Закалка металла на мартенсит

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.

Закалка металла на мартенсит

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.

Закалка металла на мартенсит

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

Закалка металла на мартенсит

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.

Закалка металла на мартенсит

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!

Закалка металла на мартенсит

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.

Закалка металла на мартенсит

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.

Закалка металла на мартенсит

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.

Закалка металла на мартенсит

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.

Закалка металла на мартенсит

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.

Закалка металла на мартенсит

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.))

Всем удачной рабочей недели!

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Мартенсит закалки — неравновесная ( метастабильная) структура, сохраняющаяся благодаря малой подвижности атомов РїСЂРё РЅРёР·РєРёС… температурах.

При закалке в изделиях всегда возникают большие внутренние напряжения ввиду объемных изменений.

Для получения более равновесного состояния после закалки изделия подвергают отпуску, нагревая РґРѕ температур ниже Лсг Р�зучая процессы, происходящие РІ закаленной стали РїСЂРё нагреве, наиболее часто пользуются РїСЂРёР±РѕСЂРѕРј — дилатометром. Р’ РїСЂРёР±РѕСЂ помещают РґРІР° одинаковых РїРѕ размерам образца РёР· РѕРґРЅРѕР№ Рё той же стали. РћРґРёРЅ РёР· образцов находится РІ отожженном, РґСЂСѓРіРѕР№ — РІ закаленном состояниях. РџСЂРё нагревании РґРѕ температур ниже РђСЃ1 РІ отожженном образце никаких превращений РЅРµ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚, его размеры изменяются только Р·Р° счет теплового расширения, Р° РІ закаленном образце совершаются Рё структурные превращения, сопровождающиеся изменениями объема.  [1]

Мартенсит закалки — неравновесная ( метастабильная) структура, сохраняющаяся благодаря малой подвижности атомов РїСЂРё РЅРёР·РєРёС… температурах.

РџСЂРё закалке РІ — изделиях всегда возникают большие внутренние напряжения РІРІРёРґСѓ объемных изменений.

Для получения более равновесного состояния после закалки изделия подвергают отпуску, нагревая РґРѕ температур ниже РђСЃРі Р�зучая процессы, происходящие РІ закаленной стали РїСЂРё нагреве, наиболее часто пользуются РїСЂРёР±РѕСЂРѕРј — дилатометром. Р’ РїСЂРёР±РѕСЂ помещают РґРІР° одинаковых РїРѕ размерам образца РёР· РѕРґРЅРѕР№ Рё той же стали. РћРґРёРЅ СЂР· образцов находится РІ отожженном, РґСЂСѓРіРѕР№ — РІ закаленном Достояниях.  [2]

Мартенсит закалки представляет СЃРѕР±РѕР№ нестабильный пересыщенный твердый раствор углерода РІ искаженной Рё сильно напряженной атомной решетке Р°-железа.  [3]

Превращение мартенсита закалки РІ мартенсит отпуска способствует стабилизации размеров детали, что необходимо для измерительного инструмента, изготовляемого РёР· инструментальной стали. Этому инструменту также дают РЅРёР·РєРёР№ отпуск.  [4]

РџСЂРё этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится РІ отпущенный мартенсит, повышается прочность Рё немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Однако такое изделие ( если РѕРЅРѕ РЅРµ имеет РІСЏР·РєРѕР№ сердцевины) РЅРµ выдерживает значительных динамических нагрузок.  [5]

Читайте также:  Как заработать на металлолома с металлоискателем

РџСЂРё этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится РІ отпущенный мар-генеит, повышается прочность Рё немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь ( 0 6 — — 1 3 % РЎ) после РЅРёР·РєРѕРіРѕ отпуска сохраняет твердость РІ пределах HRC 58 — 63, Р° следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие ( если РѕРЅРѕ РЅРµ имеет РІСЏР·РєРѕР№ сердцевины) РЅРµ выдерживает значительных динамических нагрузок.  [6]

После РЅРёР·РєРѕРіРѕ отпуска снижаются закалочные напряжения, мартенсит закалки ( СЂРёСЃ. 3.12, 6) превращается РІ мартенсит отпуска ( СЂРёСЃ. 3.12, РІ), повышается прочность Рё несколько — вязкость.  [7]

Белые слои имеют более высокую, чем мартенсит закалки микротвердость.

Увеличение содержания углерода РІ стали, наличие РІ ней небольших количеств С…СЂРѕРјР°, молибдена, ванадия, вольфрама Рё никеля РІ результате легирования мартенсита Рё карбидов Рё измельчения структуры повышают микротвердость белых слоев.  [8]

Минимум теплоемкости при 180 С связан с превращением мартенсита закалки в мартенсит отпуска.

