и термокинетические диаграммы распада аустенита

1
Министерство образования и науки Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный морской технический университет
А. М. Фирсов
ИЗОТЕРМИЧЕСКИЕ И ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ РАСПАДА
АУСТЕНИТА В СТАЛЯХ
Домашнее задание
Санкт-Петербург
2009
2
1.Методы построения диаграмм распада переохлажденного аустенита
1.1 Изотермическое превращение аустенита
При проведении изотермических исследований образцы изучаемой стали нагревают до
какой-либо температуры в области аустенита. После соответствующей выдержки при
температуре нагрева образы быстро переохлаждают до определенной субкритической
температуры ( т.е. лежащей ниже критической точки А1) , при которой выдерживают в
течение некоторого отрезка времени для развития превращения. Охлаждение образцов от
температуры нагрева до температуры изотермической выдержки должно производиться
быстро, чтобы исключить заметный распад аустенита в процессе охлаждения. Поэтому
для изотермической выдержки применяют свинцовые или соляные ванны , используют
небольшие по размеру образцы, которые охлаждаются по всему сечению с достаточно
большой скоростью. Наблюдать за развитием превращения при выбранной температуре
можно различными способами. Наибольшее распространение получили: структурный,
дюрометрический (измерение твердости), магнитный и дилатометрический методы.
При проведении исследования структурным или дюрометрическим методом образцы
обычно изготовляют в виде пластинок толщиной не более 2—З мм. Их одновременно или
последовательно нагревают до температуры аустенизации, после чего быстро охлаждают
до температуры изотермического исследования, при которой выдерживают различное
время, а затем закаливают в воде или масле (рис. 1).
Если превращение аустенита во время изотермической выдержки не началось, т. е. время
выдержки было меньше инкубационного периода при данной температуре, то в структуре
образца будет чистый мартенсит с наличием большего или меньшего количества оста
точного аустенита. Если же во время изотермической выдержки происходило частичное
превращение аустенита, то в структуре, наряду с мартенситом, будут присутствовать
продукты изотермического превращения, количество и строение которых отражает
степень н характер распада аустенита. Естественно, что в случае полного распада
аустенита при изотермической выдержке участки мартенсита
Рис. 1. Схема термической обработки при изучении изотермического превращения
аустенита структурным методом:
Тн температура нагрева; Т1,Т2,Т3 - температуры изотермической выдержки
в структуре отсутствуют и все поле шлифа занимают продукты изотермического
превращения, Структурный метод исследования хотя и не дает возможности непрерывно
наблюдать за развитием изотермического распада аустенита. однако позволяет определить
моменты заметного начала и конца превращения, а также промежуточные степени
3
распада. Структурным методом можно определить характер образующихся структур при
различных степенях переохлаждения, что весьма важно для теории и практики
термической о6 работки. К сожалению, такие исследовании довольно трудоемки и для
оценки характера и количеств продуктов изотермического превращения требуют
известной квалификации исследователя.
При дюрометрическом методе исследования на образцах, обработанных таким же
образом, как и при структурном методе, вместо исследования микроструктуры измеряется
твердость. Так как твердость продуктов изотермического распада в
Рис. 2. Результаты дюрометрического исследования превращения аустенита в стали с
0,95% углерода, 0,64% молибдена. Температура наг рева 950°С
большей или меньшей мере отличается от твердости мартенсита, то по характеру
изменений твердости образцов в зависимости от длительности изотермической выдержки
(рис. 2) обычно удается наметить моменты начала и конца распада переохлажденного
аустенита и оценить количество образовавшихся продуктов. Конечно, такие определения
являются весьма ориентировочными, Поэтому дюрометрический метод исследования
имеет довольно ограниченное применение и его обычно используют как дополнение к
другим методам.
При магнитометрическом или дилатометрическом методе исследования применяют
специальные образцы небольшого сечения (обычно цилиндрики диам. 3—4 мм и длиной
30—50 мм). После нагрева и охлаждения до заданной температуры изотермического
превращения образцы помещают в печь дилатометра или магнитометра, нагретую до
температуры изотермической выдержки, и выдерживают там в течение известного
времени. О развитии превращений судят по изменению магнитных характеристик или
длины образцов.
В дальнейшем полученные характеристики могу быть пересчитаны на объемный процент
превращения, для чего достаточно знать величину изменения длины или магнитности при
данной температуре в случае 100%-ного превращения .
