Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 206
Скачиваний: 0
А К А Д Е М И Я |
Н А У К |
У К Р А И Н С К О Й |
С С Р |
ИН С Т И Т У Т
МЕ Т А Л Л О Ф И З И К И
B.Н. ГРИДНЕВ Ю. Я. МЕШКОВ
C.П. ОШКАДЕРОВ В. И. ТРЕФИЛОВ
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н А У К О В А Д У М К А »
Ф И З И Ч Е С К И Е ОСНОВЫ
ЭЛ Е К Т Р О Т Е Р М И Ч Е С К О Г О
УП Р О Ч Н Е Н И Я
СТ А Л И
• К И Е В — 1 8 7 3
У Д К |
G69. 017. 3: 539. 3. 539. |
4: 069. |
07 5. 8 |
6П3.1 |
|
Ф50 |
|||||
|
|
|
|
Р е ц е н з е н т ы :
акад. АН УССР И. Н. Францевич,
докт. техн. наук Л. Н. Лариков
5 |
о, >. v - -•• |
- Э др, д |
Редакция физико-математической литературы
278 |
|
3111— |
|
27в |
|
М22К04)—73 2 2 - 7 3 |
(С) Издательство «Наукова думка», 1973 г. |
Предисловие
|
Разработка новых методов упрочнения металлических |
сплавов и |
|
|||||||
самого |
распространенного |
из |
них — стали |
является |
актуальной |
|
||||
задачей современной физической и металловедческой науки и прак |
|
|||||||||
тики. В последние годы появилось много новых способов воздействия на |
|
|||||||||
структурное состояние сплавов, что позволило существенно повысить |
|
|||||||||
их прочность, надежность и другие эксплуатационные характеристики. |
|
|||||||||
Благодаря успехам, достигнутым в технологии скоростных методов на |
|
|||||||||
грева, например токами высокой частоты, широкое промышленное при |
|
|||||||||
менение получила индукционная закалка как один из современных |
|
|||||||||
видов упрочняющей обработки машиностроительных деталей. Это сти |
|
|||||||||
мулировало научные исследования по проблеме образования аустенита |
|
|||||||||
при нагреве со скоростями 100 |
и более градусов в секунду. За сравни |
|
||||||||
тельно короткий период был накоплен обширный экспериментальный |
' |
|||||||||
материал и сделаны во многом неожиданные выводы, в которых под |
|
|||||||||
черкивалась принципиальная важность изучения превращений в сталях |
|
|||||||||
при скоростном нагреве как самостоятельной проблемы современного |
|
|||||||||
физического металловедения. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Систематические исследования фазовых и структурных |
превраще |
|
|||||||
ний в сплавах при повышенных скоростях нагрева были начаты более |
• |
|||||||||
30 лет тому |
назад и проводились на эвтектоидных |
медно-алюминиевых |
|
|||||||
сплавах, |
в которых впервые были |
обнаружены новые явления, получив |
|
|||||||
шие название обратных мартенситных превращений. Именно на этих |
|
|||||||||
сплавах с помощью микрокиносъемки в 1938 г. удалось показать кине |
|
|||||||||
тику образования мартенситоподобных фаз при нагреве закаленных |
|
|||||||||
сплавов. В последующие годы мартенситный |
механизм образования вы |
|
||||||||
сокотемпературных фаз был обнаружен в других |
|
системах |
(железо — |
|
||||||
никель, железо — марганец, титан — хром, титан — олово), и, таким об |
|
|||||||||
разом, это явление оказалось не столь редким, как первоначально пред |
|
|||||||||
полагалось. |
Вполне естественным |
развитием исследований был поиск |
|
|||||||
обратных мартенситных превращений при нагреве |
железоуглеродистых |
|
||||||||
и |
ряда легированных сталей. Казалось, что при очень высоких скорос |
|
||||||||
тях нагрева (10*—105 град/сек) |
удастся подавить |
диффузию |
углерода и |
|
||||||
создать |
благоприятные условия для упорядоченного бездиффузионного |
|
||||||||
превращения. Однако эти предположения не подтвердились. В лучшем |
|
|||||||||
случае лишь о некоторых легированных сталях были получены данные, |
|
|||||||||
