, и при микроскопии всегда выглядит темнее чистого феррита. Содержание углерода прямо влияет на пропорцию темных и светлых зон.
Определить это просто: чем большее содержится количество углерода в процентном исчислении, тем меньше будет обнаруживаться феррит и тем больше в составе представлен перлит.
Такое простое обстоятельство позволяет обходиться в большинстве случаев без изощренного химического анализа. Если его и проводят, то он неизменно подтверждает оценки, данные при грамотной микроскопии.
Но проблема в том, что такой подход приемлем только для отожженных или находящихся в нормализованном состоянии сплавов.
После легирования металла сделать это нельзя, и тогда уже придется заниматься полноценным химическим анализом.
Структура доэвтектоидных сталей зависит от химического распада аустенита при понижении температуры. Потому температурная динамика этого процесса приобретает особое значение.
Дисперсность сплава определяется уровнем переохлаждения (в металлургическом, конечно, смысле). Все доэвтектоидные стали характеризуются содержанием углерода не выше 0,8%.
Технология производства мало отличается от выработки других черных сплавов.
Влияя на кривую охлаждения и подстраивая интенсивность прогрева, технологи научились добиваться точно предсказуемых результатов. Удается гарантированно управлять дисперсностью, задавая строго необходимые показатели конечного продукта.
Даже с учетом последующего отжига содержание углерода очень важно удержать в нормативных пределах. Нельзя обойтись при производстве и без так называемой нормализации. Она подразумевает улучшение фракционного состава аустенита.
Частицы феррита и перлита должны стать меньше, иначе о нормальных свойствах готового продукта речи не идет. Однако сам по себе процесс сложен, и за ним должны следить опытные специалисты.
При нарушении требований зерна могут начать увеличиваться. Тогда плавка фактически уходит в брак.
Как уже говорилось, доэвтектоидный сплав состоит из перлитных и ферритных участков. Но эта микроструктура сохраняется только до определенного момента. На каком-то этапе наступает фазовая перекристаллизация. В ходе этого процесса вместо перлита формируется аустенит, состоящий из мелких зерен.
На следующем этапе повышения температуры чрезмерная часть феррита будет растворена в аустените. Если температура растет еще больше, аустенитному преобразованию подвергается и перлит. Иногда рост нагрева продолжается. В этом случае сначала остается чистый аустенит, а затем его качество начинает ухудшаться. Распухание зерен характерно для любых видов стали.
Однако для каждого типа сплавов этот процесс течет неодинаково.
Закаленная доэвтектоидная сталь — достаточно часто встречающийся продукт. Конкретная температура закаливания подбирается с учетом химического состава металла. Существенное превышение нормального температурного показателя не допускается. В итоге такие сплавы после нормализации имеют преимущественно мартенситную структуру.
Такое строение гарантирует оптимальные твердость и прочность. После полного отжига сталь состоит из излишнего феррита и перлита.
Строение перлита крайне важно для оценки свойств продукта. Доэвтектоидная сталь наилучшим образом обрабатывается при структуре, основанной на феррит-пластинчатом перлите.
Для сравнения: эвтектоидный и заэвтектоидный металл обработать проще, если структура образована зернистым перлитом.
Если вместе с мартенситом после закалки остается небольшое количество перлита, то твердость сплава понижается, а после отпуска станут хуже его механические свойства.
По износостойкости он уступает заэвтектоидным соединениям. Проигрыш касается и такого немаловажного свойства, как твердость. Однако есть и преимущество — так называемая красностойкость или, если говорить более развернуто, устойчивость против отпуска при разогреве инструментов.
В ходе изотермического преобразования аустенит будет выделять феррит. Для сравнения: в заэвтектоидных сплавах из него обособляется другой компонент (цементит).
После неполного отжига можно улучшить обрабатываемость заготовок резанием, а после полного отжига особенно мелкозернистый металл может стать пластичнее.
Прошедший механическую обработку в горячем состоянии материал преимущественно состоит из мелких зерен. Профессионалы тогда говорят, что его микроструктура удовлетворительна, и потребности в отжиге почти нет.
Но все же высокий отпуск для повышения практических свойств и уменьшения неоправданной твердости после форсированного охлаждения бывает необходим. Установлено, что высокотемпературный отпуск для доэвтектоидной стали лучше, чем полный отжиг.
Он позволяет оптимизировать разрезаемость заготовок.
Прочность доэвтектоидного металла может довольно сильно отличаться. После закалки или отпуска при низких температурах она достигает максимума при концентрации кислорода в 0,6-0,7%.
Отпуская металл при более высокой температуре, приходится мириться с меньшей твердостью и с падением прочностных показателей. Зато материал становится пластичнее и вязче, лучше переносит динамические нагрузки.
Подобное обстоятельство позволяет изготавливать из подобного сырья инструмент для манипуляций с мягкими материалами, который чаще подвергается ударным нагрузкам, чем значительному давлению.
