Лекція №34

Навчальні питання:

1. Загальні відомості.

2. Основні види термічної обробки.

Навчальне питання 1. Загальні відомості.

Термічною обробкою називається сукупність операцій нагрі­вання, витримування і наступного охолодження заготовок або готових виробів за певними режимами для зміни їх структу­ри і надання їм потрібних механічних, фізичних або хімічних властивостей. В основі термічної обробки сталей лежать пе­ретворення, що відбуваються в них при нагріванні і охолод­женні.

Перетворення в сталі при нагріванні. Нагрівання сталі до температур, нижчих від лінії РБК (точки А_с1), не супроводиться якими-небудь фазовими перетвореннями. Вони починаються лише при переході через точку А_с1, тобто коли перліт перетво­рюється на аустеніт. Це перетворення є процесом кристаліза­ційного типу. Зародження зерен аустеніту починається по краях феритних і цементитних часток перліту (рис. 16). У наступні моменти ростуть раніше сформовані і зароджуються нові зерна аустеніту. Процес перетворення закінчується заповненням об’є­му, який мав до цього перлітну структуру, безліччю дрібних зерен аустеніту. Тому структура евтектоїдної сталі при нагрі­ванні вище від точки А_с1 складається тільки з аустеніту (рис. 17,6). У структурі доевтектоїдної сталі при цій темпера­турі поряд з аустенітом буде ще й надлишковий ферит (рис. 17, а), а в структурі заевтектоїдної сталі — цементит (рис. 17, в). При нагріванні до більш високих температур ферит і цементит розчинятимуться в аустеніті.

Вище від точок A_c3 і A_cm структура цих сталей складатиметь­ся такой? з самого тільки аустеніту.

Дрібні зерна аустеніту, що утворилися при перліто-аустенітному перетворенні, з підвищенням температури зростають, особливо при температурах, вищих за точки А_с3 і А_ст. Явище надмірного укрупнення зерен сталі при нагріванні називають перегрівом.

Нагрівання сталі до температур, близьких до лінії солідус, супроводиться обплавленням і окисленням меж зерен, настає так званий перепал—непоправний дефект сталі. Така сталь характеризується дуже низькою ударною в’язкістю, тому не може бути використана як конструкційний матеріал і звичайно йде на переплавку.

Перетворення в сталі при охолодженні. Якщо сталь охолод­жувати дуже повільно, то в ній утворюються рівноважні струк­тури відповідно до діаграми залізо — вуглець. Аустеніто-перлітне перетворення при цьому відбувається при температурі 727° С (точка А_r1). Починається воно формуванням зародків перліту, тобто також належить до процесів кристалізаційного типу.

Оскільки аустеніто-перлітне перетворення розвивається на поверхні зерен, то збільшення її площі приводить до збільшення кількості центрів кристалізації. Загальна поверхня зерен уполікристалічній речовині збільшується із зменшенням розміру

самих зерен. Тому чим дрібніші зерна аустеніту в сталі при перетворенні, тим менші розміри утворюваних зерен перліту (рис. 18). І навпаки, з великих зерен аустеніту, зокрема в пере­грітій сталі, утворюються великі зерна перліту. Крім того, при охолодженні перегрітої сталі феритні і цементитні виділення відповідно в доевтектоїдній і заевтектоїдній сталях набирають звичайно вигляду голок; таку структуру називають відмашитеттовою.

Наявність відманіптеттової структури свідчить, що сталь була перегріта. Така сталь має погані механічні властивості — малі міцність і ударну в’язкість.

Із збільшенням швидкості охолодження фазові і дифузійні процеси в сталі сповільнюються, тому процес перетворення аустеніту розвивається інакше. В результаті утворюються нерівноважні (метастабільні) структури і сталь набуває інших влас­тивостей.

Розглянемо процес перетворення аустеніту в евтектоїдній сталі при різних швидкостях безперервного охолодження.

При повільному охолодженні аустеніт зберігається до темпе­ратури 727° С (точка А_r1). Збільшення швидкості охолодження спричинює зниження критичної точки А_r1, тобто переохолоджен­ня аустеніту до температур, нижчих за 727° С, які позначають точкою А_r (рис. 19).