РџСЂРё температуре 250 — 300 РЎ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ преимущественно превращение остаточного аустенита Рё РїСЂРё температурах 350 — 450 РЎ идет коагуляция карбидов.  [9]

  • Р’ результате отпуска РїСЂРё 200 РЎ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ превращение мартенсита закалки РІ мартенсит отпуска, снижение внутренних напряжений Рё хрупкости; твердость остается почти без изменений.  [10]
  • Р’ результате отпуска РїСЂРё 200 РЎ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ превращение мартенсита закалки РІ мартенсит отпуска, снижение внутренних напряжений Рё хрупкости; твердость остается почти без изменений.  [11]
  • Р’ результате отпуска РїСЂРё 200 РЎ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ превращение мартенсита закалки РІ мартенсит отпуска, снижение внутренних напряжений Рё хрупкости; твердость остается почти без изменений.  [13]
  • Р’ результате отпуска РІ зависимости РѕС‚ температуры нагрева неустойчивая структура мартенсита закалки вследствие диффузионного перераспределения углерода превращается РІ более устойчивые структуры — мартенсит отпуска, троостит, СЃРѕСЂР±РёС‚ Рё перлит.  [14]
  • Страницы:      1    2    3    4

Мартенсит и мартенситные стали

Как фазовая структура мартенсит был обнаружен в начале 20 века. Исследование проводил инженер Адольф Мартенс, который занимался проблемой повышения усталостной прочности металлов. Обнаруженная структура отличалась повышенной износостойкостью и позволила производить детали, выдерживающие более высокие механические и температурные нагрузки.

Общие сведения о мартенсите

Структура на основе перенасыщенного твердого раствора углерода в железе называется мартенсит. Получается он методом переохлаждения аустенитной фазы. Другими словами, мартенсит – результат проведения закаливания сталей с содержанием углерода выше 0,3%. Кристаллы мартенсита имеют тетрагональную структуру, где атомы железа занимают место в узлах решетки.

На вид мартенсит представляет собой множественные темные иглы железа на светлом фоне. Угол наклона данных игл в среднем составляет 60 градусов относительно друг друга. Обнаружить следы углерода на поверхности мартенсита невозможно, т. к. он полностью находится в растворенном состоянии.

Мартенсит выделяется прочностью по сравнению с остальными фазами. Механические свойства до определенного момента в прямой зависимости от количества углерода в стали. Но стоит заметить, что после прохождения определенной отметки прочность падает, и начинает повышаться хрупкость.

Согласно исследованиям, проводимым в 30-х годах прошлого столетия советскими учеными, причины высоких механических характеристик мартенсита кроются в следующем:

  • Структура мартенсита имеет блочный характер, при том что сами блоки обладают достаточно малыми размерами.
  • Сопротивление статическим искажениям, что означает устойчивость положения атомов при их смещении от идеального размещения атомов в кристаллической решетке.
  • В случае воздействия механических нагрузок, и как следствие пластической деформации, выделяются мельчайшие твердые частицы, блокирующие скольжение слоев относительно друг друга и повышающие твердость сплава.

Твердость мартенсита имеет валатильный характер и зависит от температуры нагрева, охлаждения и времени выдержки стали. В среднем ее значение колеблется в пределах 35 — 70 единиц по шкале Роквелла. Также мартенсит выделяется большим удельным объемом. Его значение выше по сравнению с другими фазовыми структурами такими как аустенит, перлит и т. д.

Как следствие от всего вышесказанного, образование мартенсита сопровождается значительными изменениями стали в объеме. Это, в свою очередь, приводит к нежелательному повышению внутренней напряженности в структуре, которая в будущем может стать причиной появления трещин.

Мартенситное превращение

Мартенсит образуется только в среде аустенита. Причиной, по которой происходит данная трансформация, является наличие большого количества свободной энергии аустенитом. Катализатором процесса превращения служит температура, которая в зависимости от химического состава стали должна находиться на уровне 500-700 ºC.

Также доказано, что мартенситное превращение тесно связано с центрами кристаллизации, которые образуются при повышении температуры. Они стимулируют рост кристаллов, уплотняя атомы и увеличивая, соответственно, прочностные свойства стали. Данный процесс не требует большого количества энергии и активируется при достаточно низкой температуре.

Рост кристаллов происходит до тех пор, пока какой-либо из атомарных слоев входит как в мартенситную, так и в аустенитную кристаллическую решетку. Причем между данными структурами не должно быть разделительной поверхности.

