Изменение свойств при закалке.

ЗАКАЛКА.

Закалка -это термическая обработка металла, при которой главным процессом является формирование неравновесной структуры во время ускоренного охлаждения.

Закалку, как и отжиг 2-го рода, можно применять только к тем металлам и сплавам, в которых имеются фазовые превращения в твердом состоянии.

Основные параметры закалки — температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Температура нагрева и время выдержки должны быть такими, чтобы произошли необходимые структурные изменения. В этом отношении закалка аналогична отжигу 2-го рода.

Скорость охлаждения при закалке должна быть достаточно велика, чтобы при понижении температуры не успели пройти обратные фазовые превращения (эвтектоидный распад,, выделение избыточной фазы из матричного раствора и др.), связанные с диффузией или самодиффузией. В этом состоит принципиальное отличие закалки от отжига 2-го рода.: Существуют три принципиально различающихся вида закалки: закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением и закалка с плавлением поверхности.

Закалка без полиморфного превращения — это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре.

Закалка без полиморфного превращения применима к любым сплавам, в которых одна фаза полностью или частично растворяется в другой.

Так как составы а- и В-фаз различны, то выделение В-фазы связано с диффузионным перераспределением компонентов. При достаточно быстром охлаждении диффузионное перераспределение, необходимое для зарождения и роста кристаллов В-фазы, не успевает пройти и В-фаза не выделяется из а-раствора. После такой термообработки (закалки) сплав при комнатной температуре состоит из одной а-фазы, как и при температуре нагрева под закалку. При температуре нагрева под закалку Тз в сплаве твердый раствор ненасыщенный, после закалки а-раствор при комнатной температуре имеет такой же состав, как и при температуре закалки, но он уже пересыщенный.

Таким образом, при закалке без полиморфного превращения образуется пересыщенный твердый раствор. Такая закалка к чистым металлам принципиально неприменима.

Принципиально закалка без полиморфного превращения возможна всегда, когда в равновесном состоянии при разных температурах имеется различие в химическом составе фаз.

НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ ЗАКАЛКЕ.

НАГРЕВ ПРИ ЗАКАЛКЕ.

Основное исходное положение при выборе температуры закалки — возможно более полное растворение избыточных фаз в матричной фазе.

Если сплав расположен в той области диаграммы состояния, где он способен при нагреве полностью перейти в однофазное состояние, температура закалки должна находиться выше линии сольвуса двойной системы. При закалке сплава с температуры ниже Т₀ сохраняется не растворившаяся В-фаза и матричный а-раствор оказывается менее легированным, чем при закалке с температур выше Т₀ .

Верхнюю границу интервала закалочных температур во избежание пережога выбирают ниже точки солидуса сплава с учетом возможного перепада температур в садке и точности теплового контроля. Пережог — это неисправимый и самый опасный брак.

Возможная ширина интервала закалочных температур в двойной системе определяется «вилкой» между точками солидуса и сольвуса.

При закалке литейных сплавов, которые в отличие от деформируемых предварительно не подвергают гомогенизационному отжигу и технологическому нагреву для горячей обработки давлением, необходимо учитывать плавление неравновесной эвтектики

Если для более полного растворения избыточных фаз литейный сплав необходимо нагревать до температуры выше точки неравновесного солидуса, то проводят ступенчатый нагрев: при температуре первой ступени, которая должна быть ниже точки неравновесного солидуса, растворяется легкоплавкая составляющая и окончательную температуру закалки можно поднять, не опасаясь пережога.

Если содержание легирующего элемента превышает предел растворимости и сплав нельзя перевести в однофазное состояние, то температуру нагрева под закалку выбирают возможно ближе к эвтектической (перитектической) температуре с учетом технических возможностей избежать пережога. В зависимости от системы легирования, содержания легирующих элементов, от того, насколько сильно на свойства сплава Влияет неполнота растворения избыточных фаз, интервал закалочных температур составляет градусы и десятки градусов.