Свойства, как уже указано, зависят во многом от структурно-химического состава. Так, сплав на основе зернистого перлита имеет большую твердость, нежели тот, в чьем составе будет преобладать пластинчатый подтип.
Но различия есть даже между отдельными марками материалов. Так, конструкционные углеродистые стали нормального качества обозначаются сочетанием символов «Ст». Вслед за ним идет цифра, соответствующая марочному номеру.
Чем выше номер, тем тверже и прочнее материал. Оборотной стороной этого момента оказывается падение пластичности. Самый гибкий вид стали отпускают на производство кровельного материала и крепежных метизов. Особо качественные виды сплава маркируют двузначным числом, показывающим концентрацию углерода в сотых долях процента.
Для инструментальных сталей характерно обозначение «У», дальше идет индекс десятых долей процента. А при особом качестве в конец записи добавляют букву «А».
Выше уже отмечалось, что доэвтектоидные ферритовые стали имеют чуть более низкую прочность, чем другие сплавы. Но это не мешает активно их использовать в различных случаях. Так, подобные материалы находят применение в машиностроительном производстве. В этом случае используют самые качественные марки стали. Их требуется тщательно обжигать и нормализовывать.
Доэвтектоидная сталь может иметь также низкое содержание феррита. В этом случае ее преимущественно применяют для изготовления строительных конструкций и элементов.
Дешевизна таких марок материала позволяет заметно сэкономить. Причина проста — особая механическая прочность в этом случае не всегда нужна.
Зато износостойкость и упругость будут вполне необходимы, что и делает целесообразным применение эвтектоидного типа сталей.
Методика производства таких сплавов примерно совпадает с процессом производства иных черных металлов и сплавов. Ее осуществляют путем нагрева до определенных температур и последующих проработок. Однако есть свои особенности и нюансы.
Главная тонкость — поддержание распада аустенита одновременно с охлаждением.
Регулируя интенсивность прогрева и остужения, можно гибко влиять на дисперсность ключевых компонентов, что крайне серьезно отражается на складывании определенных параметров вещества.
Концентрация углерода, обуславливаемая перлитом, остается без всяких изменений. На нее не повлияет даже дальнейший отжиг. Может применяться сразу несколько вариантов отжига, вернее, выбор между ними остается на усмотрение технологов. При неполной методике аустенит греют интенсивно, пока его температура не достигнет критической точки. Далее переходят к охладительной нормализации.
В таком режиме обеспечивается эффективный распад аустенита на искомые вещества. При полном отжиге температура составляет от 700 до 800 градусов. В таких условиях резко активизируется распад феррита. Специалисты стремятся при этом еще и поддержать оптимальную скорость понижения температуры.
Отрегулировать ее помогают манипуляции с дверцами рабочей камеры. Влиять на открытие и закрытие этой дверцы могут как действия технического персонала, так и автоматические программы работы современных изотермических печей. Неполный отжиг ведут, прогревая металл более чем до 800 градусов.
Но в таком случае критично время высокотемпературной обработки. Устранить феррит полностью не получится.
Может возникнуть вопрос того, зачем прибегать к манипуляции, которая не повышает качество материала и будущих конструкций. Однако смысл в подобной работе вполне есть. Именно неполнота термообработки дает возможность сберечь мягкость структуры. Да, полученный продукт можно использовать не везде, где применяют иные углеродистые стали.
Однако механическая обработка существенно улучшается и упрощается, что порадует многих мастеров. Дешевизна тоже является бонусом. На обжиге дело не заканчивается. Его сменяют такие процедуры, как нормализация и нагрев. При них металл может прогреваться до 1000 градусов и более. Однако суть в том, что нормализуются доэвтектоидные стали уже после окончания высокотемпературной фазы.
Процесс идет при охлаждении в окружении спокойного воздуха.
Конечная точка — окончательное преобразование структуры материала. В ходе нормализации металл надо остужать быстрее, чем при отжиге. Иначе важное условие (уменьшение размеров зерен) будет недостижимо.
Так или иначе, и отжигаемый, и нормализуемый сплав приобретают все более мелкозернистую структуру.
Коренное отличие между этими обработками состоит в том, что нормализация повышает дисперсность, а перлит фактически сменяется сорбитом, имеющим более высокие прочностные показатели.
Они могут даже быть лучшими, чем у качественной отожженной стали. Максимальное повышение дисперсности сорбита достигается при начале охладительного процесса с более высоких температур. Но в определенный момент эта закономерность нарушается, и качество готового продукта падает. Учесть все подобные нюансы могут только подготовленные технологи.
Важно обратить внимание и на процедуру неполной закалки, которая заслуживает отдельного разговора.
При ней наиболее ответственной частью работы оказывается охлаждение. Если этот прием выполняется неправильно, вся долгая предыдущая работа во многом обесценивается.
Чтобы аустенит стал мартенситом, скорость падения температуры должна быть больше критической. В противном случае мартенсит распадется на комбинацию бейнита, троостита и сорбита.