В противном случае образуется сдвиг одной фазы относительно другой, что вызывает появление значительного количества напряжения на их границе. Напряженность провоцирует появление упругих деформаций, как следствие кристаллы (иглы) останавливают свой рост.

При трансформации аустенита в мартенсит не происходит образование новых химических соединений. Этот процесс структурный. Атомы меняют свое местоположение, что влияет на тип и размеры кристаллической решетки.

Мартенситное превращение требует наличия постоянного переохлаждения. Также стоит заметить, что увеличение объема структуры происходит не за счет роста отдельных игл, а по причине образования новых, меньших с точки зрения размеров кристаллов, мартенсита.

Среди особенностей мартенситного превращения выделяется то, что аустенит не может полностью перейти в мартенсит. Бывают исключения — стали, точка перехода аустенита в мартенсит которых лежит ниже нуля. Но в большинстве случаев всегда имеется некоторый объем аустенитных фаз, не претерпевших своих структурных изменений. Связано это с физическими особенностями железа и углерода.

Трансформация аустенита в мартенсит относится к одним из базовых структурных изменений не только у сталей, но и у сплавов на основе титана и меди.

Виды мартенсита

В зависимости от степени нагрева и температуры охлаждаемой среды получают различные типы мартенсита. Существуют следующие его основные виды:

  • Пластинчатый мартенсит
  • Реечный мартенсит.

Каждый из них имеет свои особенности и соответственно механические свойства.

Пластинчатый мартенсит наблюдается в основном в высокоуглеродистых конструкционных сталях. Он образуется в результате закалки и характеризуется наличием мартенситом формы в виде пластин. Предел прочности на разрыв такого мартенсита может доходить до 900 Мпа. Твердость до 75 HRC.

Реечный мартенсит получается в результате улучшения (закалка с высоким отпуском) легированных сталей. Структура данного типа имеет форму реек размером до 2 мкм. Такой вид мартенсита отличается большей износостойкостью и лучшей динамической вязкостью.

При соблюдении определенного режима температур структура стали может содержать мартенсит как реечного, так и пластинчатого типа.

Мартенситные стали

К сталям мартенситного типа относят высоколегированные стали, структура которых после проведения термической обработки представлена мартенситом.

Сам по себе мартенситный сплав плохо поддается резанию. Его обрабатываемость повышают путем проведения предварительного отжига при температуре 800-900 ºC.

Как правило, мартенситные стали легируются такими металлами как вольфрам, никель и молибден для повышения жаропрочности и коррозионной устойчивости сплава к агрессивному воздействию среды.

Также мартенситная сталь обладает таким полезным свойством как самозакаливание, т. е. самопроизвольное повышение твердости после проведения термической обработки.

Стали мартенситного класса относятся к 3 группе свариваемости. Проведение сварки требует предварительного нагрева до 200-300 ºC и последующего отжига детали. Все это необходимо для снижения внутреннего напряжения и уменьшения вероятности образования трещин на поверхности сварного шва. На практике данные стали свариваются методом аргонодуговой и электрошлаковой сварки.

Механические свойства сталей на основе мартенсита достаточно высокие. Так, марка 15Х5, применяемая при изготовлении сосудов высокого давления, имеет предел прочности на разрыв равным почти 400 Мпа.

Дополнительное легирование вольфрамом и ванадием сильно повышает жаропрочность сплава. Предел прочности стали 10ХМФБ составляет уже 600 Мпа. Сталь нашла применение в производстве коллекторов, трубопроводов и нагревательных котлов.

Увеличение содержания бериллия в составе мартенситных сталей способствует дальнейшему повышению их механических свойств. Предел прочности стали 12Х11В2МФ равен примерно 850 Мпа.

Такие марки применяются в производстве деталей, испытывающих повышенную тепловую и механическую нагрузку.

Например, в корпусе и роторе газовой и паровой турбины, а также в качестве материала для лопаток турбовинтовых компрессоров.

Стали мартенситного класса достаточно упруги и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Ударная вязкость колеблется в пределах 80-150 Джсм2. Ее значение в большей степени зависит от типа термической обработки и содержания тех или иных элементов. Наибольшее ее значение получается в результате проведения закалки с последующим высоким отпуском.

Мартенситные стали не отличаются высоким значением пластичности. Относительное удельное сжатие равно 14-24%. Данный параметр зависит в большей степени от количества углерода в составе стали. Также такие элементы как никель и медь оказывают отрицательное влияние на пластичность сплава.