Если возможный интервал закалочных температур достаточно широк, то температуру нагрева внутри него выбирают более высокой, чтобы сократить продолжительность растворения избыточных фаз. Однако предельную температуру закалки может лимитировать не солидус, а рост зерна в реформированном сплаве. Кроме того, в некоторых полуфабрикатах требуется сохранить после обработки давлением нерекристаллизованную структуру, и поэтому температура нагрева под закалку не должна превышать температуру начала рекристаллизации.

Время выдержки при температуре нагрева под закалку выбирают так, чтобы завершились процессы растворения избыточных фаз. Чем дисперснее избыточные фазы, тем быстрее они растворяются. Время растворения избыточных фаз при нагреве под закалку литейных сплавов связано с толщиной их частиц соотношением

Охлаждение при закалке

С понятием «закалка» обычно ассоциируется представление о быстром охлаждении. Действительно, многие изделия закаливают в воде. Однако при закалке необязательно быстрое охлаждение.

Важно лишь, чтобы при охлаждении не успел произойти распад матричного раствора. В зависимости от скорости этого распада скорость охлаждения при закалке может быть различной. Для одних сплавов обязательна закалка в холодной воде, а другие, в которых раствор распадается медленно, можно закаливать с охлаждением на воздухе. Существует много промышленных, закаливаемых на воздухе.

СУБСТРУКТУРА.

С у б с т р у к т у р а п л а с т и н ч а т о г о м а р т е н с и т а характеризуется тем, что уже под световым микроскопом в сечении пластин можно увидеть среднюю линию или, точнее, среднюю зону повышенной травимости, называемую также мидрибом (СРЕДНЯЯ ПОЛОСКА).

Электронная микроскопия показала, что мидриб — это область с плотным расположением параллельных тонких двойниковых прослоек. Плоскость двойникования в мартенсите сплавов на железной основе чаще всего (112}м. Толщина двойниковых прослоек в зависимости от состава сплава и условий образования мартенсита колеблется от нескольких до сотен ангстрем. По обе стороны от средней двойникованной зоны находятся периферийные области мартенситной пластины, в которых видны дислокации с относительно небольшой плотностью.

В связи с тем что мартенситная пластина в общем случае состоит из средней зоны двойникования и периферийных зон скольжения, была выдвинута гипотеза о двух стадиях формирования мартенситной пластины. Вначале в образовании пластины (будущего мидриба) главную роль играет дополнительная деформация двойникованием. Из-за громадной скорости роста пластины теплота превращения не успевает отводиться и температура на поверхности пластины сильно возрастает, что приводит к смене механизма дополнительной деформации: переходу от двойникования к дислокационному скольжению (хорошо известно, что с понижением, температуры в металлах с о. ц. к. решеткой при быстрой пластической деформации скольжение заменяется двойникованием).

С у б с т р у к т у р а п а к е т н о г о м а р т е н с и т а качественно отличается от субструктуры пластинчатого мартенсита отсутствием зоны из тонких двойниковых прослоек. Субструктура пакетного мартенсита имеет сложное дислокационное строение, для которого характерны дислокационные сплетения при высокой плотности дислокации — порядка 10й — 1012 см- 2, т. е.'такой же, как и в металле после сильной холодной деформации. Рейки часто состоят из вытянутых слегка разориентированных субзерен. Двойниковые прослойки могут встречаться в пакетном мартенсите, но плотность их несравненно меньше, чем в мидрибе пластинчатого мартенсита, а многие рейки вообще не содержат двойников.

  С у б с т р у к т у р а о с т а т о ч н о г о а у с т е н и т а отличается от субструктуры исходного аустенита большей плотностью несовершенств, возникающих при локальной пластической деформации аустенита под действием мартенситных кристаллов. В аустените вблизи мартенситных кристаллов наблюдаются плоские скопления дислокаций, дислокационные сплетения и дефекты упаковки.

Упрочнение при закалке.

Важнейшее явление, сопровождающее закалку на мартенсит,— упрочнение, повышение твердости. Именно благодаря упрочнению и была открыта в древности, а затем широко использована закалка сталей.

Рассмотрим роль углерода в упрочнении мартенсита сталей. При закалке сталей достигается значительно большее упрочнение, чем в без углеродистых железных сплавах, причем эффект закалки повышается с увеличением содержания углерода в аустените.

