Меню

Точка ac3 в стали

Критические точки сталей

Критическими точками называются такие температуры во время нагревания или остывания стали, при которых совершаются химические изменения и физические превращения, имеющие влияние на свойства стали.

Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву c, в первом случае r — во втором.

Следовательно, критическая точка превращения аустенита в перлит обозначается Ar1, а перлит в аустенит Ac1; начало выделения феррита из аустенита обозначается Ar3; конец растворения феррита в аустените Ac3. Начало выделения вторичного цементита из аустенита обозначается также Ar3, а конец растворения вторичного цементита в аустените — Ac3 (эту точку часто обозначают Acm).

Пусть линия totn представляет нам термометрическую шкалу нагрева стали от ее холодного состояния to до точки плавления tn. Если брусок мягкой стали, который в холодном состоянии сгибается и разгибается без следов трещин, нагреем до температуры t1 и подвергнем его изгибу, то он при этой температуре теряет свою вязкость и легко ломается. Эта К. точка соответствует температуре синей побежалости (см. Побежалости стали), около 375° Ц., а самое явление называется синеломкостью. При дальнейшем постепенном подогреве, перейдя точку t1, сталь опять приобретает вязкость и гибкость, брусок постепенно удлиняется, температура его правильно повышается, и если нагрев не дошел до температуры t2, то брусок при быстром охлаждении в воде не принимает совсем закалки.

Раз только нагрев достиг температуры t2, брусок перестает удлиняться, повышение температуры на время останавливается и даже происходит понижение ее. При медленном же охлаждении бруска, раскаленного раньше до температуры выше t2, наоборот, брусок, достигнув точки t2, перестает укорачиваться, температура его не только перестает понижаться, но даже, без видимых причин, повышается на несколько градусов и брусок делается светлее. Эта К. точка меняет свое положение в зависимости от твердости стали и соответствует 580-680°, самое же явление называется рекалесценцией (racalescenсе), самонагревом или бликованием. В этой К. точке сталь претерпевает химические изменения. При нагревании бруска незакаленной стали, карбид, т. е. химическое соединение железа с углеродом (см. Карбид), в точке t 2 начинает распадаться с выделением свободного углерода, который растворяется в массе железа. Наоборот, при медленном охлаждении, углерод в точке t2 соединяется с соответствующим количеством железа в карбид. В первом случае химическое изменение вызывает поглощение теплоты, во втором — выделение [Ср. также в ст. Железо. Δ.]. К. точка t2 еще в 70-х годах была замечена нашим металлургом Д. К. Черновым, который определил ее значение следующим образом: сталь, нагретая ниже точки а, не закаливается.

При дальнейшем подогреве, если только нагрев не дошел до температуры t3, сталь хотя начинает принимать закалку, но по виду излома можно предположить, что в ней не совершается заметной перегруппировки частиц, потому что после медленного или быстрого охлаждения структура стали остается та же, что и до нагрева. Когда нагрев дошел до температуры t3 (точка в Чернова), перегруппировка совершается быстро, ибо после охлаждения брусок переменяет свою структуру из крупно в мелкозернистую. Следует предположить, что при этой температуре размягченные зерна или кристаллы стали слипаются между собой и образуют воскообразную массу аморфного сложения, которая при охлаждении ниже температуры t3 остается уже без перемены. При медленном охлаждении бруска, нагретого выше температуры t3, опять масса стали распадается на отдельные кристаллы или зерна и степень кристаллизации будет зависеть от удаления этой температуры вправо от точки t3 и от времени, сколько прошло для ее понижения до точки t3. Этой кристаллизации можно воспрепятствовать быстрым охлаждением бруска до температуры низшей t3, ниже которой кристаллизация уже не совершается. Таким образом, К. точка t3 представляет границу, где кончается кристаллизация при медленном охлаждении раскаленной стали. В зависимости от состава стали и главным образом от содержания углерода точка t3 находится между 700°-800°. Кроме вышеупомянутых явлений, замеченных Д. К. Черновым, по новейшей гипотезе Осмонда, в этой точке совершается превращение железа из одного состояния в другое.

По его исследованиям, в незакаленной или хорошо отожженной стали железо находится в некотором нормальном, мягком состоянии α, в закаленной же — в ненормальном, твердом состоянии β (железо закала). Во время нагрева незакаленной стали, железо а в точке t3 переходит в железо β, причем замечается поглощение теплоты. При медленном же охлаждении раскаленного бруска от температур высших t3, в этой точке железо β переходит в железо α с выделением тепла.