Если сплав содержит легирующие добавки, то критичная скорость манипуляции понижается, мартенсит оказывается более стойким к распаду.
Однако нахождение дополнительных элементов в виде соединений, напротив, приводит к возникновению центров кристаллизации. Из-за них охладительный процесс заметно осложняется.
В целом эвтектоидные стали имеют самую низкую критическую скорость среди других углеродистых сплавов. Но и тут есть отличия между марками, партиями с различным химическим составом.
Остужать металл при содержании углерода свыше 0,3% можно преимущественно водой.
Такой метод более привлекателен, нежели использование спокойного воздуха и другие решения. Охлаждающую способность воды могут регулировать введением дополнительных компонентов.
Подбор идеального охлаждающего агента на все случаи жизни невозможен, и технологи вынуждены соблюдать баланс. Прерывистая закалка в двух средах близка к оптимальному режиму, но провести ее грамотно могут лишь квалифицированные термисты.
При ступенчатом закаливании мартенситное превращение происходит в воздушной среде.
Отжиг доэвтектоидной стали
- Для доэвтектоидной стали применяют следующие виды отжига (рис.40):
- -полный;
- -изотермический;
- -нормализация;
- -патентирование.
- Рис.40 Основные виды отжига доэвтектоидной стали:
- 1- полный; 2- изотермический; 3 -нормализация;4 — патентирование.
Полный отжигпроводится с нагревом стали в область аустенита.Полному отжигу подвергают доэвтектоидные стали (со структурой перлит + феррит). При нагреве выше критической точки Ас3 происходит полная перекристаллизация стали и соответственно образование структуры аустенита. Температура нагрева должна превышать точку Ас3 на 30-50 град. В этом случае мы получим структуру мелкозернистого аустенита. При несоблюдении такого интервала перегрева может сохраниться часть феррита (при недогреве), а при перегреве произойдет рост зерна аустенита. При последующем медленном охлаждении в результате протекания эвтектоидного превращения происходит распад аустенита с образованием структуры перлита и феррита. Если до отжига в виду определенных причин структура была крупнозернистой (сталь с такой структурой обладает неудовлетворительными механическими свойствами), то при фазовой перекристаллизации образуется структура мелкозернистого аустенита, которая при последующем охлаждении превращается в мелкозернистую структуру перлита и феррита.
Изотермический отжиг. В заводской практике с целью экономии времени чаще проводят изотермический отжиг.
Сталь нагревают выше критической точки в одной печи, затем быстро охлаждают переносом в другую печь до температуры, лежащей на 50-100 град ниже равновесной точки А1 и выдерживают до полного распада аустенита.
Поскольку температуру контролировать легче, чем скорость охлаждения, такой отжиг дает более стабильные результаты. В настоящее время изотермический отжиг применяют чаще, чем отжиг с непрерывным охлаждением, особенно для легированных сталей, так как это сокращает продолжительность операции.
Нормализация – это термическая операция, которая заключается в нагреве стали до аустенитного состояния (выше А3 или выше Аcm) и охлаждение на воздухе.
При нормализации охлаждение проводят на спокойном воздухе. При этом скорость охлаждения составляет 200–250 град/час. Нормализация – более дешевая операция, чем отжиг, т.к. печи используют только для нагрева и выдержки при температуре нормализации. Охлаждение осуществляют на воздухе, вне печи. Более быстрое охлаждение приводит к получению в стали более мелкозернистой структуры.
Отжиг и нормализация обычно являются первоначальными операциями термической обработки, цель которых – устранить дефекты предыдущих операций горячей обработки (литья и ковки), или подготовить структуру к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием или закалке).
Однако довольно часто отжиг, а особенно нормализация, являются окончательной термической обработкой.
Это происходит в том случае, когда после отжига или нормализации сталь имеет свойства, удовлетворительные с точки зрения эксплуатации детали, и не требуется дальнейшего их улучшения с помощью закалки и отпуска.
Для низкоуглеродистых нелегированных сталей разница в свойствах между отожженным и нормализованным состояниями практически отсутствует. Эти стали рекомендуется подвергать не отжигу, а нормализации. Для среднеуглеродистых сталей (0,3 – 0,5%С) различие в свойствах стали после отжига и нормализации существенно. В этом случае нормализация не может заменить отжига.
Но для этих сталей (если речь не идет о деталях ответственного назначения) нормализация может заменить более дорогую термическую обработку – улучшение. Нормализация в этом случае придает стали по сравнению с отожженным состоянием более высокую прочность, но по сравнению с улучшенным состоянием нормализованная сталь имеет несколько меньшую пластичность и вязкость.
Патентирование.Патентирование применяется для получения высокопрочной канатной проволоки.
При этом сталь нагревают до температуры превышающей А3 на 1050-2000С, а затем охлаждают до 450-5500С в соляной или свинцовой ванне и наматывают на барабан.
После такого отжига сталь имеет структуру мелкозернистого троостита. Затем сталь подвергается волочению, что позволяет получить предел прочности до 2000-3000МПа.