Способность стали к повышению твердости при закалке называется закаливаемостью. Закаливаемость характеризуется максимальной твердостью, которая может быть получена при- закалке данной марки стали на поверхности изделия.

При мартенситном превращении аустенита образуется пересыщенный раствор углерода в а-железе и тем сильнее пересыщенный, чем больше углерода содержит аустенит. Интересно, что с ростом содержания углерода в мартенсите межатомные силы не только не усиливаются, а наоборот, даже несколько ослабевают. Это обусловлено увеличением расстояний между атомами железа под действием внедренных атомов углерода. Тем не менее углерод повышает твердость мартенсита. Объясняется это прежде всего тем, что атомы углерода, внедренные в решетку а-железа, затрудняют скольжение дислокаций в мартенсите (так называемый твердорастворный механизм упрочнения).

Другие механизмы упрочняющего влияния углерода связаны с взаимодействием его атомов с дефектами решетки. В период закалки или при вылеживании стали после закалки атомы углерода в кристаллах мартенсита образуют атмосферы на дислокациях, закрепляя их. Образование коттрелловских атмосфер при комнатной температуре завершается примерно за 1—2 ч.

 

Сильное упрочнение сталей при закалке на мартенсит обусловлено образованием пересыщенного углеродом а-раствора, появлением большого числа двойниковых прослоек и повышением плотности дислокации при мартенситном превращении, образованием на дислокациях атмосфер из атомов углерода и выделением из а-раствора дисперсных частиц карбида.

Упрочнение металлов и сплавов достигают также другими путями. При холодной пластической деформации твердость легко увеличить вдвое и даже втрое. Увеличивая концентрацию твердого раствора при легировании металла, особенно раствора внедрения, можно повысить твердость в несколько раз.

В сплавах других систем (не на основе железа) упрочнение при закалке на мартенсит может быть вызвано действием тех же механизмов, что и при закалке сталей и безуглеродистых железных сплавов. Наиболее общим является механизм фазового наклепа, свойственного всем мартенситным превращениям в металлах и сплавах и состоящего в увеличении плотности дефектов кристаллической решетки.

Строение бейнита

 В углеродистых сталях ниже изгиба С-кривой, в интервале примерно 500—250° С, происходит бейнитное превращение. Оно называется также промежуточным превращением — промежуточным между перлитным и мартенситным. Кинетика этого превращения и получающиеся структуры имеют черты кинетики и структур, наблюдаемых при диффузионном перлитном и бездиффузионном мартенситном превращениях.

 В результате бейнитного превращения образуется смесь а-фазы (феррита) и карбида, которая называется бейнитом. Карбид в бейните не имеет пластинчатого строения, свойственного перлиту. Карбидные частицы в бейните очень дисперсны, их можно обнаружить только под электронным микроскопом.

Различают «верхний» и «нижний» бейнит, образующийся соответственно в верхней и нижней части промежуточного интервала температур (условная граница между ними 350° С).

 Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний — игольчатое, мартенситоподобное. Нижний бейнит по виду микроструктуры бывает трудно отличить от отпущенного мартенсита. Верхний бейнит от нижнего можно более строго отличить по характеру распределения карбидной фазы. Электронномикроскопический анализ показал, что в верхнем бейните карбидные частицы расположены между пластинами феррита или по границам и внутри пластин, а в нижнем бейните включения карбида находятся только внутри пластин а-фазы.

Продукты изотермического превращения переохлажденного аустенита в промежуточном интервале температур по своим физическим свойствам, составу и структуре фаз близки к продуктам отпуска мартенсита закаленной стали, если- температуры бейнит8* 227 лого превращения и отпуска одинаковы Ферритная фаза в бейните является пересыщенным раствором углерода в а-железе. Карбидная фаза в верхнем бейните — цементит, а в нижнем бейните — е-карбид, который заменяется цементитом с увеличением времени выдержки (как и при отпуске стали).

ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛЕЙ

Объемная закалка сталей

Нагрев под закалку

Продолжительность выдержки при температуре нагрева должна быть такой, чтобы прошла гомогенизация аустенита. Скорость нагрева желательно иметь максимальной для повышения производительности. При закалке с высоких температур некоторых высоколегированных сталей для уменьшения термических напряжений используют ступенчатый нагрев.

