Общие сведения. Основными видами термической обработки стали являются отжиг,нормализация, закалка с последующим отпуском.

Основными видами термической обработки стали являются отжиг,нормализация, закалка с последующим отпуском.

Эти операции выполняют путем нагрева стали до определенных температур с последующим охлаждением с различной скоростью (в разных средах).

Рис. 5.1. Интервал закалочных температур углеродистых сталей (t_зак):

А – аустенит; Ф – феррит; П – перлит; Ц – цементит

Температуру нагрева для отжига, нормализации, закалки назначают в зависимости от содержания углерода в стали в соответствии со схемой, приведенной на рис. 5.1. При таком нагреве в стали происходит полиморфное превращение, заключающееся в изменении порядка расположения атомов в кристаллической решетке железа (решетка меняется с ОЦК – объемноцентрированной кубической на ГЦК – гранецентрированную кубическую), кроме того, полностью (в сталях с < 0,8 % С) или частично (при С ≥ 0,8 %) растворяется цементит (карбид железа Fe₃С) и атомы углерода внедряются в решетку железа, образуя твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации железа с ГЦК решеткой, называемый аустенитом. Если последующее охлаждение проводить очень медленно, например, вместе с печью, в которой нагревалась сталь, то сталь станет наиболее мягкой, наименее прочной, способной хорошо обрабатываться резанием, штамповкой, гибкой и т. п. Такая разупрочняющая (смягчающая) обработка называется отжигом. Структура после отжига будет состоять из почти чистого железа (феррита – твердого раствора углерода в железе с ОЦК решеткой и содержанием углерода не более 0,02 %) и карбида железа (цементита).

Для смягчения низкоуглеродистых сталей, содержащих не более
0,45 % С, вместо отжига с длительным медленным охлаждением часто используют более дешевую нормализацию, выполняемую путем нагрева и последующего охлаждения стали на воздухе. Твердость стали после нормализации несколько выше, чем после отжига, но обрабатываемость резанием остается достаточно высокой.

Основной упрочняющей операцией термической обработки является закалка. В этом случае нагретую сталь охлаждают в быстроохлаждающих средах (углеродистые стали – в воде, легированные – в масле). При быстром охлаждении атомы углерода не успевают выделиться из решетки железа (аустенита), а тип решетки (расположение атомов железа) стремится вернуться к низкотемпературному ОЦК состоянию. В результате образуется структура перенасыщенного твердого раствора углерода в железе с решеткой, искаженной многочисленными нарушениями правильности кристаллического строения из-за невыделившихся атомов углерода. Такая структура называется мартенситом и характеризуется максимальной прочностью, твердостью, износостойкостью. Недостатком мартенсита является его высокая хрупкость, что не позволяет практически использовать закаленные стали ввиду опасности внезапных хрупких разрушений при ударных нагрузках, неизбежных при реальной эксплуатации изделий.

Для повышения вязкости и уменьшения хрупкости закаленные стали обязательно должны подвергаться отпуску, выполняемому путем нагрева до различных температур в пределах 150…700 °С в зависимости от требуемых свойств. Охлаждение после отпуска обычно выполняют на воздухе. Повышение температуры отпуска приводит к снижению прочностных свойств (σ_в, σ_0,2) и повышению пластичности (δ, ψ) и вязкости, показано на рис. 5.2 для стали марки 45 (0,45 % С).

По температуре нагрева различают три вида отпуска:

а) низкий отпуск (150…250 °С) применяют для инструментов и износостойких деталей. Немного повышается вязкость за счет уменьшения остаточных закалочных напряжений, твердость и износостойкость практически не снижаются по сравнению с закаленным состоянием;

б) средний отпуск(350…450 °С) обеспечивает довольно высокую прочность, высокую упругость и умеренную вязкость. Применяется для пружин и рессор;

в) в ы с о к и й о т п у с к (450…700 °С) дает наилучшее сочетание достаточной прочности и высокой сопротивляемости ударным нагрузкам, применяется для многочисленной номенклатуры деталей (валы, оси; напряженные болты, гайки, шпильки; средненагруженные шестерни и др.).

Рис. 5.2. Изменение механических свойств закаленной стали марки 45

в зависимости от температуры отпуска