Контрольно-курсовая работа по дисциплине «Теория термической обработки металлов и сплавов» на тему «Третья стадия превращений в закалённой стали при отпуске»

Выполнил

П.В. Фомина

Тюмень 2010

Содержание

Введение

1. Третья стадия превращений в закалённой стали при отпуске

2. Влияние легирующих элементов на карбидное превращение

3. Список использованных источников

Введение

Отпуск - это термическая обработка закаленного на мартенсит сплава (или металла), при которой главным процессом является распад мартенсита. [1]

Структура закаленной стали состоит преимущественно из мартенсита и остаточного аустенита, которые являются метастабильными и стремятся перейти в более равновесное состояние.

Особенностями строения закаленной стали являются высокое пересыщение мартенсита, повышенная плотность дефектов кристаллической решетки - дислокаций и присутствие остаточного аустенита.

С учетом особенностей строения закаленной стали распад пересыщенного твердого раствора (мартенсита) осложняется распадом переохлажденного аустенита, развитием процессов полигонизации и рекристаллизации в мартенсите и процессами коагуляции и сфероидизации цементита.

При отпуске закаленную сталь нагревают до температур ниже точки ; чем выше температура нагрева, тем более подвижными становятся атомы углерода и матрицы, тем вероятнее переход к более стабильному состоянию. По мере нагрева в сталях происходят следующие превращения.

Нагрев 20-80 °С . Стадия предвыделений.

Проходят подготовительные процессы внутри кристаллов перед их распадом. Атомы углерода перемещаются к дислокациям, занимая энергетически более выгодные позиции, этому способствует сильное пересыщение мартенсита углеродом и громадная плотность дислокаций. При нагреве атомы углерода могут образовывать в мартенсите кластеры (плоские зоны) вдоль плоскостей [110] или [112]. Сегрегация атомов углерода в виде примесных атмосфер на дефектах решетки и кластеров является первым изменением в тонком строении мартенсита при отпуске. [2]

Нагрев 80-300 °С. Превращение остаточного аустенита в мартенсит отпуска.

В интервале температур 80-300 °С идет превращение остаточного аустенита в мартенсит отпуска, параллельно этому превращению идет выделение промежуточных карбидов, прямо из кластеров углерода путем небольшой перестройки их решетки или непосредственно из б-раствора. Образующиеся карбидные фазы, при последующем нагреве превратятся в цементит.

В результате превращений образуется структура отпущенного мартенсита, представляющая собой гетерогенную смесь пересыщенного твердого раствора и дисперсных частиц промежуточного карбида при сохранении когерентности решеток этих фаз. Под микроскопом структура игольчатая, лучше травимая, чем мартенсит закалки.

Нагрев от 300 °С и выше. Карбидное превращение.

Это превращение связано с появлением дисперсных карбидов Fe3C шаровидной формы вместо тонкопластинчатых, когерентно связанных ферритом. Это превращение мы рассмотрим более подробно, чем предыдущие.

1. Третья стадия превращений в закаленной стали при отпуске

В области температур третьего превращения при отпуске происходит образование карбида Fe3C, которому предшествовало выделение карбидных фаз, отличных от предсказаваемых диаграммой железо-углерод.

Б.А. Апаев, используя специальную методику магнитного анализа, изучив влияние температуры, времени нагрева и содержания углерода на карбидные превращения при отпуске, сделал вывод, что существуют карбидные фазы: низкотемпературный ч (хи)-карбид с точкой Кюри 265 °С (температура точки Кюри цементита равна 210 °С); е-карбид, который устойчив ниже 200 °С, а при температуре выше 450 °С интенсивно превращается в Fe3C. В низкоуглеродистой стали (<0,4-0,6%С) с повышением температуры нагрева осуществляются следующие превращения: мартенсит е-карбид (FeхC) Fe3C.[4]

В стали с 0,6-1,2 % С на первом этапе отпуска образуется е-карбид. На втором этапе е-карбид одновременно превращается в ч-карбид и Fe3C. Третий этап карбидообразования заключается в превращении ч-карбида в Fe3C. Температурные зоны существования различных карбидных фаз в зависимости от содержания углерода в стали показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 - Область существования карбидных фаз при отпуске закаленной углеродистой стали

Образование цементита Fe3C начинает происходить уже при температурах выше 250 °С, а наиболее активно продолжается в интервале 300-400 °С.

Цементит Fe3C - более стабильная фаза, обладающая меньшей объемной энергией Гиббса, чем промежуточный карбид.

Установлены два механизма зарождения цементита. Во-первых, цементит выделяется прямо из пересыщенного б-раствора, причем рост частиц Fe3C сопровождается растворением выделений ранее образовавшегося менее стабильного карбида. Во-вторых, цементит образуется перестройкой решетки промежуточного карбида в решетку Fe3C (в пределах объема частиц промежуточного карбида).