При охолодженні сталі з швидкістю, близькою до 1 град/сек, аустеніт переохолоджується мало і розпадається з утворенням рівноважної перлітної структури твердістю НВ 180—250.

Збільшення швидкості охолодження до 10 град/сек веде до більшого переохолодження аустеніту. У цих умовах він розпадається з утворенням також ферито-цементитної суміші, проте більш дисперсної, ніж перліт. Таку структуру називають сорбі­том (С). Середньовуглецева сталь з такою структурою має твер­дість НВ 250—300 і ударну в’язкість а_н=0,8 ÷ 1,2 Мдж/м² (8— 12 кг*м/см²).

Коли швидкість охолодження близька до 100 град/сек, аусте­ніт розпадається при глибшому переохолодженні з утворенням дуже дрібних, невидимих в оптичний мікроскоп часток фериту і цементиту. Таку структуру називають трооститом (Т). Твер­дість її досягає НВ 350—400, а ударна в’язкість знижується до 0,2—0,3 Мдж/м² (2—3 кГ*м/см²).

З дальшим збільшенням швидкості охолодження до 200 градісек частина аустеніту в точці А'_r1 перетворюється на троостит, а частина переохолоджуються до нижчої температури А''_r (Мп) і потім перетворюється на мартенсит (М). Тому струк­тура сталі (рис. 20, а) після охолодження з такою швидкістю складається з трооститу (темні ділянки) і мартенситу (світлі ділянки з характерною голчастою будовою).

При швидкості охолодження, більшій за 200 град/сек, аусте­ніт переохолоджується до точки А''_r (Мп) і потім повністю пере­творюється на мартенсит (рис. 20, б). Температура ж мартенситного перетворення (рис. 19) А''п (Мп) не залежить від швид­кості охолодження. Для евтектоїдної вуглецевої сталі вона ста­новить 240° С.

Аустеніто-мартенситне перетворення супроводиться тільки перегрупуванням атомів з γ- в α-решітку. При цьому весь Вуглець залишається в а-решітці, утворюючи пересичений твер­дий розчин в а-залізі — мартенсит. Внаслідок великого викрив­лення кристалічної решітки твердість мартенситу досягає НВ 600—650, а ударна в’язкість знижується приблизно до

1 Мдж/м² (1 кГ*м/см²). Твердість мартенситу спочатку різко зростає із збільшенням вмісту вуглецю до 0,5%, а потім підви­щується мало.

Мінімальна швидкість охолодження, при якій у сталі відбу­вається тільки мартенситне перетворення, називається критич­ною швидкістю охолодження v_кр. У розглядуваному випадку v_кр=200 град/сек.

Повніше уявлення про кінетику розпадання аустеніту дає так звана діаграма ізотермічного перетворення аустеніту, тобто перетворення при сталій температурі (рис. 21). Для її побудови серію зразків з досліджуваної сталі (наприклад, евтектоїдної) нагрівають вище від точки А_с1, щоб мати однорідний аустеніт. Потім по два-три зразки з серії охолоджують до заданих темпе­ратур у розплавлених солях і за допомогою спеціальних мето­дів визначають при цих температурах початок і кінець розпаду аустеніту в кожному з них. Позначивши результати цього пере­творення на полі діаграми і сполучивши плавними кривими точ­ки початку і закінчення перетворень, дістають дві С-подібні криві, які відображають початок і кінець ізотермічного пере­творення аустеніту при різних температурах, тобто залежно від ступеня його переохолодження. Ізотермічне перетворення аусте­ніту починається через деякий проміжок часу, який визначаєть­ся мірою його переохолодження. Спочатку цей період зменшу­ється до деякої критичної величини т, а потім знову збіль­шується.

Криві охолодження будують у тих самих координатах, що й діаграму ізотермічного перетворення аустеніту. Якщо припус­тити, що зниження температури при охолодженні пропорційне часу, то криві охолодження стають прямими і в такому вигляді можуть бути нанесені на діаграму ізотермічного перетворення аустеніту. Зрозуміло, що кут нахилу цих прямих до осі абсцис із збільшенням швидкості охолодження також збільшується. Отже, при швидкостях охолодження v₁ < v₂ < v₃. Коли відпо­відні прямі перетинають верхні відрізки кривих початку і кінця аустенітного перетворення, у сталі утворюються ферито-цементитні суміші (перліт, сорбіт, троостит).