свидетельствовавшие о частичной реализации этого процесса |
(например, |
|
||||||||
в |
сплавах |
железо — никель — углерод). |
Вскоре |
было установлено, |
|
|||||
что механизм, кинетика и температурные условия фазовых |
переходов |
|
||||||||
существенно зависят от исходного состояния сплава. При кратковре |
|
|||||||||
менном (импульсном) нагреве сплавов, находящихся в метастабильном |
|
|||||||||
состоянии (закаленных, деформированных, облученных), неизбежны |
|
|||||||||
релаксационные процессы с потенциальной |
возможностью образования |
$ |
|
таких промежуточных структур, которые не могут быть получены при |
|||||
|
стандартных видах термической |
обработки. |
|
|
|
|
|
Интерес к исследованию особенностей фазовых и структурных изме |
|||||
|
нений в сталях при быстром нагреве особенно повысился, когда выяс |
|||||
|
нилось, что, применяя электроотпуск к закаленной стали, |
можно до« |
||||
|
стнчь сочетания механических свойств, аналогичного эффекту |
легирова |
||||
|
ния стали. Формирование нового вида упрочняющей обработки — ско |
|||||
|
ростной электротермической обработки стали (СЭТО) связано с разви |
|||||
|
тием исследований по электроотпуску, |
начало которым было положено |
||||
|
уральской школой металловедов. Оказалось, что в формировании струк |
|||||
|
турных состояний, приводящих к необходимому эффекту упрочнения, |
|||||
|
электроотпуск играет не менее значительную роль, чем электрозакал:<а. |
|||||
|
Именно благодаря объединению этих двух элементов в едином процес |
|||||
|
се создается новое качество, новый вид обработки — СЭТО, который в |
|||||
|
будущем для некоторых изделий (проволока, пружины и др.) практи |
|||||
|
чески заменит обычную обработку в печах, и радикально |
преобразует |
||||
|
всю технологию термического упрочнения стали. |
|
|
|
||
|
Для исследования фазозых |
превращений при высоких |
скоростях |
|||
|
нагрева была разработана специальная безынерционная |
аппаратура, |
||||
|
с помощью которой можно было одновременно регистрировать измене |
|||||
|
ние нескольких параметров (температуры, удлинения, электрического |
|||||
|
сопротивления, магнитных свойств, параметра кристаллической решет |
|||||
|
ки, ширины рентгеновских линий), что позволило получить широкую |
|||||
|
информацию и значительно повысить надежность эксперимента. По мере |
|||||
|
совершенствования методов исследования непрерывно расширялся круг |
|||||
|
его задач. Первоначально определялось влияние скорости нагрева на |
|||||
|
температуру фазовых превращений и делались попытки выяснить ме |
|||||
|
ханизм превращений, в последующие |
же годы исследовалось |
также |
|||
|
влияние дефектов кристаллического строения на механизм и кинетику |
|||||
|
фазовых переходов, выяснилась роль «наследственной» передачи дефек |
|||||
|
тов от одной фазы к другой, G помощью методов микрокалориметрии бы |
|||||
|
ли получены важные данные о кинетике релаксации запасенной энергии |
|||||
|
в результате предварительной механико-термической обработки, о ка |
|||||
|
чественных и количественных ее изменениях в период фазовых |
перехо |
||||
|
дов и в период развития рекристаллизационных и полигонизационных |
|||||
|
процессов. Наконец, в самое последнее время для изучения структурных |
|||||
|
изменений в карбидной фазе при пластической деформации и последую |
|||||
|
щих кратковременных нагревах был использован метод Мёссбауэра. |
|||||
|
Наиболее важные в теоретическом и практическом отношении ре |
|||||
|
зультаты получены при исследовании корреляционной связи между |
|||||
|