Для такого перехода нужен некоторый промежуток времени, при недостатке которого этот последний переход или вовсе не имеет места, или же совершается не вполне. Таким образом, быстрым охлаждением сообщается стали твердость, при медленном же охлаждении получается сталь мягкая. Эта К. точка непостоянна и в зависимости от твердости стали меняет свое положение. Чем сталь мягче, тем она больше удаляется от t0 и наоборот. Кроме того, в зависимости от сорта стали, таких К. точек, где совершается преобразование железа, существует несколько (t3, t4), приблизительно в пределах 700-855° Ц. Так, например, при медленном охлаждении разных сортов стали

Источник

Основные виды термической обработки стали

Из учебника А.П.Гуляева «Металловедение»

Если основой при рассмотрении термической обработки сплавов является соответствующая диаграмма состояния, то очевидно, что основой для изучения термической обработки стали является диаграмма железо — углерод. Поскольку мы рассматриваем термическую обработку стали, то нам интересны только сплавы с концентрацией до 2 % C и соответственно область на диаграмме железо — углерод с концентрацией углерода до 2 % (точнее до 2.14 % С).

Читайте также:  С годами родинки стали больше

Естественно, что верхней температурной границей при термической обработке является линия солидуса, поэтому процессы первичной кристаллизации и, следовательно, верхняя часть диаграммы для нас в данном случае не имеют большого значения.

Участок диаграммы железо — углерод, который будем рассматривать, изображен на рис. 172.

Рис. 172. «Стальной» участок диаграммы Fe — C

Критические точки обозначаются буквой А.

Нижняя критическая точка, обозначаемая A1 лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенит ↔ перлит. Верхняя критическая точка А3, лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита (вторичного) в заэвтектоидных сталях.

Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву c, в первом случае r — во втором.

Следовательно, критическая точка превращения аустенита в перлит обозначается Ar1, а перлит в аустенит Ac1; начало выделения феррита из аустенита обозначается Ar3; конец растворения феррита в аустените Ac3. Начало выделения вторичного цементита из аустенита обозначается также Ar3, а конец растворения вторичного цементита в аустените — Ac3 (эту точку часто обозначают Acm). (При быстром нагреве (охлаждении) точки A1 и A3 «расплываются» в интервал и целесообразно ввести индексы «н» и «к», показывающие начало и конец соответствующего превращения (Ac, Ac и т. д.))

Ниже дана характеристика основных видов термической обработки стали в соответствии с приведенной классификацией в п. 2.

Отжиг — фазовая перекристаллизация, заключающаяся в нагреве выше Ac3 с последующим медленным охлаждением. При нагреве выше Ac1 но ниже Ac3 полная перекристаллизация не произойдет; такая термическая обработка называется неполным отжигом. При отжиге состояние стали приближается к структурно равновесному; структура стали после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит.

Если после нагрева выше Ac3 провести охлаждение на воздухе, то это будет первым шагом к отклонению от практически равновесного структурного состояния. Такая термическая операция называется нормализацией.

Закалка — нагрев выше критической точки Ac3 с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит распадается на феррит + цементит при Ar1. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температурах. Феррито-цементитная смесь по мере снижения Ar1 становится все более мелко дисперсной и твердой. Если же скорость охлаждения была так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение цементита и феррита не произошло, то и распада твердого раствора не происходит, а аустенит (γ-твердый раствор) превращается в мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе). Неполная закалка — термическая операция, при которой нагрев проводят до температуры, лежащей выше Ac1, но ниже Ac3 и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цементит).

Отпуск — нагрев закаленной стали ниже Ac1.

Для стали возможны различные виды химико-термической обработки в зависимости от элемента, диффундирующего в сталь.

Насыщение стали углеродом называется цементацией, азотом — азотированием, алюминием — алитированием, хромом — хромированием и т. д.

Термомеханическая обработка стали — нагрев до аустенитного состояния, деформация стали в аустенитном состоянии (в стабильном состоянии — выше Ac3 или в нестабильном переохлажденном состоянии) и окончательное охлаждение с протекающим при этом превращением наклепанного аустенита.