Доэвтектоидные стали: характеристика, обработка и сфера применения | Полезные статьи о металлопрокате
Одним из самых распространенных классов металлов на сегодняшний день являются углеродистые стали, которые нашли широкое применение в промышленной и строительной отраслях. Их также называют техническим железом, позволяющим добиться высоких эксплуатационных качеств готовых изделий и получить различный эффект благодаря той или иной структуре материала, выборе технологии обработки.
Стандартная характеристика такого металла – прочность и устойчивость к нагрузкам. Однако есть в группе вещество с особенными свойствами.
Это так называемая доэвтектоидная сталь – более гибкая, пластичная, с хорошей стойкостью и меньшей предрасположенностью к образованию коррозии.
С данным сплавом, его характеристиками, особенностями и технологией производства мы и предлагаем разобраться более детально.
Понятие доэвтектоидной стали представляет собой сугубо технологический момент. Дело в том, что технологи для классификации железоуглеродистых сплавов пользуются специальной диаграммой.
В ней есть точка S – эвтектоидная, и в зависимости от того, с какой стороны от нее расположено соединение, осуществляется его классификация.
Различают классическую эвтектоидную сталь, до- и заэвтектоидную с различным процентом углерода в составе и наличием примесей.
Рассматриваемый нами доэвтектоидный сплав находится левее заданной точки, как бы до нее (отсюда название) и обладает следующими характеристиками:
- концентрация углерода до 0,8%;
- основные структурные составляющие сталей – феррит и перлит, которые могут иметь разное процентное соотношение между собой и тем самым варьировать насыщенность углерода.
По этим двум признакам мы можем отнести сталь к рассматриваемой группе, и именно они являются определяющими при классификации.
Как мы уже сказали, структурно у доэвтектоидного железоуглеродистого сплава выделяют два основных компонента:
- феррит – светлые полигональные зерна, слабо поддающиеся травлению;
- перлит – смесь феррита с цементитом, более темные зерна или пластины.
В нормализованных или отожженных сталях данные частички хорошо различимы под микроскопом, что сводит к минимуму необходимость химического анализа сплава. Есть здесь, к слову, еще один интересный нюанс. Обе разновидности частиц имеют одинаковый удельный вес, то есть по количеству в общей массе можно определить занимаемую площадь.
Плюс – углерод содержится именно в перлите, посему при изучении металла под микроскопом получится сделать примерный вывод о проценте углерода. Чем больше темных включений в доэвтектоидной стали по сравнению со светлыми, тем выше концентрация углерода.
Но помним, она не может превышать 0,8%, иначе такой сплав будет считаться уже обычным эвтектоидным.
Для легированной стали, нужно заметить, такой способ определения состава не применим. Потребуется уже полноценный химический анализ.
Структура и фракционные параметры частиц доэвтектоидных сплавов определяется температурным режимом нагрева и охлаждения материла.
Технология производства предполагает химический распад аустенита (высокотемпературная модификация железа с тем же ферритом и перлитом в составе) на фоне понижения температуры. Дисперсность соединения зависит от уровня переохлаждения металла.
Грамотное варьирование уровня нагревания и последующего охлаждения позволяет в итоге получить сталь с теми или иными заданными характеристиками.
Технологично процесс изготовления доэвтектоидной стали мало чем отличается от работы с другими черными сплавами. Имеет место процедура отжига и нормализации, однако с некоторыми особенностями.
Сначала отжиг. Как было сказано, данная сталь состоит из перлитных и ферритных участков, но при определенной температуре нагрева начинается его фазовая перекристаллизация. Из перлита формируется мелкозернистый аустенит (концентрация углерода при этом остается на том же уровне), затем в нем растворяется излишняя часть феррита и т. д.
Если температура слишком высокая и воздействует очень долго, получается чистый аустенит и в конце концов теряет качество. Вместо уменьшения зерен для нужной текстуры мы получаем их разбухание и брак плавки. Так, температура для закаливания стали подбирается индивидуально и не должна существенно превышать нормальный температурный показатель.
Главный нюанс работы с доэвтектоидным сплавом – обеспечение распада аустенита вместе с охлаждением металла.
В металлообработке используются две разновидности отжига:
- полный, предусматривающий интенсивное нагревание до температуры 700–800 градусов с последующей нормализацией охлаждением. Такой уровень температуры активизирует процесс распада частичек феррита, а скорость охлаждения эффективно регулируется персоналом посредством открытия/закрытия дверцы или программой современной изотермической печи;
- неполный отжиг, при котором сталь нагревается до более высоких температур, но обжигается уменьшенный промежуток времени. Таким способом не получается устранить феррит полностью, но сохраняется мягкость структуры материала. Здесь решающую функцию выполняет быстрое падение температуры, скорость которого должная быть больше критической. При содержании углерода свыше 0,3% остужать можно преимущественно водой с включением различных добавок при необходимости.
За обжигом доэвтектоидных углеродистых сталей следует их нормализация, предполагающая дополнительный нагрев и остужение.