При швидкості охолодження не аустеніт переохолоджується без змін до температури М_n і потім перетворюється на мартен­сит. Те саме відбувається і при меншій швидкості Мінімаль­ною швидкістю охолодження, яка забезпечує утворення в сталі тільки мартенситу, є швидкість v₆. Отже, швидкість охолоджен­ня v₄ — критична. З цього випливає, що чим далі праворуч від осі ординат лежить на діаграмі крива початку розпадання аустеніту в сталі певного складу (чим більше τ), тим стійкіший аустеніт, тим при меншій швидкості охолодження можна дістати мартенситну структуру.

Перетворення аустеніту на мартенсит відбувається не при сталій температурі, а в інтервалі температур: починається в точці М_п і закінчується в точці М_к . Для евтектоїдної вуглецевої сталі точка М_к відповідає температурі мінус 50° С. Тому при охолодженні до кімнатної температури аустеніто-мартенситне перетворення в цій сталі повністю не закінчується і в її струк­турі поряд з мартенситом є частина аустеніту, що не розпався. Такий аустеніт називають залишковим (А_а).

У вуглецевих сталях кількість залишкового аустеніту стано­вить 3—10%, а в легованих досягає десятків процентів. Оскіль­ки залишковий аустеніт значно м’якший за мартенсит, то за­гальну твердість загартованої сталі він зменшує. Тому для більш повного мартенситного перетворення сталь з великим вмістом залишкового аустеніту після гартування (див. нижче) додатково обробляють холодом, тобто охолоджують до темпе­ратури, нижчої від точки М_к.

Розташування точок М_п і М_к визначається хімічним складом сталі і від швидкості охолодження не залежить.

Навчальне питання 2. Основні види термічної обробки.

Залежно від режимів нагрівання й охолодження термічну обробку поділяють на відпалювання, нормалізацію, гартування і відпускання.

Відпалювання — це операція, при якій сталь нагрівають вище від критичних точок, витримують при цій температурі і потім повільно (звичайно разом із піччю) охолоджують. Роз­різняють дифузійне, повне і неповне відпалювання (рис. 22).

Дифузійному відпалюванню піддають великі злитки і виливки для підвищення їх однорідності, або, інакше, гомоген­ності. Тому дифузійне відпалювання називають також гомо­генізацією. Для цього сталь нагрівають до температури, значно вищої від критичних точок А_с3 і А_ст, звичайно до 1100— 1150° С, витримують про­тягом 8—15 год і потім повіль­но охолоджують.

Повне відпалювання про­водять при температурі, що перевищує критичну точку А_с3 лише на 30—50° С. Оскіль­ки нагрівання сталі вище від точки А_сз супроводиться фазо­вою перекристалізацією, тобто зародженням нових зерен у металі і, отже, здрібненням зерен у металі і, отже, здрібненням зерен, то повне відпалювання дає змогу усунути спричинину перегрівом крупнозернистість у сталі, дістати структуру з більш рівномірним розподіленням фериту і перліту, зняти внут­рішні напруження. При повному відпалюванні зменшується твердість і підвищується пластичність сталі. Повному відпалю­ванні піддають доевтектоїдні і евтектоїдну сталі.

При неповному відпалюванні сталь нагрівають до тем­ператур, вищих за точки А_си але нижчих від точок А_с3 або А_ст. При цих температурах відбувається перекристалізація тільки Перліту, а надлишкова фаза (ферит у доевтектоідних і цементит у заевтектоїдних сталях) залишається без змін. Неповному від­палюванню піддають поковки і штамповки, оброблені при тем­пературах, що не спричинюють значного зростання зерен. Метою неповного відпалювання є зняття внутрішніх напружень у сталі.