Использована публикация:
Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для втузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
стр. 205 — 207.

Web-сайт “Термист” (termist.com)
Термомеханическое упрочнение арматурного проката

Отсутствие ссылки на использованный материал является нарушением заповеди «Не укради»

Источник

Точка ac3 в стали

ГЛАВА V. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

§ 19. ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Термической обработкой называют технологические, процессы теплового воздействия, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств сплава. Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах температура — время (рис. 30). Параметрами процесса термической обработки являются максимальная температура нагрева (tmax) сплава; время выдержки (тв) сплава при температуре нагрева; скорость нагрева (vн) и охлаждения (vо). На практике обычно подсчитывают среднюю скорость нагрева или охлаждения. Она равна максимальной температуре нагрева, поделенной на время нагрева или охлаждения, т.е. vн.ср=tmaxн и vо.ср=tmaxо.

Термическая обработка изменяет в нужном направлении прочностные, пластические и другие свойства материала изделий.
В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие при нагреве и охлаждении металлов и сплавов. Эти превращения характеризуются определенными критическими точками. При медленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплаве I фазовых изменений не происходит (рис. 31). При температуре 727°С перлит превращается в аустенит (точка а). Точку а на диаграмме называют нижней критической точкой и обозначают Ac1 (при охлаждении – Аг1). Буквы с и г указывают на то, что превращение происходит соответственно при нагреве или охлаждении стали, а индекс единица внизу этих букв — на точки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава I зерна феррита растворяются в аустените.
Растворение аустенита заканчивается в точке а, (линия GS), которую называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Ас3 , охлаждении Аг3.
Если нагревать эвтектоидный сплав II, то перлит в точке S (линия PSK) при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Ac1 и Ас3 при этом совпадают. Перлит сплава III при 727°С превращается в аустенит (точка b). Дальнейший нагрев сплава III вызывает растворение цементита (вторичного) в аустените. В точке b1, лежащей на линии SE, процесс растворения заканчивается. Эту точку обозначают Аcm.
Таким образом, на диаграмме железо-цементит критические точки, образующие линию PSK, обозначают Ас1 (при нагреве) и Аг1 (при охлаждении), точки по линии GS — Ac3 и Аг3 , по линии SE — Аcm. Знание критических точек облегчает изучение процессов термической обработки сталей.

Превращения в стали при нагреве. Нагрев стали при термической обработке используют для получения аустенита. Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки Ас1 состоит из зерен перлита и феррита. В точке Ac1 происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ac1 до Ас3 избыточный феррит растворяется в аустените и в точке Ас3 (линия GS) превращения заканчиваются. Выше точки Ас3 структура стали состоит из аустенита.
Таким же образом происходят превращения при нагреве заэвтектоидной стали, но с той лишь разницей, что при дальнейшем повышении температуры от точки Ac1 до точки Аcm в аустените начинает растворяться избыточный цементит (вторичный). Выше точки Аcm (линия SЕ) структура состоит только из аустенита. Вновь образовавшийся аустенит неоднороден даже в объеме одного зерна. В тех местах, где раньше были пластинки цементита, содержание углерода значительно больше, чем в тех местах, где находились пластинки феррита.
Для выравнивания химического состава и получения однородного аустенита доэвтектоидную сталь нагревают немного выше верхней критической точки Ас3 и выдерживают некоторое время при этой температуре для завершения диффузионных процессов.
По окончании процесса превращения перлита в аустенит образуется большое количество мелких аустенитных зерен. Эти зерна называют начальными зернами аустенита.
Дальнейший нагрев стали или увеличение выдержки приводит к росту аустенитного зерна. Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной термической обработки, называют действительным зерном. Величина такого зерна зависит не только от термической обработки, но и от способа выплавки стали. Однако склонность к росту аустенитных зерен с повышением температуры нагрева различная. Стали, раскисленные в процессе плавки кремнием и марганцем, обладают большой склонностью к непрерывному росту зерен аустенита при повышении температуры. Такие стали называют наследственнокрупнозернистыми. К ним относят кипящие стали.
Стали, раскисляемые в процессе выплавки дополнительно алюминием и в особенности легированные титаном или ванадием, мало склонны к росту зерна аустенита при нагреве до 950-1000°С. Такие стали называют наследственномелкозернистыми. К ним относят спокойные стали.
Размер наследственного зерна не оказывает влияния на свойства стали. От размера действительного зерна зависят механические свойства стали, главным образом ударная вязкость, она значительно понижается с увеличением размера зерна. Размер действительного зерна в стали зависит от размера зерна аустенита. Как правило, чем крупнее зерна аустенита, тем крупнее действительные зерна.
Размер наследственного зерна оказывает влияние на технологические свойства стали. Если сталь наследственно мелкозернистая, то ее можно нагревать до более высокой температуры и выдерживать при ней более длительное время, не опасаясь чрезмерного роста зерна но сравнению с наследственно крупнозернистой сталью. Горячую обработку давлением — прокатку, ковку, объемную штамповку наследственно мелкозернистой стали — можно начинать и оканчивать при более высокой температуре, не опасаясь получения крупнозернистой структуры.
Для определения размера наследственного (аустенитного) зерна применяют различные методы. Например, для низкоуглеродистых цементуемых сталей применяют метод цементации, т. е. науглероживание поверхности стали. При нагреве стали до 930±10°С в углеродсодержащей смеси и выдержке при данной температуре в течение 8 ч поверхностный слой ее насыщается углеродом до заэвтектоидного состава. При охлаждении из аустенита выделяется избыточный цементит, который располагается по границам зерен аустенита в виде сетки. После полного охлаждения эта цементитная сетка окружает зерна перлита и показывает размер бывшего при нагреве аустенитного зерна. Подготовленную таким образом структуру стали рассматривают в микроскоп при 100 х увеличении, видимые под микроскопом зерна сравнивают с эталонными, предусмотренными стандартной шкалой размеров зерна (рис. 32). Зерна от № 1 до № 4 считают крупными, а с № 5 — мелкими.