Нагреваться металл на этом этапе может до 1000 градусов и выше, а непосредственно его нормализация начинается уже при охлаждении на спокойном воздухе – после завершения термической обработки. В результате структура становится еще более мелкозернистой.
Если, конечно, тщательно соблюдать технологию производства. Посредством этой манипуляции получается также повысить дисперсность металла.
Далее допускается проведение еще одной процедуры – нагрев стали с продолжительной выдержкой и последующим медленным остужением в печи или при комнатной температуре на воздухе. Практика показывает, что наиболее качественные изделия получаются после прохождения полного цикла нормализации.
Структурно-химический состав определяет характеристики доэвтектоидных сталей и закладывается в их маркировке. Углеродистые сплавы нормального качества и конструкционного назначения имеют обозначаются сокращением «Ст».
Далее идет число, которое соответствует марочному номеру и показывает твердость, прочность материала. Чем больше это число, тем более прочная и твердая, но менее пластичная получается сталь.
Особо качественные типы металла промаркировывают двузначными числами, которые обозначают долю углерода в составе сотыми частями процента.
После числа могут стоять дополнительные символы: «кп, сп и пс». Они расшифровываются следующим образом:
- кп – кипящая, полностью нераскисленная сталь;
- сп – спокойная, полученная посредсвом полного раскисления;
- пс – промежуточная, полуспокойная.
Встречается также обозначение «У», которое применяется в отношении инструментальных сталей такого типа, и включает числовой коэффициент в десятых долях процента. При высоком качестве после цифр добавляется буква «А», обозначающая уменьшенное содержание вредных примесей.
Примеры маркировок – Ст2кп, Ст6пс, У7, У8А и другие, согласно ГОСТам. Данные параметры строго регламентированы государственными стандартами.
На практике доэвтектоидная сталь получила достаточно широкое распространение, даже несмотря на пониженную прочность относительно других разновидностей. Самые распространенные области применения – строительство и машиностроение.
В машиностроении часто используются детали, выполненные из доэвтектоидного сплава высоких марок после полного обжига и нормализации. Если структура отличается низким содержанием ферритов, он больше подходит для строительства.
Из таких сталей изготавливаются различные конструкции и элементы, для которых не слишком важна механическая прочность, больше упругость и износоустойчивость. Данное решение в том числе позволяет добиться существенной экономии.
Наиболее гибкие виды металла, как правило, идут на производство крепежных метизов и кровельных материалов. Так, пододрав подходящую марку доэвтектоидной стали под заданные цели, можно получить необходимый, высококачественный и финансово выгодный результат.
Получение структуры доэвтектойдной стали
Структура доэвтектойдной стали образовывается в результате распада аустенита при охлаждении, состоит из феррита и феррито-цементита смеси (перлита), дисперсность которой зависит от степени переохлаждения, и по мере снижения температуры превращение имеет все большую дисперсность (зернистый перлит, пластичный перлит, сорбит, тро-остит). Количество перлита и феррита зависит от содержания углерода в стали, при содержании < 0,02% C структура состоит из феррита, при содержании 0,8%С - из одного перлита.
Основной фактор, от которого зависит микроструктура стали после отжига 2-го рода, — это степень переохлаждения аустенита. Разновидности отжига 2-го рода различаются главным образом способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита, а также положением температур нагрева относительно критических точек.
Необходимая степень переохлаждения аустенита достигается или при непрерывном охлаждении, или при изотермической обработке.
На рисунке на примере доэвтектоидной стали схематично изображены режимы охлаждения, соответствующие основным разновидностям отжига 2-го рода: полный (1), изотермический (2), нормализационный (3) отжиг (нормализация) и патентирование (4).
При отжиге или нормализации для получения мелкого зерна необходимо тщательно следить за показаниями термопары и не допускать перегрева, т.е. сильного повышения температуры по сравнению с нормальной температурой отжига или нормализации.
При перегреве мелкие вначале зерна аустенита начнут расти, сделаются крупными (см. фиг.93), а из крупных зерен аустенита получатся при последующем охлаждении крупные зерна феррита и перлита.
Перегретая при отжиге сталь получится такой же крупнозернистой, какой она была и до отжига.
Схема изменения структуры доэвтектоидной стали при отжиге и нормализации.
Полный отжиг
При отжиге сталь после нагрева выше критической точки медленно охлаждается вместе с печью. Проведение отжига 2-го рода основано на использовании фазового превращения в отличие от отжига 1-го рода, основанного на рекристаллизации, снятии макронапряжений и других структурных изменениях, необязательно связанных с фазовыми превращениями.
Для проведения полного отжига доэвтектоидную сталь нагревают до температур на 20 — 40°С выше точки Ас3.
- Рисунок 2. Температура нагрева сталей для отжига 2-го рода:
- 1 — полный отжиг;
- 2 — неполный отжиг;
- 3 — сфероидизирующий отжиг;
- 4 — нормализация.
Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью, чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлаждения. Так как в легированных сталях аустенит более склонен к переохлаждению (смотрите рисунокСхематические диаграммы изотермического распада аустенита), то их следует охлаждать при отжиге с меньшей скоростью, чем углеродистые.
Если углеродистые стали можно охлаждать при отжиге со скоростью 200 град/ч, то легированные — со скоростью 100 — 30 град/ч. Скорость охлаждения при отжиге можно регулировать, охлаждая печь с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом, и перегружая садку в специальную камеру замедленного охлаждения.
Рисунок 3. Микроструктура доэвтиктоидной стали. Х 100:
- а — видманшеттова структура литой стали;
- б — та же сталь после полного отжига.
- Если температура окончания горячей обработки давлением (ковки, прокатки) слишком высока, то успевает вырасти крупное зерно аустенита, а если температура слишком низка, то возникает строчечная структура.
- Рисунок 4. Строчечная структура доэвтектоидной стали:
- а — Х 70;
- б — Х 300.
У сварного шва имеются такие же недостатки структуры, как у литой стали, причем по соседству с зоной литой структуры находится зона стали, перегретой в твердом состоянии. Во время проведения операций термической обработки возможен перегрев стали. Например, при гомогенизационном отжиге сталь необходимо нагревать до температур 1100 — 1200°С, при которых вырастает крупное аустенитное зерно.
Для устранения указанных недостатков структуры, возникших при литье, горячей деформации, сварке и термообработке, необходимо провести полную фазовую перекристаллизацию. При нагреве до температуры Ас3+ (20 — 40°С) образуется мелкое аустенитное зерно, из которого при охлаждении складывается равномерная и мелкая структура, состоящая из феррита и перлита.
Иногда однократного отжига бывает недостаточно для исправления структуры стали.
Это объясняется, во-первых, тем, что образующиеся при нагреве аустенитные зерна находятся в ориентационной связи с исходной видманштеттовой структурой или структурой бейнита и мартенсита, образовавшихся при подкалке на воздухе отливок, сварных швов и горячего проката из легированных сталей. При такой исходной структуре обычный отжиг не исправляет грубозернистого излома (смотрите Образование аустенита при нагревании). Во-вторых, при горячей деформации шлаковые и сульфидные включения вытягиваются вдоль полос феррита. При обычном нагреве до Ас3 + (20 — 40°С) эти включения не растворяются в аустените и ориентируют при последующем охлаждении выделяющийся феррит, т.е. строчечность не устраняется обычным отжигом.
В рассмотренных случаях можно применять двойной отжиг: вначале при повышенной, а затем при нормальной температуре.
Первый высокотемпературный отжиг (выше точки b Чернова) необходим для развития первичной рекристаллизации аустенита, устраняющей его ориентационные связи с исходной кристаллографически упорядоченной структурой (смотрите Образование аустенита при нагревании), а также для растворения вытянутых шлаковых и сульфидных включений.
Второй отжиг при нормальной температуре устраняет структуру перегрева от первого отжига. Целям обычного полного отжига, измельчающего зерно, противоположна цель отжига, увеличивающего зерно. Отжиг на крупное зерно с нагревом до 950 — 1100°С применяют к мягким низкоуглеродистым сталям для улучшения обрабатываемости резанием.
Такие стали дают вязкую, трудно отделяемую стружку, способны привариваться к режущему инструменту, что делает поверхность шероховатой.
Улучшению качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей способствует структура с крупными колониями пластинчатого перлита, которую и получают при высокотемпературном отжиге, увеличивающем зерно.
Большая Рнциклопедия Нефти Рё Газа
Cтраница 1
Структура доэвтектоидной стали при нагреве до температуры Асг состоит из зерен перлита и феррита ( фиг.
В точке Асг начинается фазовая перекристаллизация перлита, который превращается в мелкозернистый аустенит.
Фазовая перекристаллизация вызывается аллотропическим превращением решетки Р°-железа перлита РІ — железо аустенита. РџСЂРё нагреве РѕС‚ температур РђСЃРі РґРѕ РђСЃ3 избыточный феррит растворяется РІ аустените.
При температуре Ас3 фазовая перекристаллизация заканчивается и весь феррит оказывается растворенным в аустените. Аналогичные превращения протекают и в заэвтектоидной стали.
При нагреве до температуры Ас перлит превращается в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве избыточный ( вторичный) цементит растворяется в аустените.
Выше температуры Ас3 и Аст будет только один аустенит. С дальнейшим повышением температуры происходит рост зерен аустенита всех сталей ( доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных) с различной степенью интенсивности для разных сталей. [1]
Структура доэвтектоидной стали при нагреве до точки ACi состоит из зерен перлита и феррита ( см. рис. 8.
1), При дальнейшем нагреве от точки ACl начинается фазовая перекристаллизация перлита, превращающегося в аустенит. [2]
Структура доэвтектоидной стали, подвергнутой неполной закалке Мартенсит и феррит. [3]
Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита. [5]
Структура доэвтектоидной стали при нагреве до точки Ас состоит из зерен перлита и феррита ( фиг. В точке Ас начинается фазовая перекристаллизация перлита, который превращается в аустенит.