Термообработка: закалка, отпуск, нормализация, отжиг — «Спецрусметиз» – спецкрепеж и метизы собственного производства

Металлоизделия, используемые в любых отраслях хозяйства должны отвечать требованиям устойчивости к износу. Для этого используется воздействие высокими температурами, в результате чего усиливаются нужные эксплуатационные свойства. Этот процесс называется термической обработкой.

Термообработка представляет собой комплекс операций нагрева, охлаждения и выдержки металлических твердых сплавов для получения необходимых свойств благодаря изменению структуры и внутреннего строения.

Термическая обработка применяется в качестве промежуточной операции для того, чтобы улучшить обрабатываемость резанием, давлением, либо в качестве окончательной операции технологического процесса, которая обеспечивает требуемый уровень свойств детали.

Различные методы закаливания применялись с давних пор: мастера погружали нагретую металлическую полоску в вино, в масло, в воду. Для охлаждения кузнецы порой применяли и достаточно интересные способы, например садились на коня и мчались, охлаждая изделие в воздухе.

Читайте также:  Обработка твердых сплавов металла

По способу совершения термическая обработка бывает следующих видов:

-Термическая (нормализация, закалка, отпуск, отжиг, старение, криогенная обработка).

-Термо-механическая. Включает обработку высокими температурами в сочетании с механическим воздействием на сплав.

-Химико-термическая. Подразумевает термическую обработку металла с последующим обогащением поверхности изделия химическими элементами (углеродом, азотом, хромом и др.).

Основные виды термической обработки:

1. Закалка. Представляет собой вид термической обработки разных материалов (металлы, стекло), состоящий в нагреве их выше критической температуры с быстрым последующим охлаждением. Выполняется для получения неравновесных структур с повышенной скоростью охлаждения. Закалка может быть как с полиморфным превращением, так и без полиморфного превращения.

2. Отпуск – это технологический процесс, суть которого заключается в термической обработке закалённого на мартенсит металла либо сплава, основными процессами при котором являются распад мартенсита, рекристаллизация и полигонизация. Проводится с целью снятия внутренних напряжений, для придания материалу необходимых эксплуатационных и механических свойств.

3. Нормализация. В данном случае изделие нагревается до аустенитного состояния и потом охлаждается на спокойном воздухе. В результате нормализации снижаются внутренние напряжения, выполняется перекристаллизация стали. В сравнении с отжигом, нормализация – процесс более короткий и более производительный.

4. Отжиг. Представляет собой операцию термической обработки, заключающуюся в нагреве стали, выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью. В результате отжига образуется устойчивая структура, свободная от остаточных напряжений. Отжиг является одной из важнейших массовых операций термической обработки стали.

Цель отжига:

1) Снижение твердости и повышение пластичности для облегчения обработки металлов резанием;

2) Уменьшение внутреннего напряжения, возникающего после обработки давлением (ковка, штамповка), механической обработки и т. д.;

3) Снятие хрупкости и повышение сопротивляемости ударной вязкости;

4) Устранение структурной неоднородности состава материала, возникающей при затвердевании отливки в результате ликвации.

Для цветных сплавов (алюминиевые, медные, титановые) также широко применяется термическая обработка. Цветные сплавы подвергают как разупрочняющей, так и упрочняющей термической обработке, в зависимости от необходимых свойств и области применения.

Термическая обработка металлов и сплавов является основным технологическим процессом в чёрной и цветной металлургии. На данный момент в распоряжении технических специалистов множество методов термообработки, позволяющих добиться нужных свойств каждого вида обрабатываемых сплавов.

Для каждого металла свойственна своя критическая температура, а это значит, что термообработка должна производиться с учётом структурных и физико-химических особенностей вещества.

В конечном итоге это позволит не только достичь нужных результатов, но и в значительной степени рационализировать производственные процессы.

Изменение свойств сплавов при закалке на мартенсит

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

Упрочнение
при закалке стали на мартенсит является
результатом действия нескольких
механизмов торможения дислокаций.

Важнейшая
роль во всех теориях упрочнения при
закалке сталей справедливо отводится
углероду. Однако необходимо иметь в
виду, что мартенситное превращение в
чистом железе и в безуглеродистых
сплавах способно привести к повышению
прочностных свойств в 3–4 раза по
сравнению с отожженным состоянием.

Так,
по сравнению с обычной ферритной
структурой твердость железа в результате
мартенситного превращения возрастает
с 60 до 200 HV,
а предел прочности – с 200 до 900 МПа.

У
отожженного сплава железа с 8% Cr
и 0,45% Ni
предел текучести равен 220 МПа, а у
закаленного с 1000° С он составляет 800
МПа.

