Краткие теоретические сведения. Любой вид собственно термической обработки стали включает в себя нагрев до опреде­ленной температуры

Любой вид собственно термической обработки стали включает в себя нагрев до опреде­ленной температуры, выдержку ее при данной температуре и после­дующее охлаждение с заданной скоростью. Такой вид термической обработки может быть пред­ставлен графически в координатах «Температура-время» (рис. 20.1).

Рисунок 20.1 – График собственно термической обработки

Основными технологическими параметрами собственно термической обработки являются:

- температура нагрева (Т °C);

- время выдержки (τ, с);

- скорость охлаждения (v_охл, гр./с).

Именно они определяют, какие и насколько полно протекают фазовые превращения, формирующие конечную структуру сплавов в процессе термической обработки. На практике наиболее распространенными видами термической обработки сталей являются: отжиг, нормализация и закалка.

Первым этапом любого вида терми­ческой обработки являет­ся нагрев стали. В боль­шинстве случаев цель нагрева стали – получение аустенитной структуры. Выбор температуры нагрева уг­леродистой стали зависит от количества углерода в стали и вида термической обработки. Выбор температуры нагрева уг­леродистой стали осуще­ствляют, используя диаг­рамму состояния Fе-С (рис. 20.2).

Рисунок 20.2 – Нижняя левая часть диаграммы состояния Fе-С

При полном отжиге нагрев доэвтектоидной стали проводят на 30-50 °С выше Ас₃ и эвтектоидной стали – на 30-50 °С выше Ас₁ (рис. 20.2). Заэвтектоидную сталь подвергают сфероидезирующему отжигу (нагрев на 30-50 °С выше Ас₁, но ниже А_cm).

При нормализационном отжиге (нормализации) нагрев доэвтектоидной стали проводят на 30-50 °С выше Ас₃, эвтектоидной стали – на 30-50 °С выше Ас₁, а заэвтектоидной стали – на 30-50 °С выше А_сm (рис. 20.2).

При закалке стали в масле или в воде нагрев доэвтектоидной стали проводят до температуры на 30-50 °С выше критической точки Ас₃, нагрев эвтектоидной и заэвтектоидной стали проводят на 30-50 °С выше критической точки Ас₁ (рис. 20.2).

Второй этап – это выдержка, которая должна обеспечить полный прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, а также полную гомогенизацию аустенита (т. е. равномерное распределение углерода в аустенитной структуре). Время выдержки зависит от размеров и формы изделия, а также от темпера­туры нагрева (табл. 20.1).

Таблица 20.1 – Время нагрева и выдержки образца или детали в зависимости от температуры нагрева, формы и размеров

Третьим этапом термической обработки является охлаждение стали из аустенитного состояния. Различная скорость охлаждения приводит к получению различных структур, а, следовательно, и различного сочетания механических свойств.

Рассмотрим превращения аустенита в зависимости от скорости охлаждения на примере эвтектоидной стали, содержащей 0,8 % С (рис. 20.3).

		Перлит х2000   Сорбит х1000/х15000   Троостит х1000/х15000     Верхний бейнит х1000   Нижний бейнит х1000     Мартенсит х1000
а)	б)
Рисунок 20.3 – Диаграмма изотермического распада аустенита и кривые охлаждения стали со скоростью (а): V1 – при отжиге; V2 – при нормализации; V3 – при закалке в масле; V4 и V5 – при закалке в воде. Vк – критическая скорость охлаждения стали. б – соответствующая микроструктура стали

В верхнем интервале температур (ΔТ₁), т. е. ниже равновесной тем­пературы А₁ и до температуры минимальной устойчивости аустенита t_min, равной для углеродистых сталей приблизительно 550 °C (рис. 20.3 а), аустенит распадается на феррито-цементитную смесь, имеющую плас­тинчатое строение (рис. 20.3 б).

Процесс образования феррито-цементитной смеси протекает следующим образом. Вследствие диффузии атомов углерода в аустените создаются объемы, обогащенные и обедненные углеродом по сравнению со средним содержанием углерода 0,8 %. Флуктуации кон­центрации при t<А₁ способны создать условия для образования ус­тойчивых зародышей цементита (6,67 % С) и феррита (0,02 % С). Ес­ли зародыш цементита превышает критический размер для данной степени переохлаждения, то в этом месте зарождается пластинка цементита. Рост пластинки цементита за счет диффузии углерода приводит к обеднению углеродом лежащих рядом участков аустенита и превращению их в феррит.