Охлаждение при закалке

 Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин.

Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных и внутренних слоев в период охлаждения обусловливает возникновение термических напряжений.

Для сталей наиболее вероятно возникновение закалочных трещин в интервале температур ниже мартенситной точки, когда появляются структурные напряжения и образуется хрупкая фаза — мартенсит. Выше мартенситной точки возникают только термические напряжения, причем сталь находится в аустенитном состоянии, а аустенит пластичен.

Холодная вода — самый дешевый и весьма энергичный охладитель. Она быстро охлаждает и в перлитном, и в мартенситном интервалах температур. Добавки соли или щелочи увеличивают охлаждающую способность воды в перлитном интервале. Главный недостаток воды — большая скорость охлаждения в мартенситном интервале.

Минеральное масло медленно охлаждает в мартенситном интервале (это его главное преимущество), но оно медленно охлаждает и в перлитном интервале (это его основной недостаток). Поэтому масло применяют для закалки сталей с хорошей прокаливаемостью.

 Нагретая вода не может заменить масло, так как нагрев резко уменьшает скорость охлаждения в перлитном интервале, но почти не изменяет ее в мартенситном интервале.

Способы закалки

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650—400° С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения.

Для уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале применяют закалку в двух средах.Вначале деталь погружают в воду и после короткой выдержки в воде переносят в масло. Поэтому такой способ закалки называют закалкой через воду в масло.

Другой способ уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале — ступенчатая закалка. Нагретое до температуры закалки изделие быстро погружают в ванну с горячей средой, а затем после некоторой выдержки выдают на воздух или погружают в холодное масло. Основной недостаток ступенчатой закалки — малая скорость охлаждения в горячей среде.

Разновидностью ступенчатой закалки является закалка в горячей среде, температура которой несколько ниже мартенситной точки. Более низкая температура «ступеньки» обеспечивает большую прокаливаемость, а так как количество мартенсита еще невелико, то основные преимущества ступенчатой закалки сохраняются. Но править изделие при этом уже нельзя. При ступенчатой закалке используют три группы горячих сред: минеральные масла, расплавы селитр и расплавы щелочей. Если длина «ступеньки», находящейся в температурном интервале бейнитного' превращения, больше времени изотермического распада аустенита, то операцию термообработки называют изотермической или бейнитной закалкой.

Резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления — важное преимущество изотермической закалки. Кроме того, у изотермической закалки есть и другое преимущество. При бейнитном превращении в некоторых легированных сталях сохраняется большое количество остаточного аустенита, который не превращается в мартенсит при охлаждении после изотермической выдержки. Изотермическая закалка таких сталей обеспечивает высокую ударную вязкость, резко уменьшает чувствительность к надрезу по сравнению с закаленной на мартенсит и отпущенной сталью. Следовательно, изотермическая закалка позволяет повысить конструктивную прочность стали.

ЗАКАЛКА.

Закалка -это термическая обработка металла, при которой главным процессом является формирование неравновесной структуры во время ускоренного охлаждения.

Закалку, как и отжиг 2-го рода, можно применять только к тем металлам и сплавам, в которых имеются фазовые превращения в твердом состоянии.

Основные параметры закалки — температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Температура нагрева и время выдержки должны быть такими, чтобы произошли необходимые структурные изменения. В этом отношении закалка аналогична отжигу 2-го рода.

Скорость охлаждения при закалке должна быть достаточно велика, чтобы при понижении температуры не успели пройти обратные фазовые превращения (эвтектоидный распад,, выделение избыточной фазы из матричного раствора и др.), связанные с диффузией или самодиффузией. В этом состоит принципиальное отличие закалки от отжига 2-го рода.: Существуют три принципиально различающихся вида закалки: закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением и закалка с плавлением поверхности.

Закалка без полиморфного превращения — это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре.

Закалка без полиморфного превращения применима к любым сплавам, в которых одна фаза полностью или частично растворяется в другой.