Мартенсит
в отличие от фазы того же химического
состава, но образовавшейся при медленном
охлаждении вследствие неупорядоченной
перестройки решетки, характеризуется
повышенной плотностью дефектов:
двойниковых прослоек и дислокаций (см.
§ 34). Плотность дислокаций в мартенсите
доходит до 1010–
1012
см-2,
т. е.

по порядку величины такая же, как
и в холодно- деформированном металле.
Границы двойников и сплетения дислокаций
служат барьером для скользящих дислокаций,
т. е. упрочняют мартенсит.

Фазовый наклеп,
возникающий при мартенситном превращении,
в той или иной степени вносит вклад в
упрочнение всех металлов и сплавов,
закаливаемых на мартенсит.

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 (рис. 121).

Рис.
121. Влияние содержания углерода в стали
на закаливаемость

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 α-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 α-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.

Диффузионное
перераспределение углерода в период
закалочного охлаждения или после закалки
может дойти до стадии выделения из
мартенсита дисперсных частиц карбида,
вносящих свой вклад в упрочнение стали.

В сталях с высокой точкой Мн,
например в углеродистых, содержащих
менее 0,5% С н
> 300° С, см. рис.

99), в период закалочного
охлаждения в мартенситном интервале
создаются наиболее благоприятные
условия для частичного распада мартенсита
с выделением дисперсных частиц карбидов,
т. е. самоотпуска (см. § 48).

Кроме того, в
любых сталях углерод при обычных
скоростях закалки успевает образовывать
сегрегации на дефектах решетки аустенита
в период охлаждения стали выше точки
Мн.
Сегрегации углерода в аустените
наследуются мартенситом, а поскольку
он и так пересыщен углеродом, то эти
сегрегации становятся местами зарождения
частиц
карбида.

Из-за
действия указанных выше механизмов
упрочнения углерод оказывает столь
сильное упрочняющее влияние на мартенсит,
что твердость закаленной стали практически
не зависит от содержания легирующих
элементов, растворенных в мартенсите
по способу замещения, а определяется
только

концентрацией углерода.

Суммируя,
можно заключить, что сильное упрочнение
сталей при закалке на мартенсит,
обусловлено образованием пересыщенного
углеродом α-раствора
,
появлением
большого числа двойниковых прослоек и
повышением плотности дислокации при
мартенситном превращении
,
образованием
на дислокациях атмосфер из атомов
углерода и выделением из α-раствора
дисперсных частиц карбида.
Вклад
каждого из этих факторов в общее
упрочнение при закалке окончательно
не установлен.

Начинающие
изучать термическую обработку часто
рассматривают сильное упрочнение при
закалке сталей как явление, исключительное
по своему эффекту, по приросту твердости.
Обратимся к фактам. Твердость эвтектоидной
стали в отожженном состоянии составляет
180 НВ,
а в закаленном 650 НВ.
Следовательно, закалка повышает ее
твердость в 3,5 раза.

Закалка сталей на мартенсит

Основным отличием, которое приводит к изменению физических и механических характеристик стали является изменение внутренней структуры. Её называют мартенситная структура. В этом случае кристаллическая решётка претерпевает следующие изменения.

Под воздействием внешних факторов происходит изменение направления движения атомов по сравнению с их стандартным, упорядоченным движением в рамках установленной решётки. Увеличиваются межатомные расстояния, что приводит к возникновению деформации, примерно на 10% относительно нормальных размеров. Величина изменений не приводит к переходу через энергетический барьер межатомных связей.

Такой кристаллический эффект приводит к образованию специфической формы взаимных связей. Она носит так называемый игольчатый характер.

Изменения структуры стали происходит в процессе нагрева. Повышение температуры вызывает диффузионное перераспределение атомов углерода в рамках кристаллической решётки. Этот процесс вызывает образование нескольких фаз металла.

  1. При повышении содержания углерода до 6,7% возникает материал называемый цементит. Он имеет решётку в форме ромба.
  2. При низком содержании углерода (не более 0,02%) формируется феррит. Его решётка приобретает объёмно-центрированную форму.
  3. Аустенит. Структура железоуглеродистых сплавов, представляющих смесь углерода в количестве около 2% различных легирующих добавок. Кристаллическая решётка этого материала имеет форму куба со строго центрированными гранями. Отличительной особенностью аустенита является его высокая плотность по сравнению с другими структурами стали. Он образуется при температуре нагрева от 910 до 1401 °С и сохраняет свою устойчивость до температуры 723 °С. При дальнейшем охлаждении превращается в другие более устойчивые структуры. При добавлении никеля, марганца или хрома аустенит сохраняет свою структуру вплоть до комнатной температуры. К сталям, имеющим аустенитную структуру, относятся почти все хромоникелевые стали.
  4. Перлит является механической смесью цементита и феррита. В этой смеси присутствие углерода составляет 0,8%. Он образуется из аустенита в процессе охлаждения. Он является эвтектоидом и может обладать пластичной или зернистой структурой. От этого состояния зависят его физические и особенно механические свойства.
  5. При повышении содержания углерода до 4,3% из смеси аустенита и цементита образуется материал, называемый ледебурит. Его формирование происходит при температуре расплава в 1147 °С.
  6. Мартенсит – это перенасыщенный раствор железа и углерода. Его обычно получают при закалке аустенита. В результате температурного воздействия мартенситный материал приобретает из кубической тетрагональную решётку, которая придаёт ему твердость до 1000 HV.