Нагрівання заевтектоїдних сталей трохи вище від точки А_с1 (до 740—750° С), витримування при цій температурі і наступне Дуже повільне охолодження При переході через точку А_r1 сприяє сфероїдизації цементиту, тобто утворенню зернистого перліту. Тому відпалювання на зернистий перліт інакше називають сфероїдизацією. Сталі з структурою зернистого перліту менш твер­ді, більш в’язкі і мають кращу оброблюваність, ніж сталі .з структурою пластинчастого перліту.

Нормалізація (рис. 22) полягає в нагріванні сталі на 30—50° С вище від точок А_c3 або А_cm, витримуванні при цій тем­пературі і наступному охолоджуванні на спокійному повітрі. Отже, нормалізація відрізняється від повного відпалювання дещо більшою швидкістю охолодження.

У маловуглецевих сталях (до 0,3% С) нормалізація сприяє утворенню більш дрібнозернистої, ніж при відпалюванні, ферито-перлітної структури. У середньовуглецевих сталях (0,3— 0,5% С) при нормалізації утворюється сорбітоподібний. перліт. Тому в нормалізованому стані ці сталі мають кращі механічні Властивості, ніж у відпаленому. У заевтектоїдних сталях норма­лізація сприяє знищенню крихкої цементитної сітки по краях зерен.

Для вуглецевих сталей нормалізація звичайно замінює три­валіший за часом процес відпалювання.

Гартуванням називається операція, при якій сталь нагрі­вають на 30—50° С вище від точки А_с1 або А_с3, витримують при цій температурі, а потім швидко (звичайно з швидкістю, біль­шою за критичну) охолоджують. Внаслідок такої обробки в ста­лі, як правило, сформовується мартенситна структура, тому твердість і міцність її досягають максимальної величини.

Нагрівання при гартуванні потрібне для переведення струк­тури сталі в стан аустеніту, а швидке охолодження — для того, щоб запобігти розпаданню аустеніту на ферито-цементитні сумі­ші (троостит, сорбіт) і переохолодженню його до температури аустеніто-мартенситного перетворення.

Аустеніт у сталях утворюється при переході через точку A_r1. В інтервалі температур між точками А_c1 і А_c3 доевтектоїдні сталі складаються з аустеніту і фериту. При гартуванні при цих температурах аустеніт перетворюється в мартенсит, а ферит залишається без змін, тобто ферито-аустенітна суміш перетво­рюється на мартенсит неповністю. Тому таке гартування нази­вається неповним. Наявність фериту в загартованій сталі збільшує неоднорідність її структури, а також знижує міццість і твердість. У зв’язку з цим неповне гартування для доевтектоїдних сталей не застосовується. Доевтектоїдні сталі піддають повному гартуванню від температури, вищої за точку A_c3 на 30—50° С. При цій температурі структура їх складається лише з аустеніту. Після такого гартування структура доевтектоїдних сталей стає мартенситною.

Структура заевтектоїдних сталей після неповного гартуван­ня — це мартенсит і надлишковий цементит. Оскільки твердість цементиту вища за твердість мартенситу, то наявність цементи­ту в загартованій сталі не знижує її твердості і навіть є бажа­ною. Тому заевтектоїдні сталі піддають неповному гартуванню від температури, що перевищує точку A_c1 на 30—50° С. Повне гартування для цих сталей навіть шкідливе, бо супроводиться зростанням зерен і потребує додаткової витрати тепла.

Процес гартування складається з двох операцій — нагріван­ня і охолодження. Чим більші розміри виробів, складніші їх форма і хімічний склад, тим повільніше треба їх нагрівати, інак­ше у виробі можуть виникнути великі внутрішні напруження і, як наслідок цього, короблення і навіть розтріскування. Вирі­шальним фактором у процесі гартування є швидкість охолод­ження, тому що вона визначає характер структури сталі, яка сформовуеться при цьому.

Оптимальними умовами гартування є такі, що, по-перше, забезпечують переохолодження аустеніту до температур, ниж­чих за температури мінімальної його стійкості (650—550° С), виключаючи тим самим можливість утворення ферито-цементитних сумішей (трооститу і сорбіту), а по-друге, перешкоджають виникненню великих внутрішніх напружень у виробах у момент перетворення аустеніту на мартенсит (300—200° С). Такі умови можна створити тоді, коли у верхньому інтервалі температур (тобто вище від мінімальної стійкості аустеніту) вироби охо­лоджувати з швидкістю, вищою за критичну, а в нижньому — з невеликою швидкістю.