Так как составы а- и В-фаз различны, то выделение В-фазы связано с диффузионным перераспределением компонентов. При достаточно быстром охлаждении диффузионное перераспределение, необходимое для зарождения и роста кристаллов В-фазы, не успевает пройти и В-фаза не выделяется из а-раствора. После такой термообработки (закалки) сплав при комнатной температуре состоит из одной а-фазы, как и при температуре нагрева под закалку. При температуре нагрева под закалку Тз в сплаве твердый раствор ненасыщенный, после закалки а-раствор при комнатной температуре имеет такой же состав, как и при температуре закалки, но он уже пересыщенный.

Таким образом, при закалке без полиморфного превращения образуется пересыщенный твердый раствор. Такая закалка к чистым металлам принципиально неприменима.

Принципиально закалка без полиморфного превращения возможна всегда, когда в равновесном состоянии при разных температурах имеется различие в химическом составе фаз.

ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ПРИ ЗАКАЛКЕ.

Изменение свойств при закалке зависит от фазового состава и особенностей структуры сплава в исходном и закаленном состояниях, от условий закалки, предыдущей обработки и других факторов. Направление и величина изменения свойств в разных сплавах весьма различны.

В действительности же закалка может и упрочнять, и разупрочнять сплав.

У одних сплавов закалка повышает прочность, но снижает пластичность, у других, наоборот, снижает прочностные характеристики и повышает показатели пластичности, а у третьих повышает и прочность, и пластичность. Наконец, у очень многих сплавов, к которым в принципе можно применить закалку, она практически не изменяет свойств. Сильное упрочнение с одновременным резким снижением пластичности в промышленных сплавах, подвергаемых закалке без полиморфного превращения, не наблюдается. При закалке без полиморфного превращения деформируемых сплавов наиболее частый случай — повышение прочности при сохранении высокой пластичности, которая может мало отличаться от пластичности отожженного сплава. Типичный пример-Дюралюмин-Д16.

Реже встречаются сплавы, у которых при закалке снижается прочность и сильно возрастает пластичность по сравнению с отожженным состоянием. Типичный пример — бериллиевая бронза.

Повышение или снижение прочности при закалке зависит от следующего. С увеличением концентрации легирующего элемента в твердом растворе прочность его возрастает. Поэтому пересыщенный раствор в закаленном сплаве прочнее менее легированного раствора в отожженном сплаве. Прочность отожженного сплава определяется прочностью матричного раствора, а также размером и структурой частиц избыточной фазы, и расстояниями между этими частицами. Если в отожженном сплаве торможение дислокаций избыточной фазой не вносит большого вклада в прочность двухфазной смеси (из-за большого расстояния между ее частицами), то при закалке упрочнение раствора благодаря увеличению его легированности перекомпенсирует разупрочнение, связанное с растворением избыточной фазы, и прочность сплава возрастает. Если же растворение избыточной фазы приводит к сильному разупрочнению, перекрывающему рост прочности, связанный с повышением концентрации матричного раствора, то сплав при закалке разупрочняется. На суммарном эффекте сказываются величина изменения растворимости при нагреве под закалку и прирост прочности матричного раствора, приходящийся на каждый процент растворяющегося элемента. При закалке литейных сплавов прочность и пластичность обычно растут по сравнению с литым состоянием.

В структуре литейных промышленных сплавов избыточные фазы обычно находятся в форме сравнительно крупных частиц с большим межчастичным расстоянием. После их растворения прочность сплава становится выше из-за большей легированности матричного раствора. По грубым и хрупким включениям избыточной фазы, например, интерметаллида, происходят отрыв и скол в литом сплаве. Поэтому пластичность сплава после закалки оказывается повышенной. Особенно сильно она возрастает при полном растворении избыточной фазы.

Основное назначение закалки без полиморфного превращения— подготовка сплава к старению. Закалку некоторых сплавов используют и как промежуточную смягчающую операцию (вместо отжига) перед холодной деформацией. Наконец, закалка служит окончательной термообработкой для придания изделию необходимого комплекса свойств. Однофазный закаленный сплав может обладать значительно большей пластичностью и более высокой стойкостью против коррозии, чем состаренный.