Tratamentul termic al oțelului este cel mai puternic mecanism de influențare a structurii și proprietăților acestuia. Se bazează pe modificări ale rețelelor cristaline în funcție de jocul de temperaturi. Ferita, perlita, cementitul și austenita pot fi prezente într-un aliaj fier-carbon în diferite condiții. Acesta din urmă joacă un rol major în toate transformările termice din oțel.
Definiție
Oțelul este un aliaj de fier și carbon, în care conținutul de carbon este de până la 2,14% teoretic, dar aplicabil tehnologic îl conține într-o cantitate de cel mult 1,3%. În consecință, toate structurile care se formează în el sub influența influențelor externe sunt, de asemenea, varietăți de aliaje.
Teoria își prezintă existența în 4 variante: o soluție solidă de penetrare, o soluție solidă de excludere, un amestec mecanic de cereale sau un compus chimic.
Austenita este o soluție solidă de penetrare a atomului de carbon în rețeaua cristalină cubică centrată pe față de fier, denumită γ. Atomul de carbon este introdus în cavitatea rețelei γ de fier. Dimensiunile sale depășesc porii corespunzători dintre atomii de Fe, ceea ce explică trecerea limitată a acestora prin „pereții” structurii principale. Formată în procesetransformări de temperatură ale feritei și perlitului cu creșterea căldurii peste 727˚С.
Diagrama aliajelor fier-carbon
Un grafic numit diagrama de stare fier-cementită, construit experimental, este o demonstrație clară a tuturor opțiunilor posibile pentru transformări în oțeluri și fonte. Valorile specifice de temperatură pentru o anumită cantitate de carbon din aliaj formează puncte critice în care apar modificări structurale importante în timpul proceselor de încălzire sau răcire, ele formează și linii critice.
Linia GSE, care conține punctele Ac3 și Acm, reprezintă nivelul de solubilitate a carbonului pe măsură ce nivelul de căldură crește.
| Tabelul solubilității carbonului în austenită în funcție de temperatură | |||||
| Temperatura, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Solubilitatea aproximativă a C în austenită, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Caracteristici ale educației
Austenita este o structură care se formează atunci când oțelul este încălzit. La atingerea temperaturii critice, perlita și ferita formează o substanță integrală.
Opțiuni de încălzire:
- Uniformă, până la atingerea valorii cerute, expunere scurtă,răcire. În funcție de caracteristicile aliajului, austenita poate fi formată complet sau parțial.
- Creștere lentă a temperaturii, perioadă lungă de menținere a nivelului de căldură atins pentru a obține austenită pură.
Proprietățile materialului încălzit rezultat, precum și cele care vor avea loc ca urmare a răcirii. Depinde mult de nivelul de căldură atins. Este important să preveniți supraîncălzirea sau supraîncălzirea.
Microstructură și proprietăți
Fiecare dintre fazele caracteristice aliajelor fier-carbon are propria sa structură de rețele și granule. Structura austenitei este lamelară, având forme apropiate atât de aciculare cât și de fulgii. Odată cu dizolvarea completă a carbonului în γ-fier, boabele au o formă ușoară, fără prezența incluziunilor de cementită întunecată.
Duritatea este de 170-220 HB. Conductivitatea termică și electrică sunt cu un ordin de mărime mai mici decât cele ale feritei. Fără proprietăți magnetice.
Variantele de răcire și viteza acesteia duc la formarea diferitelor modificări ale stării „rece”: martensită, bainită, troostită, sorbită, perlit. Au o structură aciculară similară, dar diferă prin dispersia particulelor, mărimea granulelor și particulele de cementită.
Efectul răcirii asupra austenitei
Descompunerea austenitei are loc în aceleași puncte critice. Eficacitatea sa depinde de următorii factori:
- Viteza de răcire. Afectează natura incluziunilor de carbon, formarea boabelor, formarea finaluluimicrostructura și proprietățile acesteia. Depinde de mediul folosit ca lichid de răcire.