При нагреве1 от температур Ас до Ас3 избыточный феррит растворяется в аустените. В точке Ас3 фазовая перекристаллизация заканчивается, и весь феррит оказывается растворенным в аустените.
[6]
Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки Ас ( см. рис. 9.3) представляет собой смесь перлита и феррита.
При дальнейшем нагреве ( от точки Acl до точки Ас3) избыточный феррит растворяется в аустените, при достижении точки Асу ( линия GS) этот процесс заканчивается.
Выше точки Ас структура стали становится аустенитной. [7]
- Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. [8]
- В структуру доэвтектоидных сталей при комнатной температуре входят феррит и перлит. [10]
- В структуре доэвтектоидной стали, помимо перлита, присутствует феррит. [11]
- В структуре доэвтектоидных сталей, кроме перлита, присутствует избыточный феррит. [12]
- В структуре доэвтектоидных сталей, кроме перлита, присутствует избыточный феррит. [13]
- Рассмотрим изменение структуры доэвтектоидной стали с 0 4 % С в зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения. [14]
- После термической обработки структура доэвтектоидной стали состоит из пластинчатого и зернистого перлита с избыточным ферритом. [15]
- Страницы: 1 2 3
Микроструктура углеродистой стали после отжига 2-го рода
Металлургия производит огромное количество марок стали. Для выполнения разных задач часто требуются специфические характеристики металла, которые обеспечить заводы не в состоянии. Тогда на обрабатывающих предприятиях производится доработка сырья до нужной кондиции. Отжиг стали — одна из наиболее частых операций по приданию нужных качеств.
История и технология отжига стали
Отжиг стали предполагает применение переменных температур: нагревание до высоких значений без потери формы и охлаждение в заданном температурном режиме приводит к структурным изменениям кристаллической решетки, сплав получает новые качества, нужные для решения конкретных задач.
Отжиг стали улучшает технологические характеристики металлов. Принято различать 2 разновидности отжига — 1 и 2-го рода.
При первом воздействие выполняется наклепом, который понижает внутренние напряжения рекристаллизацией. Этим устраняются последствия обработки давлением, снижение прочностных характеристик и увеличение пластичности. Изделия приобретают повышенную надежность и долговечность.
Второй род воздействия включает прогревание проката до уровня, превышающего критические точки, в особых режимах охлаждения по сроку и температуре.
Итогом становится качественное изменение структурных решеток и получение заданных характеристик материала. Проведение отжига сопряжено с риском пережога.
Возникновение необратимых негативных изменений структуры приводит к переплавке проката и изделий.
Точки Чернова
Расчет температурных режимов выполняют, используя открытые в 1868 г. русским ученым Д.К. Черновым критические точки, зависящие от значения температур и %-ого содержание углерода, в которых изменяются фазовые состояния и структурное строение металлов.
Открытие Чернова — фундамент создания науки о металлах: впервые установлена связь между режимом обработки, структурным видом и характеристиками сплавов. Применение критических точек дает возможность построения различных режимов термообработки металла.
Точки Чернова обозначают литерой А с добавлением индекса, указывающего соответствие точки воздействию:
- «c» — нагреву, от французского chauffage – нагревание;
- «r» — охлаждению, refroidissement – на французском языке.
Диаграмма, построенная на точках Чернова:
Сечение «I» на диаграмме соответствует доэвтектоидной стали. Пересечение линии диаграммы, по горизонтали температуры и вертикали, соответствующей %-му содержанию углерода в сплаве, определяет искомые критические значения.
В процессе нагревания сечение «I»проходит следующие критические точки:
- При температуре 210°С пересекает пунктир, проходящий по линии QP — точка Ас 0, которая отмечает потерю цементитом магнитных свойств.
- t=727°С на линии PG находится точка Ас 1 превращения перлита в аустенит.
- t=768°С на линию PG приходится точка Ас 2 потери магнитных свойств — магнитного железо переходит в немагнитное.
- Последующее повышение t° до пересечения с линией GS показывает переход стального сплава в однофазное аустенитное состояние (перекристаллизация заканчивается. Температура этой точки зависит от состава конкретного металла.
- Охлаждение не меняет номеров точек, не вызывает обратной перестройки материала.
- Линия «II» выстроена для эвтектоидных сталей.
- В промышленности для термообработки проката и изделий используют в печи конструкций:
- камерные — для заготовок небольшого объема;
- шахтные — работают на газе и электроэнергии, выполняют различные технологические задания;
- печи с выдвигающимся полом — обработка крупногабаритного проката и узлов;
- вакуумные — для быстротекущих сплавов, тугоплавкого металла, титана, меди.