В результате обработки полученная мартенситная сталь приобретает игольчатую структуру, которая формирует более высокие прочностные характеристики, становится устойчивее к воздействию коррозии

  Сварочный плазмотрон Горыныч, Горыныч ГП29

Общие сведения о мартенсите

Структура на основе перенасыщенного твердого раствора углерода в железе называется мартенсит. Получается он методом переохлаждения аустенитной фазы. Другими словами, мартенсит – результат проведения закаливания сталей с содержанием углерода выше 0,3%. Кристаллы мартенсита имеют тетрагональную структуру, где атомы железа занимают место в узлах решетки.

На вид мартенсит представляет собой множественные темные иглы железа на светлом фоне. Угол наклона данных игл в среднем составляет 60 градусов относительно друг друга. Обнаружить следы углерода на поверхности мартенсита невозможно, т. к. он полностью находится в растворенном состоянии.

Мартенсит выделяется прочностью по сравнению с остальными фазами. Механические свойства до определенного момента в прямой зависимости от количества углерода в стали. Но стоит заметить, что после прохождения определенной отметки прочность падает, и начинает повышаться хрупкость.

Согласно исследованиям, проводимым в 30-х годах прошлого столетия советскими учеными, причины высоких механических характеристик мартенсита кроются в следующем:

  • Структура мартенсита имеет блочный характер, при том что сами блоки обладают достаточно малыми размерами.
  • Сопротивление статическим искажениям, что означает устойчивость положения атомов при их смещении от идеального размещения атомов в кристаллической решетке.
  • В случае воздействия механических нагрузок, и как следствие пластической деформации, выделяются мельчайшие твердые частицы, блокирующие скольжение слоев относительно друг друга и повышающие твердость сплава.
Читайте также:  Взаимодействие щелочных металлов с концентрированной азотной кислотой

Твердость мартенсита имеет валатильный характер и зависит от температуры нагрева, охлаждения и времени выдержки стали. В среднем ее значение колеблется в пределах 35 — 70 единиц по шкале Роквелла. Также мартенсит выделяется большим удельным объемом. Его значение выше по сравнению с другими фазовыми структурами такими как аустенит, перлит и т. д.

Как следствие от всего вышесказанного, образование мартенсита сопровождается значительными изменениями стали в объеме. Это, в свою очередь, приводит к нежелательному повышению внутренней напряженности в структуре, которая в будущем может стать причиной появления трещин.

Свойства мартенсита

В зависимости от методов обработки мартенсит подразделяется на несколько категорий:

  • обычный;
  • термоупругий;
  • пакетный;
  • деформационный;
  • гексагональный или 8-мартенсит;
  • пластинчатый.

Все эти разновидности – это сталь мартенситного класса, обладающая своими специфическими свойствами. Во всех случаях мартенсит представляет собой определённую марку стали. Например: 20Х13, 10Х12НДЛ, Х5ВФ, Х5М и многие другие.

К основным свойствам мартенситных сталей относится:

  • повышенная устойчивость к воздействию агрессивных растворов (кислотных или щелочных);
  • антикоррозийная стойкость к повышенному содержанию влаги;
  • высокая жаропрочность (особенно после проведения процедуры закалки);
  • способность к так называемому самозакаливанию;
  • повышенные показатели прочности (твёрдость мартенсита превосходит многие марки сталей);
  • устойчивость к вредному воздействию водорода;
  • невысокая пластичность;
  • трудности в обработке.

Два основных свойства твердость и антикоррозийная стойкость достигаются за счёт специальной обработки и добавлением соответствующих химических элементов. Мартенситная твёрдость в зависимости от содержания углерода может достигать достаточно высоких значений по основным шкалам оценки.

Особенности образования

Аустенит – это структура, которая формируется в процессе нагревания стали. При достижении критической температуры перлит и феррит образуют целостное вещество.