Процесс повторяется, что ведет к обра­зованию в аустените так называемых перлитных колоний (областей, состоящих из чередующихся пластинок цементита и участков фер­рита (рис. 20.4).

Рисунок 20.4 – Схема образования перлита из аустенита

Расстояние между пластин­ками цементита Δ зависит от степени переохлажде­ния аустенита, которая, в свою очередь, определяется скоростью охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем ниже температура превращения аустенита, меньше интенсивность диффузии, а, следовательно, и меньше межпластинчатое расстояние Δ, т. е. тем дисперснее феррито-цементитная смесь. Струк­туры называются соответственно перлит, сорбит, троостит (табл. 20.2). Повышение дисперсности феррито-цементитной смеси приводит к повышению твердости, прочности, но к снижению пластичности и ударной вязкости стали.

Таблица 20.2 – Основные виды термической обработки, а также структура и твердость эвтектоидной стали

При непрерывном охлаждении аустенита со скоростью 200-500 гр./с (табл. 20.2) до температуры начала мартенситного превращения (для углеродистых сталей эта температура, в зависимости от содержания углерода в стали, составляет от 350 до 100 °С) (рис. 20.3 а) начинается бездиффузионное превращение переох­лажденного аустенита, имеющего ГЦК решетку, в мартенсит с объемно-центрированной тетрагональной решеткой (ОЦТ). Тетрагональность решетки мартенсита вызвана наличием в ней избыточно­го количества углерода (рис. 20.5). Мартенсит имеет игольчатое строение (рис. 20.3 б), высокую твердость и низкую пластичность. Чем больше содержание углерода в мартенсите, тем больше искажение кристаллической решетки (больше отношение параметров решетки с/а), и тем выше его твердость.

Рисунок 20.5 – Схема кристаллической решетки мартенсита

Получить структуру бейнит (верхний и нижней) (рис. 20.3) при непрерывном охлаждении стали невозможно. Для получения данной структуры используют, например, изотермическую закалку.

Для получения необходимых структур, а, следовательно, и заданных свойств углеродистую сталь подвергают различным видам термической обработки.

К основным видам термической обработки относятся: отжиг, нормализация, закалка. Они отличаются скоростью охлаждения стали из аустенитного состоя­ния (табл. 15.1).

Отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 20-40 °С выше Ас₃, эвтектоидной стали на 20-40 °С выше Ас₁ и заэвтектоидной стали выше Ас₁, но ниже А_сm (рис. 20.2) + выдержка + медленное охлаждение с печью.

После отжига получают структуры, соответствующие диаграмме состояния Fе-С: для доэвтектоидных сталей – перлит + феррит; для эвтектоидной стали – перлит; для заэвтектоидных сталей – перлит + вторичный цементит.

Основная цель отжига – приведение структуры в равновесное состояние. Назначение – повышение пластичности стали, снятие остаточных напряжений, устранение дефектов структуры, улучшение обрабатываемости резанием, измельчение зерна, подготовка стали к последующим термообработкам.

Нормализация (нормалицационный отжиг) заключается в нагреве доэвтектоидной стали вы­ше точки Ас₃; эвтектоидной стали – выше точки Ас₁, и зазвтектоидные стали – выше точки Ас_m на 50-70 °С (рис. 20.2) + выдержка + охлаждении на воздухе. Структуры, получаемые после нормализации: для доэвтектоидной стали – сорбит + феррит; для эвтектоидной – сорбит; для зазвтектоидной стали – сорбит + вторичный цементит.

Цель нормализации та же, что и от­жига. Однако после нормализации твердость и прочность стали выше, чем после отжига. Чем больше углерода в стали, тем разница заме­тнее. Часто нормализация является окончательным видом термичес­кой обработки деталей машин.

Закалка заключается в нагреве дозвтектоидной стали выше Ас₁ на 30-50 °С, эвтектоидной и заэвтектоидных сталей на 50-70 °С выше Аc₁ (рис. 20.2) + выдержка + охлажде­ние в масле или воде. Цель закалки – получение неравновесных структур.

При закалке в масле получают структуры: для доэвтектоидной стали – троостит + феррит; для эвтектоидной стали – троостит; для зазвтектоидной стали – троостит + вторич­ный цементит.

Закалка в воде приводит к превращению переохлаж­денного аустенита в мартенсит. После закалки стали в воде обязательно проводят отпуск.