Швидкість охолодження сталі при гартуванні визначається охолодною здатністю гартівного середовища (найчастіше води або мінерального масла).

Вода кімнатної температури охолоджує сталь в інтервалі 650—550° С з швидкістю, вищою за критичну (приблизно 600 град/сек). У цьому її перевага як гартівного середовища. Істотним недоліком води є те, що в момент аустеніто-мартенсит- ного перетворення вона охолоджує сталь також з великою швид­кістю (близько 300 град/сек), а це призводить до виникнення великих внутрішніх напружень, які спричинюють короблення і навіть розтріскування загартовуваних виробів.

Мінеральне масло під час аустеніто-мартенситного перетво­рення охолоджує сталь приблизно в 10 раз повільніше за воду і тим самим значно зменшує внутрішні напруження. Але у верх­ньому інтервалі температур воно не забезпечує критичної швид­кості охолодження вуглецевих конструкційних сталей і не дає змоги переохолодити аустеніт до температури мартенситного пе­ретворення. Тому після гартування в маслі ці сталі мають не мартенситну, а троостито-мартенситну структуру.

Із збільшенням вмісту вуглецю або введенням у сталь легую­чих елементів стійкість аустеніту підвищується (криві на діагра­мі ізотермічного перетворення аустеніту зсуваються праворуч). Тому такі сталі потребують меншої швидкості охолодження при гартуванні. У ряді випадків масло для них є оптимальним гар­тівним середовищем.

Залежно від складу сталі, форми і розмірів виробів, що гартуються, застосовують різні способи гартування.

Гартування в одному середовищі виконують зануренням загартовуваного виробу в охолодне середовище (воду, масло), де він і залишається до повного остигання (рис. 23, крива 1). Завдяки своїй простоті цей вид гартування набув найширшого застосування. Проте він має істотний недо­лік, оскільки супроводиться виникненням у виробі, що гартуєть­ся, великих внутрішніх напружень.

Гартування в двох середовищах до деякої міри усуває недоліки гартування в одному середовищі. Воно полягає в тому, що нагрітий під гартування виріб спочатку охолоджують з великою швидкістю (звичайно у воді), щоб запо­бігти передчасному озпаданню аустеніту. Потім виріб перено­сять до іншого середовища, наприклад у масло, для сповільненого охолодження для аустеніто-марганцевого перетворення (рис 23, крива 2) Такий прийом сприяє значному зменшенню

внутрішніх напружень у виробі і перешкоджає його коробленню. Проте і цей прийом не позбавлений недоліків, тому що визначи­ти потрібний момент перенесення виробу з одного середовища до іншого технічно важко. Внаслідок цього гартування вдвох середовищах не дає стабільних результатів термічної обробки партії виробів. Уникнути цих труднощів удається при ступінчас­тому вартуванні.

Ступінчасте гартування виконують також у дві стадії. Після нагрівання виріб спочатку занурюють в охолодне середовище (звичайно в розплавлені солі) з температурою, тро­хи вищою за точку М_п початку мартенситного перетворення ста­лі певного складу, витримують при цій температурі, а потім остаточно охолоджують у маслі або на повітрі (рис. 23, кри­ва 3). Ступінчастому гартуванню звичайно піддають невеликі за розмірами вироби змінного перерізу.

Ізотермічне гартування — це охолодження сталі до температури, трохи вищої за точку М_п, і витримування при цій температурі протягом часу, потрібного для завершення ізо­термічного перетворення аустеніту (рис. 23, крива 4). Оскільки температура гартівного середовища при цьому перевищує тем­пературу мартенситного. перетворення М„, то аустеніт при ізо­термічному гартуванні розпадається з утворенням проміжної структури — голчастого трооститу (ГТ), за твердістю близького до мартенситу, але більш в’язкого. Для вуглецевих сталей цей вид гартування застосовується рідше.

Якщо вироби повинні мати високу твердість тільки в поверх­невих шарах, а серцевина має залишитися в’язкою, то такі виро­би піддають поверхнев амугартуванню — високочас­тотному або полуменевому.