Варианты нагревания:

  1. Равномерное, до достижения необходимого значения, непродолжительная выдержка, охлаждение. В зависимости от характеристик сплава, аустенит может быть как полностью сформирован, так и частично.
  2. Медленное повышение температуры, длительный период поддержания достигнутого уровня теплоты с целью получения чистого аустенита.

Свойства полученного разогретого материала, а также того, который будет иметь место в результате охлаждения. Очень многое зависит от уровня достигнутого тепла. Важно не допустить перегрев или перепал.

  Хотите купить ножницы рычажные ручные в Москве?

Мартенситное превращение

Данный процесс протекает в стали при высоких скоростях охлаждения. Оно должно быть непрерывным в течение всей процедуры. Мартенситное превращение в стали основано на полиморфном превращении двух аллотропических модификациях железа (альфа-железа Fea и гамма-железа Feg). Обладая температурным полиморфизмом, оба эти вида железа имеют свои кристаллические решётки.

Первое формируется в объёмно-центрированную кубическую решётку. Второе в гранецентрированную кубическую решётку. При нагреве стали до 911 °С вплоть до температуры плавления 1593 °С наблюдается устойчивость альфа-железа. При охлаждении со скоростью, превышающей критическую, проявляется эффект преобразования. В этот период аустенит превращается в мартенсит.

Механизм этого процесса обладает следующими особенностями:

  1. Бездиффузионный характер проявляется благодаря существующему сдвиговому механизму. Благодаря ему атомы кристаллической решётки смещаются на небольшое расстояние, которое по величине меньше межатомных связей. Происходит изменение формы кристаллической решётки. Самодиффузии атомов железа не происходит.
  2. Образовавшиеся кристаллы мартенсита приобретают геометрическую форму пластин. К краю пластины наблюдается уменьшение линейного размера. Поэтому мартенситная структура кристаллов называется игольчатая. Процесс образования пластины заканчивается в двух случаях: на границе зерна аустенита, или при её изломе. Последующие пластины будут образовываться под углом 60° или 120°. Такое образование называется когерентный рост, который протекает при минимальной поверхностной энергии. Однако из-за различия структуры и объёма аустенита и мартенсита в стали наблюдается возникновение больших напряжений. Они достигают величины предела текучести аустенита. Это приводит к отрыву решётки мартенсита от решётки аустенита и когерентность нарушается, что приводит к остановке роста кристаллов.
  3. Абсолютные смещения атомов при мартенситном превращении могут достигать относительно больших размеров в межатомных связях (по сравнению с макроскопическими размерами). Это является следствием действия сдвигового механизма. Происходит изменение формы аустенита и образования на поверхности характерной игольчатой структуры.
  4. Несмотря на разницу кристаллических решёток мартенсита и аустенита, между ними существует некоторое кристаллическое соответствие. Оно выражается в ориентационном сходстве.
  5. Наиболее часто встречающейся формой кристалла после мартенситного преобразования является пластина или так называемая линза. Толщина каждой из них сравнима с остальными геометрическими размерами, сохраняя сложное внутреннее строение. Полученная форма мартенситного кристалла при превращении сохраняет минимум упругой энергии.
  6. Процесс образования кристаллов протекает при очень высоких скоростях. Она может достигать 1000 м/с. По результатам проведенных оценок время формирования кристаллов при мартенситном превращении не превышает 10-7 секунды. Это усложняет процесс контроля над образованием мартенсита.
  7. Сам процесс мартенситного превращения протекает только при быстром непрерывном охлаждении. Температура мартенситного превращения зависит от марки стали (то есть её состава). Температуру начала образования мартенсита обозначают индексом Мн, а температуру конца Мк. Этот температурный интервал в основном зависит от количества, содержащегося в стали углерода. Он не зависит от скорости процесса охлаждения.

Процесс мартенситного превращения не заканчивается полным образованием мартенсита. В стали остаётся остаточный аустенит. Его количество повышается при снижении точки начала превращения.

Влияние закалки на особенности распада аустенита. Мартенсит

Закалка – это вид термической обработки, суть которого заключается в быстром нагревании до высоких температур выше критических точек Ac3 и Acm, после чего следует быстрое охлаждение. Если снижение температуры происходит с помощью воды со скоростью больше 200˚С за секунду, то образуется твердая игольчатая фаза, имеющая название мартенсит.

Он являет собой пересыщенный твердый раствор проникновения карбона в железо с кристаллической решеткой типа α. Вследствие мощных перемещений атомов она искажается и формирует тетрагональную решетку, что и выступает причиной упрочнения. Сформированная структура имеет больший объем. В результате этого кристаллы, ограниченные плоскостью, сжимаются, зарождаются игольчатые пластины.