Достоинством дилатометрического и магнитного методов исследования является
возможность непрерывно наблюдать за процессом превращения и оценить полноту
превращения на всех этапах изотермической выдержки. Однако при этих методах
исследования не все процессы удается разграничить, например , невозможно отличить
процесс выделения свободного феррита от процесса образования феррито-карбидной
смеси. Наилучшие результаты при построении диаграмм получаются при использовании
сразу нескольких методов
4
1.2. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении
В настоящее время изучение закономерностей распада аустенита в процессе
непрерывного охлаждения производят как путем постановки непосредственных
экспериментов, так и путем применения специальных расчетных методов . Расчетные
методы позволяют по данным изотермических исследований судить о кинетике и
температурных интервалах распада аустенита в процессе его охлаждения с той или иной
скоростью
. Обычно экспериментальное построение таких диаграмм проводят с использованием
термического, микроструктурного, ,дилатометрического или магнитного методов. При
исследовании термическим методом производят непрерывный контроль температуры
образцов, нагретых до аустенитного со стояния, в процессе их охлаждения с заданной
скоростью. По полученным перегибам на термических кривых (обычных или
дифференциальных) судят о развитии превращения в процессе охлаждения (см. например,
Термический метод ис следования обычно дополняется другими методами
(магнитометрическим, дюрометрическим).
При проведении исследований структурным методом после аустенизации по заданному
режиму охлаждается не один, а несколько небольших образцов, обычно изготовляемых в
виде тонких пластинок толщиной 2—3 мм. По достижении определенных температур,
последовательно понижающихся, образцы закаливают в воде или масле (рис.3).
Рис 3 Схема термической обработки образцов при изучении превращения аустенита в
процессе непрерывного охлаждения структурным методом
Последующее микроструктурное исследование, как и при изотермическом методе,
позволяет с известной точностью установить на отдельных образцах моменты начала и
конца превращения, а также промежуточные стадии распада стадии распада. Этот метод
позволяет определить и характер образующихся структур, что невозможно при
физических методах исследования. Отметим, что внешний вид диаграмм существенно
зависит и от метода их построения и от индивидуального подхода различных
исследователей к толкованию полученных экспериментальных данных.
2. Общие замечания по кинетическим диаграммам распада
а) критические точки для сплавов при нагреве обозначены буквами А1 Аз и Асm. В
некоторых случаях указывается не точка, а интервал температур превращения перлита в
аустенит. Тог да на диаграммах приводятся либо температуры нижней границы этого
интервала, либо температуры начала и конца превращения.
Температура начала мартенситного превращения обозначена на диаграммах буквой Мн (
иногда Мs) а температура конца Мк.
5
б) характер структур, образующихся в различных температурных областях, отмечен
буквами: А—аустенит, Ф—феррит, К—карбид, П—. перлит, (Ф+ К) — ферритокарбидная смесь (ФКС), Гр графит, Б —бейнит ( в некоторых случаях это превращение
обозначается II ст ), М — мартенсит. Надписи А→Ф; А→.-(Ф + К); А →М указывают .на
области развития соответствующих превращений аустенита , феррита, ферритокарбидной смеси, мартенсита.
Для некоторых сталей отмечаются возможность образования из аустенита
пересыщенного феррита, нескольких различных по составу звтектоидов или различных по
строению продуктов промежуточного превращения. В таких случаях в подписях к
диаграммам имеются соответствующие пометки: Ф* I1ст* и т. д.;
в) пунктирные линии на диаграммах, показывают район температур, в котором линии
диаграммы проведены несколько приближенно. Обычно это относится к случаям, когда
устойчивость аустенита либо чрезвычайно мала, либо, наоборот, настолько велика, что
точно определить моменты начала и особенно конца превращения не удается;
г) на термокинетических диаграммах тонкими линиями нанесены кривые охлаждения.
Цифры около соответствующих линий диаграммы показывают в процентах сколько
образовалось каждой структуры к моменту достижения данной температуры при
охлаждении стали с той или иной скоростью;
д) значения твердости продуктов превращения аустенита даны на диаграммах цифрами,
поставленными либо в правой части диаграммы, либо у кривых скоростей охлаждения. На
изотермических диаграммах эти цифры показывают твердость продуктов после полного
превращения аустенита при постоянной температуре На термокинетических диа граммах
цифры характеризуют твердость стали после охлаждения до комнатной температуры.
Двузначные цифры — это твердость в единицах Роквелла. Трехзачные цифры —
твердость в единицах Бринелля НВ или Виккерса НV Обозначение шкал дано либо около
первой верхней цифры на диаграмме, либо внизу около первой цифры слева.
На всех диаграммах линии начала и конца превращения должны рассматриваться как
ориентировочные. Понятие «инкубационный период» не имеет четкого физического
смысла. По существу, превращение аустенита начинается сразу же, как только он попадет
в район субкритических температур. Однако в начальные периоды превращение
развивается крайне медленно, охватывая очень небольшие объемы, поэтому не
обнаруживается в течение некоторого отрезка времени
3. Содержание домашней работы
3.1 Определить распределение структур и твердости по сечению круглого стержня из
стали заданной марки, получаемых в результате охлаждения с температуры аустенизации
в воде или в масле. Рассмотрим в качестве примера охлаждение вала из стали 40Г2
диаметром 160 мм в воде. В Приложении 1 находим термокинетическую диаграмму этой
стали:
6
Рис 4 Термокинетическая диаграмма стали 45Г2
В Приложении 2 находим, как распределены времена охлаждения от 800 до 500 град С
по сечению вала данного диаметра:
Расстояние от поверхности,
мм
0
Время охлаждения от 800 до
500 градС, с
1 15 30 45 62 101 141 165 180 205 230 258
5
10 15 20
30
40
50
60
70
80
90
Определим, какая структура образуется в сердцевине этого вала при охлаждении в воде.
Из вышеприведенной таблицы следует, что в сердцевине время охлаждения составляет
258 с., что приближенно соответствует кривой охлаждения ( см Рис 4 ), приводящей к
твердости 27 HRC . Проследим формирование структуры сердцевины, двигаясь вдоль
этой кривой сверху вниз :
•
при температуре около 630 град С начинается выделение феррита из аустенита (Ф
– А) .Цифра 7 указывает, что образуется 7% феррита от общего объема данной
зоны детали.
•
При температуре около 600 град С начинается перлитное превращение аустенита
(А—Р), оно заканчивается при температуре около 540 град С . Следует отметить,
что при таких температурах переохлажденный аустенит превращается не в перлит,
а в более дисперсные структуры сорбит и троостит и содержание этих
перлитообразных структур составляет 70% от общего объема. Таким образом, к
7
данному моменту в зоне сердцевины наблюдается 7% феррита, 70% перлитных
структур (сорбит + троостит) и 33% переохлажденного аустенита
•
При температуре 540 град С начинается бейнитное превращение аустенита.
Сначала образуется верхний (перистый) бейнит, затем, при понижении
температуры, образуется нижний (игольчатый) бейнит. Всего к концу бейнитного
превращения при температуре около 280 град С содержание бейнита составляет
21% от общего объема
•
При температуре около 280 град начинается мартенситное превращение
переохлажденного аустенита. К данному моменту остается непревращенным всего
2% аустенита, соответственно, количество мартенсита в структуре будет
несколько меньше этой величины, так как всегда образуется некоторое количество
остаточного аустенита
Аналогичным путем рассматривается структурный состав других зон сечения детали. В
итоге нужно изобразить на рисунке распределение структур по сечению вала (
концентрическими кругами). На другом рисунке изображается распределение твердости
по радиусу вала
Таблица 1
Варианты заданий:
Номер
варианта
Марка стали
Диаметр
заготовки,
Среда
охлаждения
Кривая
охлаждения для
дополнительного
анализа
мм
1
18ХГ
300
масло
207 HV
2
20ХМ
160
вода
240 HV
3
20Г
180
вода
287 HV
4
25ХГФ
140
вода
31 HRC
5
35СГ
120
вода
46 HRC
6
35Х
300
масло
29 HRC
7
45
120
вода
378 HV
8
45Х
180
вода
34 HRC
9
45Г2
300
масло
27 HRC
10
ХВГ
300
масло
481 HV
11
У10
60
вода
817 HV
2. Сопоставить изотермические или термокинетические диаграммы двух сталей с
одинаковым или близким содержанием углерода, но разным содержанием легирующих
элементов:
- охарактеризовать стали ( состав, назначение ,качество, возможная область применения)
-
охарактеризовать легирующие элементы с точки зрения возможности
карбидообразования
8
-
выявить влияние легирующих элементов на длительность инкубационного периода
для перлитного и бейнитного превращения, на температуру мартенситного
превращения ( изобразить на рисунке схематично
-
определить критические скорости закалки для этих сталей
-
определить критические диаметры Д50 для охлаждения в воде или в масле ( в тех
случаях, когда для этого есть данные)
-
определить нижнюю границу скорости охлаждения данной стали из аустенитного
состояния, при которой достигается состояние близкое к равновесному
Рассмотрим в качестве примера сопоставление сталей 20Г и 20 ГНДМ (см Рис 5)
Увеличение количества легирующих элементов, среди которых имеется сильный
карбидообразователь молибден, приводит к существенному замедлению как перлитного
так и бейнитного превращений в стали 20ГНДМ. Инкубационный период в сравниваемых
сталях для перлитного превращения равен соответственно 0,5 и 30 с , для бейнитного
превращения 0,5 и 8 с соответственно В результате, структуры и механические свойства
при одинаковых скоростях охлаждения получаются различными. Рассмотрим, какая
структура возникает в стали 20ГНДМ при охлаждении по кривой, обозначенной буквой
L. В этом случае время охлаждения от 800 до 500 град С составляет около 200 с, (что
соответствует времени охлаждения на воздухе (нормализации) прутов диаметром 25 мм.)
Средняя скорость охлаждения при этом
Vохл = (800 – 500) / 200 = 1,5 град/ с
Как видно из Рис 5 б, после охлаждения в структуре можно будет наблюдать небольшое
количество свободного феррита (2%) , 57% бейнита, и остальное – мартенсит. Твердость
этой структуры лежит между 27 и 28 HRC . Эта структура, естественно, не является
равновесной. Такая же скорость охлаждения стали 20Г приведет к структуре,
содержащей 75% феррита и 25% перлита и твердости 167 HV (примерно 17 HRC) .
Полученная структура близка к равновесной, что следует из количества перлита:
25% П * 0,8% С = 0,2 % С
Таким образом, содержание углерода в стали 20Г может быть правильно определено из
содержания перлита, что возможно только для равновесной структуры.
Из вышесказанного следует, что нормализация стали 20Г позволяет получить структуру
и свойства близкие к отжигу. В случае стали 20ГНДМ для получения структуры, близкой
к равновесной ( 20% перлита), необходима очень медленная скорость охлаждения
(крайняя правая кривая охлаждения на Рис 5 б):
Vохл = (800 – 500) / 100000 = 0, 003 град/с ≈ 10 град/час
Из термокинетической диаграммы можно определить критическую скорость закалки.
Например, для стали 20ГНДМ, исходя из инкубационного периода бейнитного
превращения:
V кр = (800 – 450) / 8 = 43,8 град/с
Возможно так же ориентировочно определить критический диаметр стали Д50. Из Рис 5 б
следует, что в стали 20ГНДМ структура, содержащая 50% мартенсита образуется при
охлаждении по кривой, при водящей к твердости 30 HRC . Время охлаждения от 800 до
500 град в этом случае около 60 с . Из таблиц приложения II следует, что при
охлаждении в воде такое время охлаждения сердцевины соответствует стальным
стержням диаметром от 120 до 140 мм. , при охлаждении в масле – от 60 до 80 мм. Таким
образом, для стали 20 ГНДМ Д50 ≈ 130 ( вода) и Д50 ≈ 70 ( масло)
9
а)
б)
Рис 5 Термокинетические диаграммы сталей 20Г (а) и 20ГНДМ (б)
10
-
Таблица 2
Варианты заданий
Номер задания
Сопоставляемые стали
Время охлаждения
от 800 до 500 град С
для сопоставляемых
зон
1
20Г
18ХГ
20 с, 1 ч
2
20кп
20Г
20 с, 1 ч
3
20кп
25ХГФ
50 с, 1 ч
4
20Г
20ХМ
20 с,1 ч
5
20кп
20ГНДМ
1ч
6
20Г
20ГНДМ
20 с, 1 ч
7
35СГ
35Х
150 с, 1 ч
8
45
40Х
100 с, 1 ч
9
45
45Г2
100 с, 1 ч
10
У10
ХВГ
20 с, 1 ч
11
ПРИЛОЖЕНИЕ I
Термокинетические диаграммы сталей
12
13
14
Сталь 20 ХМ
Сталь 20ГНДМ
15
16
17
18
Сталь 45Х
19
Сталь 45Г2
Сталь ХВГ
20
Сталь У10
ПРИЛОЖЕНИЕ II
Таблицы для расчета скоростей охлаждения круглых стальных стержней
Охлаждение в воде
Расстояние от
поверхности,
мм
0
5
10
15
20
25
30
35
40
50
Время охлаждения в воде (с) от 800 до 500 град С для
круглых стержней диаметром:
40 мм
60 мм
80 мм
100 мм
1
1
1
1
5
5
7
11
7
8
12
20
10
12
18
27
12
15
24
35
18
29
42
20
33
46
36
50
39
54
58
Расстояние от
поверхности,
мм
Время охлаждения в воде (с) от 800 до 500 град С для
круглых стержней диаметром:
120 мм
140 мм
160 мм
180 мм
21
0
5
10
15
20
25
30
35
40
50
60
70
80
90
1
12
23
33
43
53
60
67
74
80
86
1
13
25
36
47
58
69
80
90
101
109
117
1
14
28
42
54
66
77
88
99
109
118
127
136
1
15
30
45
62
75
101
120
141
165
180
205
230
258
Охлаждение в масле
Расстояние от
поверхости, мм
0
10
20
30
40
Расстояние от
поверхости, мм
0
10
20
30
40
50
100
150
300
Время охлаждения в масле (с) от 800 до 500 град С для
круглых стержней
диаметром:
20мм
40мм
60мм
80мм
5
13
20
28
8
22
34
48
30
44
63
52
78
80
Время охлаждения в масле (с) от 800 до 500 град С для
круглых стержней
диаметром:
100мм
200мм
300мм
600мм
30
31
32
34
50
70
85
140
75
90
135
240
95
120
190
335
104
160
240
430
110
200
290
530
240
340
625
390
720
815