Превращения в стали при охлаждении. Аустенит является устойчивым только при температуре выше 727°С (точка Ar1). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния (ниже точки Ar1), аустенит становится неустойчивым — начинается его превращение. Такое превращение может начаться только лишь при некотором переохлаждении аустенита. Для случая эвтектоидной углеродистой стали аустенит превратится в перлит, т. е. в механическую смесь феррита и цементита. При этом, с одной стороны, чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение и тем быстрее будет происходить превращение аустенита в перлит. С другой стороны, это превращение сопровождается диффузионным перераспределением углерода и чем ниже температура переохлаждения, тем медленнее протекает процесс диффузии, что в свою очередь замедляет превращение аустенита в перлит. Такое противоположное действие обоих названных факторов (переохлаждения и диффузии) приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигая при определенной величине переохлаждения максимума, а затем убывает.

Процесс превращения аустенита в перлит экспериментально проводят при постоянной температуре, т. е. в изотермических условиях. Для этого образцы из стали нагревают до температуры, при которой ее структура состоит из однородного аустенита, а затем быстро переносят в термостаты с заданной температурой.
Превращение аустенита при постоянной температуре обобщается и изображается наглядно в виде диаграммы изотермического превращения (рис. 33). Эта диаграмма строится на основе исследований при постоянных температурах (700, 650, 550°С и т. д.). По горизонтальной оси диаграммы наносят время в логарифмической шкале: 1, 10, 100, 1000, 10 000 и 100 000 с. Это дает возможность проследить превращения, протекающие за промежуток от долей секунды до суток и более. По вертикальной оси откладывают температуру. Далее на диаграмме проводят жирные С-образные линии, отвечающие полученным экспериментальным путем точкам изотермического превращения аустенита. В этой стали распад аустенита происходит в интервале температур от Ас1 до Мн (температуры начала мартенситного превращения, см. гл. V). Левая кривая I соответствует началу, а правая кривая II — окончанию распада аустенита.
Стальной образец охлаждают до 700°С и выдерживают его при этой температуре. В течение некоторого промежутка времени до точки а (пересечение горизонтали, соответствующей 700°С с кривой I) в аустените превращений не происходит. Этот период времени называют инкубационным.
На диаграмме изотермического превращения в зависимости от степени переохлаждения различают три температурные области превращения: перлитную, бейнитную и мартенситную. В точке а начинается перлитное превращение. Диффузионный распад аустенита продолжается до точки b (пересечение горизонтали 700°С с кривой II), где происходит превращение аустенита в перлит. Перлит образуется при распаде аустенита при малых степенях переохлаждения в области температур от Ас1 до 650°С. Твердость перлита НВ 160. Если охлаждать образец до 650°С, т. е. до точек начала a1 и конца b1 распада аустенита, то инкубационный период и период распада аустенита уменьшаются, в результате чего образуется структура сорбит.
Перлитом (рис. 34, а) называют механическую смесь кристаллов феррита и цементита; сорбитом (рис. 34, 6) — более мелкую (дисперсную), чем перлит, механическую смесь феррита и цементита. Сталь, в которой преобладает структура сорбита, обладает высокой прочностью и пластичностью.
При охлаждении образца до 500°С, до точек распада а2 и b2, аустенит превращается в троостит. Троостит (рис. 34, в) представляет собой очень тонкую смесь феррита и цементита; отличается от перлита и сорбита очень высокой степенью дисперсности составляющих. Сталь со структурой троостита обладает повышенной твердостью (НВ 330-400), достаточной прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью.
Таким образом, основным фактором, определяющим структуру и свойства аустенита, является температура превращения. Если на С-образную кривую нанести лучи (термические линии охлаждения), то получим следующую схему (рис. 35). При медленном охлаждении образца луч v1, пересечет кривые I и II в точках a1 и b1. При этих температурах происходит превращение аустенита в перлит.
При большей скорости охлаждения луч v2 пересечет кривые в точках а2 и b2 и аустенит полностью превратится в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения луч v3 проходит через точки а3 и b3 и образуется новая структура — троостит.
Далее по мере ускорения процесса охлаждения лучи будут все круче (линии v4 и v5) и первое превращение аустенита в троостит не успеет закончиться. Оставшаяся часть переохлажденного аустенита (точки а4 и а5) начнет превращаться в троостит с мартенситом.

Наконец, при наибольших скоростях охлаждения, когда луч vкр касается кривой I (начала распада аустенита) и пересекает горизонталь Мн, в стали получается только мартенсит. Скорость охлаждения, при которой в закаливаемой стали из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Чтобы закалить сталь, ее охлаждают со скоростью, не меньшей, чем критическая (например, v6).
Мартенситное превращение в отличие от перлитного имеет бездиффузионный характер. Мартенсит является основной структурой закаленной стали. Он имеет высокую твердость, зависящую от содержания углерода в стали. Чем больше содержится углерода в мартенсите, тем выше твердость стали. Так, например, для стали с содержанием 0,4% углерода твердость мартенсита составляет HRC 52-54, а для стали с содержанием углерода 1,0% — HRC 62-64. Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу. При резком переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. В этом случае происходит только перестройка решетки γ-железа в решетку α-железо. Атомы углерода остаются в решетке α-железа (мартенсите) и поэтому сильно ее искажают.
Такую искаженную кристаллическую решетку называют тетрагональной (рис. 36), в которой один параметр с больше другого а и, следовательно, отношение параметров с/а>1. Степень искаженности (тетрагональности) зависит от содержания углерода в стали: она тем выше, чем больше углерода в стали. Следовательно, мартенсит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе, которое способно растворять очень небольшое количество углерода (до 0,02%), а в мартенсите углерода столько, сколько его содержится в аустените этой стали, поэтому мартенсит является α-твердым раствором, перенасыщенным углеродом.

5%. Закаленные высокоуглеродистые стали содержат большее количество остаточного аустенита — до 12%.

500-250°С с образованием структуры, называемой бейнитом. Это превращение характеризуется сочетанием как перлитного (диффузионного), так и мартенситного (бездиффузионного) превращения. Начинается бейнитное превращение с перераспределения углерода в аустените. Благодаря этому в аустените образуются обогащенные и обедненные углеродом участки. Цементит выделяется в участках, обогащенных углеродом, в результате чего образуются участки аустенита, обедненные углеродом. В этих участках, а также в уже имеющихся участках, обеднениях углеродом, идет мартенситное превращение, а затем распад цементита, в результате чего образуется ферритоцементитная смесь.
При температуре изотермической выдержки более 350°С образуется верхний бейнит (

НВ 450) с перистым строением, напоминающим строение перлита, при температуре изотермической выдержки менее 350°С образуется нижний бейнит (

НВ 550), имеющий игольчатое строение, похожее на строение мартенсита.

Источник

Adblock
detector