структурой и свойствами сплава. Установленные закономерности поз |
|||||
|
волили не только выяснить природу упрочнения, но и прогнозировать |
|||||
|
возможность получения высокопрочных сплавов. Большой экспери |
|||||
|
ментальный материал, накопленный за многие годы нашим коллекти |
|||||
|
вом, дает основание утверждать, что СЭТО является очень эффективным |
|||||
|
методом получения высокодисперсных |
(или мелкозернистых) |
структур |
|||
|
с оптимальным соотношением свойств |
прочности и пластичности, Ра- |
||||
6 |
зумеется, для создания оптимальных структур не могут быть рекомен- |
дованы какие-либо определенные (стандартные) виды обработки. Каж дая сталь в зависимости от состава и предыстории проявляет свою «ин дивидуальность», что, естественно, должно быть принято во внимание при выборе технологических режимов обработки. Однако установлен ные за последние годы общие закономерности изменения структуры (включая субструктуру и дефектность кристаллического строения) поз воляют вести этот поиск более направленно и обоснованно.
Разработка теории фазовых и структурных изменений при повы шенных и высоких скоростях нагрева достигла такого уровня, что уже возможна и необходима постановка вопроса о конструировании новых сплавов, на которых можно было бы более полно и эффективно исполь зовать все преимущества скоростных нагревов.
Настоящая монография является одним из первых исследований, в котором вопросы скоростной электротермической обработки стали изложены с позиций современного физического металловедения. В ней
обобщен |
большой экспериментальный |
материал, |
полученный нами |
за многие |
годы исследований. Принятый |
в книге |
порядок изложения |
материала соответствует логической последовательности операций уп рочняющей обработки. В первой и второй главах рассматриваются фа зовые и структурные превращения в стали при быстром и сверхбыстром нагреве. Основное внимание уделяется механизму и кинетике образо вания аустенита при повышенных и высоких скоростях нагрева, влия нию структурных факторов на фазовый переход при нагреве и закалке стали. Детально излагаются фазовые и структурные особенности раз вития процессов отпуска в условиях высоких скоростей нагрева, релак сация внутренних напряжений и изменение дислокационной структуры феррита, а также изменения формы, размеров и фазового состава кар бидной фазы. Третья глава посвящена вопросам упрочнения стали при помощи СЭТО. Для объяснения свойств такого сложного многофазного объекта, как сталь, в ней кратко изложены важнейшие представления дислокационной теории деформации и разрушения металлов. Конспек тивность изложения частично компенсируется ссылками на моногра фии, обзоры и оригинальные исследования, в которых затрагиваемые вопросы освещены более полно. Мы стремились не дублировать мате риал, опубликованный ранее, а рассмотреть лишь проблемы, имеющие значение для выяснения свойств сплавов на основе металлов с ОЦК решеткой, в частности железа.
Рассмотрение основных представлений современной физики проч ности важно для выяснения закономерностей изменения механических; характеристик сталей, подвергнутых различным вариантам СЭТО, а также для выбора способов изменения этих характеристик и создания новых перспективных методов конструирования свойств. Знание зако номерностей изменения структурных состояний дает возможность эф фективно использовать теоретические результаты в поисках способов достижения заданных свойств.
В третьей главе приведены также примеры успешного использова ния различных вариантов СЭТО при изготовлении проволоки и различ ных деталей машиностроения.
Изложенный в книге экспериментальный материал охватывает главным образом углеродистые и малолегированные стали, роль кото рых в промышленности продолжает расти в связи с непрерывным уве личением объема производства их, а также усовершенствованием тра диционных и разработкой новых методов упрочнения. Например, из
вестно, что за последние |
50 лет временное сопротивление о в углероди |
стых сталей в изделиях |
массового выпуска возросло примерно с 30 до |
75 кГ/мм*, а в изделиях специального назначения — с 75 до 300 кГ/мм* |
и больше, причем в значительной мере этот рост достигнут за счет спе циальных методов упрочнения. Наше внимание было привлечено именно к углеродистой стали также потому, что она является удобным объектом для выяснения принципиальной физической картины особен ностей развития фазовых и структурных изменений при высоких ско ростях нагрева, имеющей важное значение для теоретического обосно вания СЭТО более сложных легированных сталей.
Исследование фазовых и структурных изменений при высоких ско ростях нагрева связано с определенными методическими трудностями, обусловленными кратковременностью протекания изучаемых процессов, поэтому в приложении кратко описаны некоторые установки и методи ки, разработанные в Институте металлофизики АН УССР для экспери ментального изучения образования аустенита, мартенситного превра щения и процессов отпуска по схеме СЭТО.
Монография, разумеется, не охватывает всех вопросов, относящих ся к специфике превращений при скоростном нагреве сталей и исполь зованию СЭТО. Кроме того, как одно из первых систематизированных исследований, она, естественно, не лишена недостатков. Замечания и пожелания читателей нами будут приняты с благодарностью.
В. Н. Г р и д н е в
• |
Г л а в а |
п е р в а я |
О Б Р А З О В А Н И Е
АУ С Т Е Н И Т А
ПР И С К О Р О С Т Н О М
ЭЛ Е К Т Р О Н А Г Р Е В Е
КРИТИЧЕСКИЕ ТОЧКИ СТАЛИ
И МЕТОДИКА ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ
Термическая обработка стали'обычно начинается с нагрева в область температур устойчивого существования аустенита. Содержание уг лерода в равновесном аустените соответствует средней его концен трации в стали. Формирование аустенита с равновесным концентра ционным составом является основной задачей первого этапа терми ческой обработки.
От условий нагрева при аустенизации, и в первую очередь от |
|
||||
скорости |
и температуры нагрева, а также от времени выдержки в |
|
|||
нагретом |
состоянии часто |
зависят |
конечные свойства |
закаленной |
|
стали [1 ]. Поэтому процессам аустенизации в металловедении и тер |
|
||||
мообработке стали всегда уделялось большое внимание. На основе |
|
||||
многолетнего опыта и научных исследований построена диаграмма |
|
||||
состояния железо — углерод 12], по которой можно научно обосно |
|
||||
вать выбор режима аустенизации стали при различных видах терми |
|
||||
ческой обработки с помощью обычного технологического оборудо |
|
||||
вания — печей и ванн с расплавами. Однако по диаграмме состоя |
|
||||
ния, являющейся диаграммой фазовых равновесий, принципиально |
|
||||
невозможно определить кинетические условия аустенизации. Необ |
|
||||
ходимые технологические рекомендации можно получить только при |
|
||||
лабораторных исследованиях. По существу выбор длительности тех |
|
||||
или иных |
технологических |
операций при термической |
обработке |
|
|
стали, особенно для аустенизации, |
ранее был построен |
на сугубо |
|
||
эмпирической основе. Первые эксперименты по изучению фазовых |
|
||||
превращений в стали при прямом нагреве электрическим током [3J |
|
||||
дали неожиданные результаты. Оказалось, что процесс аустенизации |
|
||||
при электронагреве происходит намного быстрее, чем при тех же |
|
||||
температурах в печах или ваннах. Это настолько не соответствовало |
|
||||
установившимся представлениям и принятым нормам термообработ |
|
||||
ки, что возник вопрос о причинах столь резкого ускорения процесса |
|
||||
образования аустенита при прямом электронагреве стали — пробле |
|
||||
ма «специфики электронагрева». Н. В. Гевелинг выдвинул идею о |
|
||||
локальных перегревах вблизи различных структурных составля |
|
||||
ющих вследствие проявления микронеоднородностей в |
выделении |
9 |