Мартенсит – прочный и очень твердый (700-750 НВ). Образуется исключительно в результате высокоскоростной закалки.

Область применения

Обладая специфическими, а в некоторых случаях уникальными свойствами стали мартенситной группы применяются для изготовления деталей, работающих в сложных технических и химических условиях. Из них изготавливают:

  • элементы газовых и паровых турбин (в частности роторы, диафрагмы, лопатки и корпуса);
  • детали сварочных аппаратов;
  • сосуды высокого давления, которые должны выдерживать 16 МПа;
  • комплектующие насосов высоко давления;
  • пружины способные выдерживать большие нагрузки;
  • отдельные детали котлов, трубопроводов, коллекторов по которым проходит жидкость с высокой температурой или пар;
  • инструменты различного назначения (режущие, измерительные, обрабатывающие);
  • медицинские инструменты и отдельные части оборудования.

Основными недостатками таких сталей являются: трудности, возникающие при механической обработке и сварке отдельных деталей. Для решения второй задачи необходимо создавать специальные условия для сварки.

Закалка. Диффузионные структуры

Аустенит – это формирование, из которого могут быть искусственно произведены бейнит, троостит, сорбит и перлит. Если охлаждение закалки происходит на меньших скоростях, осуществляются диффузионные превращения, их механизм описан выше.

Троостит – это перлит, для которого характерна высокая степень дисперсности. Формируется при уменьшении тепла 100˚С за секунду. Большое количество мелких зерен феррита и цементита распределяется по всей плоскости. «Закаленному» свойственен цементит пластинчатой формы, а троостит, полученный в результате последующего отпуска, имеет зернистую визуализацию. Твердость – 600-650 НВ.

Бейнит – это промежуточная фаза, которая являет собой еще более дисперсную смесь кристаллов высокоуглеродистого феррита и цементита. По механическим и технологическим свойствам уступает мартенситу, но превышает троостит. Образуется в температурных интервалах, когда диффузия невозможна, а силы сжатия и перемещения кристаллической структуры для превращения в мартенситную – недостаточно.

Сорбит – крупнодисперсная иглообразная разновидность перлитных фаз при охлаждении со скоростью 10˚С за секунду. Механичесие свойства занимают промежуточное положение между перлитом и трооститом.

Перлит – это совокупность зерен феррита и цементита, которые могут быть зернистой или пластинчатой формы. Формируется в результате плавного распада аустенита со скоростью охлаждения 1˚С за секунду.

Бейтит и троостит – более относятся к закалочным структурам, тогда как сорбит и перлит могут формироваться и при отпуске, отжиге и нормализации, особенности которых определяют форму зерен и их размер.

Образование[править | править код]

Физический механизм образования мартенсита принципиально отличается от механизма других процессов, происходящих в стали при нагреве и охлаждении.

Другие процессы диффузионны, то есть атомы перемещаются с малой скоростью, например, при медленном охлаждении аустенита создаются зародыши кристаллов феррита и цементита, к ним в результате диффузии пристраиваются дополнительные атомы и, наконец, весь объём приобретает перлитную или феррито-перлитную структуру.

Мартенситное превращение бездиффузионно (сдвиговое превращение), атомы перемещаются с большой скоростью по сдвиговому механизму, скорость распространения порядка тысячи метров в секунду.

  как сделать самому шканты в домашних условиях

Мартенситное превращение[ | ]

Основная статья: Мартенситное превращение

Мартенситное превращение при охлаждении происходит не при постоянной температуре, а в определённом интервале температур, при этом превращение начинается не при температуре распада аустенита в равновесных условиях, а несколькими сотнями градусов ниже.

Оканчивается превращение при температуре значительно ниже комнатной. Таким образом, в интервале температур мартенситного превращения в структуре стали, наряду с мартенситом, есть и остаточный аустенит.

Температуры как начала, так и окончания мартенситного превращения могут сильно зависеть от концентраций легирующих элементов.

При пластической деформации стали при температурах мартенситного превращения количество мартенсита увеличивается. В некоторых случаях также влияет упругая деформация. Возможно превращение аустенита в мартенсит при комнатных температурах под действием пластической деформации.

Кроме железоуглеродистых сплавов, мартенситное превращение наблюдается и в некоторых других материалах, например, сплавах на основе титана (сплавы типа ВТ6, ВТ8, ВТ14), меди (бронзы типа БрАМц 9-3), материалах с памятью формы, оксидных материалах (ZrO2).

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector