Термическая обработка стали и чугуна.

Термической обработкой называется тепловая обработка, в результате которой изменяется структура и физико-механические свойства металлических сплавов.

Термической обработке подвергаются как заготовки, так и готовые детали. Заготовки обычно подвергаются термической обработке для улучшения структуры, снижения твердости, а обрабатываемые детали – для придания им требуемых свойств: твердости, прочности, износостойкости, упругости и др. В результате термической обработки свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность значительного повышения механических свойств после термической обработки деталей машин и изделий позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и вес деталей и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий.

Научные основы термической обработки были заложены исследованиями выдающегося русского ученого Дмитрия Константиновича Чернова в середине XIX века. В результате коллективного труда многих ученых, развивающих идеи Д.К.Чернова, мы имеем весьма точную диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов (см. Диаграмма состояния системы «железо – углерод» ( Рис.37.)).

Цель термической обработки заключается в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующим охлаждением получить требуемое изменение строения металла.

На результат термической обработки оказывают влияние следующие факторы: скорость нагрева, температура нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения.Таким образом, основными факторами термической обработки являются температура и время.

Основными операциями термической обработки, общими как для стали и чугуна, так и для цветных металлов, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Термическая обработка, может быть, простой и состоять только из одной операции и сложной, состоящей из нескольких операций.

Превращения в стали при нагреве и охлаждении.

Нагрев стали при термической обработке в большинстве случаев имеет целью перевод ее структуры в аустенит. Структура доэвтектоидной стали при нагреве до точки Ас, состоит из зерен феррита и перлита.

В точке Ас₁ начинается фазовая перекристаллизация перлита, который превращается в мелкозернистый аустенит. При нагреве стали от температуры Ас₁ до температуры Ас₃ феррит растворяется в аустените. В заэвтектоидной стали при нагреве выше точки Ас₁ перлит превращается в аустенит, а при дальнейшем нагреве цементит растворяется в аустените. Выше точки Ас_m сталь состоит только из аустенита, неоднородного по химическому составу. В тех местах где был цементит, аустенит богача углеродом, а там, где был феррит, - беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава аустенита сталь нагревают до температуры немного выше верхней критической точки Ас₃ мелкие зерна аустенита соединяются между собой, размеры их увеличиваются. Величину зерен определяют путем сравнения микроструктуры стали (при увеличении в 100 раз) со стандартной шкалой. Зерна с номера 1 по 4-й считаются крупными, а с 5-го по 10-й – мелкими (Рис.49.).

.

Аустенит устойчив только при температурах выше 727º С. При охлаждении стали, нагретой до аустенитного состояния, ниже точки Аr₁ начинается распад аустенита. Как уже было

сказано (см. Диаграмма состояния системы «железо – углерод»), при медленном охлаждении эвтектоидной углеродистой стали (0, 81 %углерода) при температуре, соответствующей линии PSK, происходит превращение аустенита в перлит. Кристаллическая решетка - железа перестраивается в - железо, выделяется цементит.

Рис.50. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0, 8% углерода

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, т.е. выше критической точки, а затем быстро охлаждают, например до 700, 600, 500, 400, 300º С и т.д., и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от 727 до 250º С (температура начала мартенситного превращения - Мн).

На диаграмме (см. диаграмму изотермического превращения (Рис.50.)) видны две С-образные кривые. Кривая I указывает время начала превращения, кривая II- время конца превращения переохлажденного аустенита. Период времени до начала распада аустенита называют инкубационным. При 700º С превращение аустенита начинается в точке а и заканчивается в точке в, в результате этого процесса образуется перлит. При 650º С распад аустенита происходит между точками а₁ и в₁. в этом случае образуется сорбит.

Рис.51. Микроструктуры.

Сорбит – механическая смесь феррита и цементита, отличающаяся от перлита более тонким строением. Магнитен. Образуется при ускоренном охлаждении при распаде аустенита в интервале температур 600-700º С или при отпуске мартенсита. НВ 270-320 (30-40 HRC) (Рис.51.). Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью. При охлаждении стали до 550º С (точка начала и конча распада а₂ и в₂ соответственно) аустенит превращается в троостит.

Троостит – механическая смесь феррита и цементита, отличающаяся от сорбита еще более высокой степенью дисперсности. Магнитен. Образуется при ускоренном охлаждении при распаде аустенита в интервале температур 400 - 600º С, а также при отпуске мартенсита. НВ 330-400 (40-45 HRC) (Рис.51.). Обладает достаточной прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью.

Ниже температуры 550º С в результате промежуточного превращения аустенита (в температурном интервале, расположенном ниже перлитного но, выше мартенситного превращения) образуется структура бейнита, состоящая из смеси перенасыщенного углеродом феррита и карбидов (цементита).

Различают верхний бейнит (перистого строения), появляющийся при 500-350º С, и нижний (пластинчатого, игольчатого строения), образующийся при 350-250º С.

Верхний бейнит имеет пониженную прочность, невысокую пластичность и вязкость, твердость его 43-46 HRC. У нижнего бейнита показатели прочности, пластичности и вязкости более высокие, твердость 52-55 HRC. Превращение аустенита при температурах Аr - 550º С называют перлитными, при температурах 550º С – Мн – промежуточными и при температурах Мн – Мк – мартенситными.

При медленном охлаждении аустенит превращается в перлит. При большей скорости охлаждения переохлажденный аустенит полностью перейдет в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения образуется новая структура – троостит. При очень больших скоростях охлаждения образуется мартенсит.

Мартенсит – перенасыщенный твердый раствор углерода в - железе (Рис.52.), полученный из аустенита в результате бездиффузионного превращения (перестройки кристаллической решетки - железа без изменения концентрации углерода). Микроструктура игольчатого вида. Образуется в процессе быстрого охлаждения при температуре ниже 250 -200º С. НВ 500-700.

При образовании мартенсита происходит перестройка гранецентрированной решетки аустенита в объемно-центрированную решетку - железа. Избыточное содержание углерода находящегося в - железе, искажает эту решетку и превращает ее в тетрагональную, в которой отношение параметров с/а не равно единице, как у куба.

Рис.52.Элементарная ячейка кристаллической решетки мартенсита

Степень тетрагональности тем выше, чем больше углерода в стали. Скорость охлаждения, при которой из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. При закалке стали ее охлаждают со скоростью больше критической.

Мартенситные превращения протекают при непрерывном охлаждении аустенита ниже точки Мн. по достижении определенной температуры (точка Мк) превращение аустенита в мартенсит заканчивается. Температуры в точках Мн и Мк зависят от химического состава стали. Углерод и легирующие элементы (за исключением алюминия и кобальта) понижают эти температуры.

Мартенсит обладает самой высокой твердостью, наряду со значительной хрупкостью. Он имеет пластинчатое строение, но в плоскости микрошлифа пластинки приобретают вид игл, поэтому мартенсит часто называют игольчатым (Рис.53.).

Рис.53.

У многих сталей температура в точке Мк ниже комнатной, поэтому распад аустенита не заканчивается, если сталь охлаждается только до комнатной температуры. Аустенит, который сохраняется в структуре стали при комнатной температуре, наряду с мартенситом, называют остаточным. Закаленные высоколегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низкоуглеродистые его почти не имеют.

Мартенсит, получаемый при закалке стали, представляет собой неустойчивую структуру, стремящуюся к превращению в более равновесное состояние. Нагрев ускоряет этот переход, так как подвижность атомов при этом сильно возрастает.

Отжиг стали.

Отжигом называется операция термической обработки, при которой путем нагрева, выдержки при установленных температурах и последующего медленного охлаждения в стали получают устойчивую (равновесную) структуру, свободную от остаточных напряжений.

Отжиг стальных изделий имеет целью снятие внутренних напряжений, устранение структурной неоднородности, улучшение обрабатываемости резанием и подготовку к последующей термической обработке.

Отжиг первого рода. Это отжиг, при котором, как правило, не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты.

Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный (диффузионный), низкий и рекристаллизационный.

Гомогенизационный отжиг, или гомогенизация, применяется для выравнивания химической неоднородности (за счет диффузии) зерен твердого раствора, т.е. уменьшения микроликвации в фасонных отливках и в слитках главным образом из легированной стали.

В процессе гомогенизации слитки нагревают до 1100–1200 º С, выдерживают при этой температуре 8 -15 часов, а затем медленно охлаждают до 200-250 º С. Продолжительность отжига 80-110 часов.

Рекристаллизационному отжигу подвергают сталь, деформированную в холодном состоянии. Наклеп может оказаться столь большим, что сталь становиться мало пластичной и дальнейшая деформация становится невозможной. (После ковки холодного металла заметно возрастает его прочность и твердость. В то же время он становится хрупким. Это явление получило название «наклеп». Наклепом называют как сам процесс изменения внутреннего строения металла при холодной пластической деформации, так и получающийся при этом результат, т.е. повышение прочности и твердости, сопровождающееся уменьшением пластичности.) Для возвращения стали пластичности, и возможности дальнейшей деформации изделия проводят рекристаллизационный отжиг.

При нагреве холоднодеформированной стали до температуры 400-450 º С изменений в строении стали не происходит, механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При дальнейшем нагреве механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается (Рис.54.).

.

Рис.54. Влияние температуры отжига на механические свойства деформированного металла

Это происходит в результате изменения строения стали. Вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными.

Рекристаллизация начинается с появления зародышей на границах деформированных зерен. В дальнейшем зародыши растут за счет деформированных зерен, в связи с чем происходит образование новых зерен, пока деформированных зерен совсем не останется.

Под температурой рекристаллизации подразумевается та температура, при которой в металлах, подвергнутых деформации в холодном состоянии, начинается образование новых зерен. Для ускорения процесса рекристаллизации, холоднодеформированные металлы и сплавы, нагревают до более высоких температур, например углеродистую сталь до 600-700 º С.

Низкий отжиг. Если структура стали после горячей механической обработки хорошая и нет необходимости в перекристаллизации, внутренние напряжения, то нагревают сталь ниже Ас₁ . Нагрев осуществляется со скоростью 100-150 град/час, а после выдержки - охлаждение на воздухе. Углеродистые и легированные стали подвергают низкому отжигу перед обработкой резанием, волочением и т.д.

Отжиг второго рода. Это отжиг, при котором фазовые превращения (перекристаллизация) определяют его целевое назначение.

Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный отжиг, неполный отжиг, изотермический отжиг.

Полный отжиг. При полном отжиге доэвтектоидная сталь нагревается выше Ас₃ на 30-50 º С (Рис.55.), выдерживается при этой температуре до полного прогрева и медленно охлаждается. В этом случае ферритно-перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную, а затем при медленном охлаждении превращается обратно в феррит и перлит. Происходит полная перекристаллизация.

На практике скорость нагрева обычно близка к 100 град/час, а продолжительность выдержки колеблется от 0, 5 до 1 часа на тонну нагреваемого металла. Чрезмерное повышение температуры нагрева металла над точкой Ас₃ вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали.

Основные цели полного отжига: устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке металла (сварка, литье, горячая деформация, термообработка), смягчение стали перед обработкой резанием и снятие внутренних напряжений.

Неполный отжиг. Неполный отжиг заключается в нагреве выше Ас₁ (Рис.55.) и медленном охлаждении. При этом происходит частичная перекристаллизация перлитной составляющей.

Неполному отжигу подвергают доэвтектоидные стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием в том случае, если предварительная горячая обработка не привела к образованию крупного зерна.

Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называется также отжигом сфероидизации. В результате отжига сфероидизации получают структуру – зернистый перлит. Охлаждение при сфероидизации должно быть медленным, чтобы обеспечить распад аустенита на ферритно-карбидную смесь.

Стали со структурой зернистый перлит менее склонны к перегреву, образованию трещин и деформации при последующей закалке, а также хорошо обрабатываются резанием.

Изотермический отжиг. На практике с целью экономии времени часто проводят изотермический отжиг. В этом случае сталь нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь) до температуры лежащей ниже Ас₁ на 50-100 º С. При этой температуре сталь выдерживается до полного распада аустенита, после чего охлаждается на воздухе. Изотермический отжиг часто применяют для легированных сталей, так как он сокращает продолжительность процесса.

Светлый отжиг осуществляется по режимам полного и неполного отжига с применением защитных атмосфер или в печах с частичным вакуумом.

Светлый отжиг применяется для холоднокатаной ленты, проволоки и т.д., а также для деталей, подвергаемых гальваническим покрытиям с целью защиты поверхности металла от окисления и обезуглероживания.

Рис.55.