После отпуска при 300 °С основную массу карбидной фазы составляет цементит, отличающийся от высокотемпературного цементита несколько меньшим объемом элементарной ячейки и наличием дефектов кристаллической структуры. При более высоких температурах отпуска (450 - 480 °С) единственной карбидной фазой, присутствующей в стали, является высокотемпературный «равновесный» цементит.

При повышении температуры и (или) увеличении продолжительности отпуска возрастает концентрация углерода в карбидной фазе от 2 в е до 3 в цементите.

При сравнительно низких температурах цементит растет в виде дисперсных пластин, полукогерентных матрице. Размер цементитных пластин различен. Концентрация углерода в б-растворе около относительно мелких частиц выше, чем около более крупных. Эта разность концентраций обеспечивает диффузию углерода в б-растворе от более мелких цементитных частиц к более крупным. В результате выравнивающей диффузии б-раствор становится ненасыщенным около мелких частиц и пересыщенным около крупных. Более мелкие цементитные частицы растворяются, а более крупные подрастают. Цементит выделяется из б-раствора на крупных частицах вдали от их вершин и ребер, и форма крупной частицы приближается к сферической. Таким образом, переносом вещества через раствор осуществляются коагуляция и сфероидизация цементита при отпуске стали. Ниже 350 °С эти процессы развиты очень слабо. По-настоящему интенсивная коагуляция и сфероидизация начинаются с 350 - 400°С. Выше 600 СС все частицы цементита сферические и идет только их коагуляция. При изотермической выдержке коагуляция цементита интенсивно развивается в течение короткого времени (первого часа) и затем затухает. Средний размер цементитных частиц растет с повышением температуры отпуска.

Процессы карбидообразования в зависимости от того, происходят они в мартенситных кристаллах, содержащих двойники, или в кристаллах без двойников, сильно различаются.

В кристаллах без двойников при отпуске 300 °С карбидная фаза формируется в виде нескольких систем параллельных тонких пластинок, ориентация которых соответствует определенным кристаллографическим направлениям матрицы. После отпуска стали при 300° С наряду с частицами е-карбида образуются частицы цементита, обладающего ромбической решеткой, параметры которой совпадают с параметрами решетки нормального цементита, который образуется при высокотемпературном (550-600 °С) отпуске стали. Тем не менее, возникшая при 300 °С цементитная фаза существенно отличается от «равновесного» цементита Fe3C; это относится к некоторым физическим свойствам, а также к деталям тонкого кристаллического строения.

В кристаллах мартенсита с двойниками, в которых е-карбид при низкотемпературном распаде мартенсита не образовывался, после отпуска в интервале третьего превращения можно наблюдать относительно грубые пластинки цементита, расположенные по границам двойников и реже по границам бывших мартенситных кристаллов. На свободных от двойников участках наблюдаются пластинчатые выделения е-карбида и цементита.

После достаточно длительного отпуска при высоких температурах (выше ~600°С), когда в результате коагуляции цементитных частиц закрепление границ ослабевает, происходит рекристаллизационный рост исходных высокоугловых границ. Микроструктура при этом теряет характерные морфологические признаке реечного мартенсита.

В высокоуглеродистых сталях из-за сильного торможения миграции границ частицами цементита рекристализационный рост зерен б-фазы идет еще труднее и «игольчатый» характер структуры сохраняется до температур отпуска около 650 °С.

После отпуска при 300 - 450 °С обнаруживается особенно сильно травящаяся игольчатая структура, которую называют трооститом отпуска. В интервале температур 450 - 650 °С получается сорбит отпуска. Его двухфазное строение отчетливо выявляется при больших увеличениях светового микроскопа. Высокие температуры отпуска приводят к потере игольчатого вида сорбита, который приобретает явное точечное строение.

Цементитная фаза, образующаяся в стали после отпуска при температурах, соответствующих началу третьего превращения, содержит плоские дефекты упаковки.

Некоторую разницу в кристаллической структуре цементита, образующегося при температурах третьего превращения, от высокотемпературного объем элементарной ячейки цементита после отпуска стали при 350--400° С меньше объема элементарной ячейки высокотемпературного цементита или цементита отожженной стали. При дальнейшем повышении температуры отпуска объем элементарной ячейки цементита увеличивается и приближается постепенно к объему элементарной ячейки стабильного цементита. Это можно объяснить образованием на рассматриваемой стадии отпуска цементита нестехиометрического состава, характеризующегося наличием вакантных мест в кристаллической решетке и дефицитом по углероду.

Весьма интересные данные о кинетике и последовательности изменений в карбидной фазе в процессе отпуска при 250--300°С были получены при наблюдении за изменениями структуры в одном и том же участке кристалла мартенсита, не содержащего двойников, который подвергался нагреву непосредственно в колонне электронного микроскопа. Отпуск при 300° С еще не приводит к образованию цементитной фазы в таких участках сплава - на микроэлектронограмме фиксируются отражения от а-фазы и е-карбида. При увеличении выдержки до 70 мин усиливается дифракционный контраст от выделений и на электронограмме появляются отражения, соответствующие цементиту; при этом отчетливо виден рост карбидных частиц, выделившихся вдоль границы мартенситного кристалла; по-видимому, одновременно с увеличением размеров карбидов происходит частичный переход е-карбида в цементит. Принципиальным моментом в данном случае является то обстоятельство, что процесс превращения е-карбида в цементитную фазу происходит, в определенной степени, за счет растворения частиц е-карбида и роста кристаллов цементита, имеющих, по-видимому, благоприятную кристаллографическую ориентировку. Основанием для такого заключения является то, что в процессе отпуска увеличивается размер цементитных частиц, выделившихся по границам мартенситного кристалла, и уменьшается количество более мелких выделений е-карбида. Такой процесс хорошо наблюдать при отпуске в области 380--400° С. Исчезновение мелких карбидных частиц и увеличение числа крупных сопровождается исчезновением отражений от решетки е-карбида, и на дифракционной картине наблюдаются лишь рефлексы от цементита. При увеличении выдержки в условиях изотермического отпуска (свыше 20 мим при 380° С) картина существенно не меняется.

Следует особо отметить, что после отпуска при 250-- 350° С дифракционные пятна цементита оказываются вытянутыми в направлении [001] ромбической решетки, а некоторые из них смещены в этом же направлении. Кроме того, между пятнами цементита имеются слабые соединительные линии, также расположенные в направлении [001] цементита. Такого рода эффекты могут возникнуть при плоских нарушениях укладки атомов в решетке цементита. Последние могут образоваться в результате реализации такого механизма превращения е-карбида в цементит, когда в плоскости (001) решетки цементита на определенном протяжении перехода атомов железа из их положений в гексагональной плотноупако-ванной решетке в новые положения, соответствующие решетке цементита, не происходит.

Этот процесс может происходить при перестройке решетки е-карбида в ромбическую решетку цементитной фазы по механизму, который был впервые рассмотрен Джаком [3].

Аналогичные наблюдения В.Н. Гриднев и Ю.Н. Петров осуществили на низкоотпущенных кристаллах двойникового мартенсита при его последующем нагреве в микропечи электронного микроскопа. Повышение температуры отпуска до 280° С приводит к ослаблению контраста от двойников, хотя на дифракционной картине сколько-нибудь существенных изменений по сравнению с низкотемпературным отпуском (200° С) зафиксировать не удается.

Отпуск при 380° С даже сравнительно кратковременный (15 мин) вызывает значительное укрупнение отдельных частиц цементита, расположенных по границам двойников, и усилением их контраста; в то же время во многих участках тонкие пластинки выделившейся карбидной фазы растворяются.

Вновь образующиеся карбиды в ряде случаев дают дифракционный контраст, подобный контрасту от дефектов упаковки. Низкотемпературный дефектный цементит превращается, таким образом, в высокотемпературную цементитную фазу, структура которой также характеризуется значительным количеством несовершенств. Микродифракционная картина в этом случае соответствует ромбической решетке с параметрами: а=0,451 нм (4,51 А); 6=0,508 нм (5,08А); с=0,673юи (6,73 А).

Смещение некоторых рефлексов и появление тонких полосок в направлении [001] может свидетельствовать о существовании плоских дефектов в системе плоскостей (001) возникающего карбида цементитного типа с ромбической решеткой.

Повышение температуры отпуска до 400 - 500 °С приводит к завершению изменений в кристаллической структуре карбидной фазы стали. Наблюдаются частицы цементита, ориентированные определенным образом по отношению к матрице. В твердом растворе, где имеются двойниковые образования, наблюдается интенсивный рост ромбического цементита по границам двойников, постепенном уменьшении степени дефектности кристаллической решетки цементита. При температуре отпуска 600° С происходит заметная коагуляция частиц цементита.

Таким образом, имеющиеся в настоящее время данные свидетельствуют о том, что при третьем превращении происходят изменения как в структуре матрицы стали, так и в карбидной фазе. Изменения в б-фазе заключаются в окончательном выделении из твердого раствора углерода, который в незначительном количестве сохраняется в позициях внедрения при нагреве до 250 - 300 °С и снижении плотности структурных несовершенств. Метастабильные карбидные фазы - е-карбид и низкотемпературный дефектный цементит - превращаются в температурном интервале третьего превращения в наиболее стабильный карбид железа - цементит.