- Prezența unei componente izoterme la una dintre etapele de descompunere - atunci când este coborâtă la un anumit nivel de temperatură, căldura stabilă se menține pentru o anumită perioadă de timp, după care continuă răcirea rapidă, sau are loc împreună cu o dispozitiv de încălzire (cuptor).
Astfel, se distinge o transformare continuă și izotermă a austenitei.
Caracteristici ale caracterului transformărilor. Diagrama
Grafic în formă de C, care afișează natura modificărilor microstructurii metalului în intervalul de timp, în funcție de gradul de schimbare a temperaturii - aceasta este diagrama de transformare a austenitei. Răcirea reală este continuă. Sunt posibile doar unele faze de reținere forțată a căldurii. Graficul descrie condițiile izoterme.
Caracterul poate fi difuziune și nedifuzie.
La ratele standard de reducere a căldurii, granulele de austenită se modifică prin difuzie. În zona de instabilitate termodinamică, atomii încep să se miște între ei. Cei care nu au timp să pătrundă în rețeaua de fier formează incluziuni de cementită. Ele sunt unite de particule de carbon vecine eliberate din cristalele lor. Cementitul se formează la limitele boabelor în descompunere. Cristalele de ferită purificate formează plăcile corespunzătoare. Se formează o structură dispersată - un amestec de boabe, a căror dimensiune și concentrație depind de rapiditatea răcirii și de conținutaliaj de carbon. Se formează și perlitul și fazele sale intermediare: sorbită, troostită, bainită.
La viteze semnificative de scădere a temperaturii, descompunerea austenitei nu are caracter de difuzie. Apar distorsiuni complexe ale cristalelor, în care toți atomii sunt deplasați simultan într-un plan fără a-și schimba locația. Lipsa difuziei contribuie la nuclearea martensitei.
Influența întăririi asupra caracteristicilor de descompunere a austenitei. Martensite
Întărirea este un tip de tratament termic, a cărui esență este încălzirea rapidă la temperaturi ridicate peste punctele critice Ac3 și Acm, urmat de răcire rapidă. Dacă temperatura este coborâtă cu ajutorul apei cu o viteză mai mare de 200˚С pe secundă, atunci se formează o fază aciculară solidă, care se numește martensită.
Este o soluție solidă suprasaturată de penetrare a carbonului în fier cu o rețea cristalină de tip α. Datorită deplasărilor puternice ale atomilor, este distorsionat și formează o rețea tetragonală, care este cauza întăririi. Structura formată are un volum mai mare. Ca urmare, cristalele delimitate de plan sunt comprimate, iau naștere plăci ca ace.
Martensite este puternic și foarte dur (700-750 HB). Format exclusiv ca urmare a stingerii de mare viteză.
Întărire. Structuri de difuzie
Austenita este o formatiune din care se pot produce artificial bainita, troostita, sorbita si perlita. Dacă răcirea întăririi are loc laviteze mai mici, se efectuează transformări de difuzie, mecanismul lor este descris mai sus.
Troostita este perlit, care se caracterizează printr-un grad ridicat de dispersie. Se formează atunci când căldura scade cu 100˚С pe secundă. Un număr mare de boabe mici de ferită și cementită este distribuită pe întregul plan. Cementitul „întărit” se caracterizează printr-o formă lamelară, iar troostita obținută în urma călirii ulterioare are o vizualizare granulară. Duritate - 600-650 HB.
Bainita este o fază intermediară, care este un amestec și mai dispersat de cristale de ferită cu conținut ridicat de carbon și cementită. În ceea ce privește proprietățile mecanice și tehnologice, este inferior martensitei, dar depășește troostita. Se formează în intervale de temperatură când difuzia este imposibilă, iar forțele de compresie și mișcare ale structurii cristaline pentru transformarea într-una martensitică nu sunt suficiente.
Sorbitolul este o varietate grosieră de faze de perlită, asemănătoare unui ac, când este răcită cu o viteză de 10˚С pe secundă. Proprietățile mecanice sunt intermediare între perlită și troostită.
Perlitul este o combinație de granule de ferită și cementită, care pot fi granulare sau lamelare. Formată ca rezultat al dezintegrarii netede a austenitei cu o viteză de răcire de 1˚C pe secundă.