Виды
Выделяется два ключевых метода отжига — 1-го и 2-го рода. Первый вариант подразумевает обработку теплом, после которой не изменяется структура материала. Однако он обретает нужные параметры. При проведении обработки 2-го рода структура металла изменяется кардинально. При этом нужно правильно провести охлаждение, чтобы не ухудшить характеристики.
Изотермический
Принцип изотермического отжига заключается в том, что сырье нагревается до аустенитного состояния. Далее происходит процесс охлаждения. Температура медленно опускается до 680 градусов по Цельсию.
Деталь выдерживается при низкой температуре до тех пор, пока не получится перлит. Далее изделию дают остыть при комнатных условиях. Этот вид обработки применяется при производстве легированных сталей.
Изотермический нагрев отличается от других видов удержанием одной температуры при охлаждении. Это позволяет добиться равномерного и полноценного изменения структуры, что положительно влияет на технические характеристики сплавов, однородных металлов.
Изотермический отжиг
Диффузионный
Экстремальный вид разогрева изделий. Диффузионный отжиг проводится при критических показателях. После такого способа обработки у материалов увеличивается пластичность, снижается твердость. Можно применять больше методов для дальнейшей работы с заготовками, затрачивать меньше энергии.
Углеродистая сталь, марки, типы, свойства и качества
При повышении температур свыше критической отметки нужен строгий контроль. Если технология применяется с ошибками или отклонениями, можно пережечь заготовку. Чтобы выбрать правильный температурный режим, был разработан справочник. Диффузный разогрев позволяет добиться следующих изменений:
- увеличения зёрен;
- уменьшения избыточных фаз;
- нормализации структуры изделия.
Однако есть один минус. Из-за экстремальной обработки увеличиваются поры, что негативно сказывается на целостности заготовки.
Рекристаллизационный
Рекристаллизационный отжиг — метод, с помощью которого металлурги избавляются от большинства минусов металла, сплава. Заготовки разогревается свыше температуры изменения структуры на 200 градусов. Так обрабатываются металлические прутья, арматура, проволока, листовой прокат.
Полный
При выполнении полного разогрева металлических деталей их температура повышается до критических отметок. После этого температурный режим устанавливается в одном положении, деталь выдерживается определённый промежуток времени. Далее заготовка охлаждается по специальному графику.
Неполный
Процесс неполного нагрева отличается от полного тем, что температура металлических деталей не доходит до критического уровня. Длительное охлаждение также не требуется.
Технологии точно описаны ГОСТами, которые устанавливают ряд правил относительно их проведения. Нарушение требований может привести к браку изделий, разрушению оборудования.
Что даёт отжиг металлов
Отжиг выполняется для придания стали нужных качеств:
- снятия внутренних напряжений, полученных первичной обработкой металла — проявляется структурный дисбаланс, который можно снять определенным способом термообработки, получив необходимые характеристики сплава для решения конкретных задач;
- увеличения прочностных и механических характеристик — изделия после отжига долговечнее и прочнее;
- изменения внутренней структуры — под действием высокой температуры изменяется молекулярная структура металла, становится однородной (гомогенной), что упрощает проведение последующих обработок;
- улучшения пластичности, уровня сопротивления, вязкости при ударах — улучшение качественных характеристик после отжига снижает затраты на конечную доводку металлоизделий до требуемых параметров.
Способ и режим термообработки назначается по составу сплава.
Шпаргалки к экзаменам и зачётам
| Cмотрите так же… |
| Шпаргалки по материаловедению |
| Особенности атомно-кристаллического строения металлов |
| Кристаллизация металлов |
| Механизм процесса кристаллизации металлов |
| Сплавы – механические смеси |
| Методика построения 2х компонентных диаграмм состояния |
| Сплавы – твердые растворы |
| Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью |
| Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью |
| Правило отрезков |
| Закон Курнакова |
| Механические свойства металлов и методы их определения |
| Сплавы железа с углеродом |
| Диаграмма состояния железо – углеродистых сплавов |
| Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов |
| Чугуны. Химический состав, классификация и назначение серых чугунов |
| Влияние скорости охлаждения на процесс графитизации в серых чугунах |
| Ковкие чугуны и высокопрочные чугуны |
| Первое основное превращение стали (перлит -> аустенит) |
| Второе основное превращение стали (аустенит ->перлит) |
| Мартенситное превращение и его особенности |
| Четвертое основное превращение (превращение мартенсита при отпуске) |
| Отжиг стали, виды отжига, режим, назначение |
| Нормализация сталей |
| Закалка стали. Условия полной закалки сталей. |
| Отпуск углеродистых сталей |
| Определение критических точек в стали методом пробных закалок. |
| Легированные стали, особенность химического состава |
| Классификация легированных сталей |
| Особенности термической обработки инструментальных быстрорежущих сталей |
| Цементация стали |
| Термическая обработка после цементации |
| Азотирование |
| Закалка токами высокой частоты |
| Отпускная хрупкость легированных сталей |
| Инструментальные стали |
| Штамповые стали для холодного и горячего деформирования металла |
| Полимеры и их классификация |
| All Pages |
Загрузка...