При високочастотному гартуванні (рис. 24, а) вироби нагрівають в індукторі (соленоїді), по якому йде струм високої частоти (с. в. ч.). Нагрівання с. в. ч. грунтується на тому, що у виробі, який вміщено в індуктор, індукуються так звані вихрові струми, що супроводяться виділенням тепла. Оскільки вихрові струми концентруються в поверхневих шарах, то й зу­мовлюють вони поверхневе нагрівання виробів. Потрібних гли­бини і температури нагрівання поверхневого шару досягають зміною частоти струму і швидкості переміщення індуктора або виробу. Потім нагрітий шар швидко охолоджують водою, яка подається крізь внутрішні отвори в індукторі, або виріб скида­ють у гартівну ванну.

Високочастотне гартування характеризується великою швид­кістю обробки і економічністю процесу, що дає змогу застосо­вувати його в автоматичних агрегатах загального потоку вироб­ництва.

При полуменевому гартуванні (рис. 24,6) по­верхневі шари нагрівають ацетилено-кисневим полум’ям, яке переміщують з певною швидкістю вздовж загартовуваного виро­бу. Слідом за пальником пода­ється вода для швидкого охо­лодження поверхневого шару.

Цей вид гартування звичайно застосовують у важкому маши­нобудуванні для гартування великих деталей.

Щоб мати мартенситну структуру, сталь при гартуван­ні охолоджують із швидкістю, вищою за критичну. Проте оскільки внутрішні шари виробу охолоджуються, повільніше від зовнішніх з швидкістю, мен­шою за критичну, то замість мартенситу в них може утво­ритися троостит і навіть сорбіт.

Глибина утворюваної у виробі мартенситної зони характеризує так звану прогартовуваність сталі і є однією з найважливіших її характеристик. Прогарто­вуваність залежить від стійкості переохолодженого аустеніту, яка в свою чергу визначається хімічним складом сталі. Чим стійкіший аустеніт, тобто чим далі праворуч розташовані Скриві на діаграмі ізотермічного перетворення, тим менша критична швидкість гартування і тим більша прогарітовуваність сталі. Максимальний діаметр зразка, що в певних умовах прогартовуеться наскрізь, називається критичним діаметром гартування.

Відпусканнязастосовують для зменшення внутрішніх на­пружень і твердості, а також для підвищення ударної в’язкості загартованих виробів (рис. 25). Воно полягає у нагріванні виро­бів до температур, нижчих за точку А_с1 Швидкість охолодження після відпускання для більшості сталей не має особливого зна­чення, тому для прискорення цієї операції як охолодне середо­вище звичайно використовують воду або масло.

Залежно від температури розрізняють низьке, середнє і ви­соке відпускання.

При низ ь кому відпусканні (150—200° С) структура мартенситу в сталі зберігається, але з нього виділяються дуже Дисперсні частки карбіду заліза. Тому внутрішні напруження у виробі зменшуються, дещо підвищується в’язкість, а твердість практично не змінюється. Низькому відпусканню піддають виро­би, які повинні мати високу твердість (наприклад, різальний або вимірювальний інструмент).

Середнє відпускання (350—450°С) супроводиться більш істотними змінами в структурі і властивостях сталі: мар­тенсит перетворюється на троостит, тому твердість сталі змен­шується приблизно до НВ 400, а в’язкість значно підвищується.

Середньому відпусканню піддають інструменти і деталі машин, що працюють при помірних ударних навантаженнях (штампи, пружини, ресори).

Високе відпускання (450—650°С) веде до утворення сорбітної структури, а це забезпечує майже повне усунення внутрішніх напружень і найкраще співвідношення міцності і в’язкості сталі при достатній її твердості. Високому відпускан­ню піддають деталі машин (вали, шестерні). Гартування з на­ступним високим відпусканням називають ще поліпшенням сталі.

Слід зазначити, що характерною особливістю ферито-цементитних структур відпускання (трооститу, сорбіту) є їх зерниста будова, на відміну від пластинчастої, яку вони мають при роз­паданні аустеніту. Утворення зернистої будови і зумовлює комп­лекс високих механічних властивостей у відпущеної сталі.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.