Beititul și troostita sunt mai mult legate de structurile de întărire, în timp ce sorbitul și perlitul se pot forma și în timpul călirii, recoacerii și normalizării, ale căror caracteristici determină forma boabelor și dimensiunea lor.
Efectul recoacerii asupracaracteristici de degradare a austenitei
Practic toate tipurile de recoacere și normalizare se bazează pe transformarea reciprocă a austenitei. Recoacerea completă și incompletă se aplică oțelurilor hipoeutectoide. Părțile sunt încălzite în cuptor deasupra punctelor critice Ac3 și, respectiv, Ac1. Primul tip se caracterizează prin prezența unei perioade lungi de păstrare, care asigură transformarea completă: ferită-austenită și perlit-austenită. Aceasta este urmată de răcirea lentă a pieselor de prelucrat în cuptor. La iesire se obtine un amestec fin dispersat de ferita si perlita, fara solicitari interne, plastic si durabil. Recoacere incompletă necesită mai puțină energie și modifică doar structura perlitei, lăsând ferita practic neschimbată. Normalizarea presupune o rată mai mare de scădere a temperaturii, dar și o structură mai grosieră și mai puțin plastică la ieșire. Pentru aliajele de oțel cu un conținut de carbon de 0,8 până la 1,3%, la răcire, ca parte a normalizării, are loc descompunerea în direcția: austenită-perlită și austenită-cementită.
Un alt tip de tratament termic bazat pe transformări structurale este omogenizarea. Este aplicabil pentru piese mari. Implică realizarea absolută a stării austenitice cu granulație grosieră la temperaturi de 1000-1200 ° C și expunerea în cuptor timp de până la 15 ore. Procesele izoterme continuă cu răcire lentă, ceea ce ajută la uniformizarea structurilor metalice.
Recoacere izotermă
Fiecare dintre metodele enumerate de influențare a metalului pentru a simplifica înțelegereaconsiderată ca o transformare izotermă a austenitei. Cu toate acestea, fiecare dintre ele numai la o anumită etapă are trăsături caracteristice. În realitate, schimbările apar cu o scădere constantă a căldurii, a cărei viteză determină rezultatul.
Una dintre metodele cele mai apropiate de condițiile ideale este recoacerea izotermă. Esența sa constă și în încălzirea și menținerea până la descompunerea completă a tuturor structurilor în austenită. Răcirea este implementată în mai multe etape, ceea ce contribuie la o descompunere mai lentă, mai lungă și mai stabilă termic.
- Scăderea rapidă a temperaturii la 100˚C sub punctul AC1.
- Reținerea forțată a valorii atinse (prin introducere în cuptor) timp îndelungat până la finalizarea proceselor de formare a fazelor de ferită-perlită.
- Răcire în aer nemișcat.
Metoda este aplicabilă și oțelurilor aliate, care se caracterizează prin prezența austenitei reziduale în stare răcită.
Austenită reținută și oțeluri austenitice
Uneori, degradarea incompletă este posibilă atunci când există austenită reținută. Acest lucru se poate întâmpla în următoarele situații:
- Răcire prea rapidă când nu are loc degradarea completă. Este o componentă structurală a bainitei sau martensitei.
- Oțel cu conținut ridicat de carbon sau slab aliat, pentru care procesele de transformări dispersate austenitice sunt complicate. Necesită metode speciale de tratament termic, cum ar fi omogenizarea sau recoacere izotermă.
Pentru în alt aliaje -nu există procese ale transformărilor descrise. Aliarea oțelului cu nichel, mangan, crom contribuie la formarea austenitei ca principală structură puternică, care nu necesită influențe suplimentare. Oțelurile austenitice se caracterizează prin rezistență ridicată, rezistență la coroziune și rezistență la căldură, rezistență la căldură și rezistență la condiții dificile de lucru agresive.
Austenita este o structură fără formarea căreia nu este posibilă încălzirea la temperatură în altă a oțelului și care este implicată în aproape toate metodele de tratare termică a acestuia pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice și tehnologice.
