ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
Целью термической обработки стали является изменение ее структуры и свойств. При термической обработке сталь нагревают обычно до температур, при которых образуется аустенит, и охлаждают. При этом происходят фазовые превращения, переход менее устойчивой структуры, полученной предшествующей обработкой, в более устойчивую и равновесную.
При нагревании выше PSK образуются зародыши кристаллов аустенита и его мелкие зерна (см. рис. 19.7). При повышении температуры или продолжении выдержки при данной температуре зерна аустенита растут. При охлаждении размеры зерен не изменяются. Аустенит находится в метастабильном состоянии, и в нем происходят превращения, он распадается с образованием более стабильных структур; при распаде в области повышенных температур образуется структура из феррита и цементита.
При термической обработке значительно изменяются свойства стали, причем наибольшее значение имеет изменение механических свойств.
В зависимости от требований к стальным полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и др.) и изделиям применяют следующие основные виды термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.
Отжигом называют термическую обработку стали, получившей неустойчивое состояние в предыдущей обработке, путем нагревания выше линий Ас3 или Ac1 и медленного охлаждения вместе с печью, что приводит ее в более устойчивое состояние.
При нагревании стали выше линии Ас3 происходит полная ее перекристаллизация с образованием аустенита, а при медленном охлаждении аустенит распадается и превращается в перлитовые структуры.
Отжиг стали проводят для устранения некоторых дефектов ее предыдущей горячей обработки (литья, ковки и др.) или для подготовки ее структуры к следующим операциям (закалке, обработке резанием и др.). Часто отжиг является окончательной термической операцией. Различают отжиг 1-го и 2-го рода.
Отжиг 1-го рода проводят с целью снятия остаточных напряжений и искажения кристаллической решетки, уменьшения неоднородности стали, полученных в результате предшествующей обработки. Он осуществляется при температурах ниже или выше фазовых превращений (650—1200°С). Ему подвергают стальные отливки, детали, обработанные резанием, сварные изделия, холоднодеформиро-ванную сталь и др.
При отжиге 2-го рода сталь нагревают до температуры выше линий Ас3 или Ас1, выдерживают при данных температурах и медленно охлаждают. При этом в стали протекают фазовые превращения — перекристаллизация, в результате которых структура . практически становится близкой к равновесной. При фазовой перекристаллизации происходит измельчение зерен, снимаются внутренние напряжения, уменьшается структурная неоднородность, что и обусловливает повышение пластичности и вязкости. После отжига сталь имеет низкие прочность и твердость, что облегчает обработку резанием среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали. Отжигу 2-го рода подвергают отливки, поковки и прокат для повышения пластичности и вязкости.
Отжиг 2-го рода является в производстве обычно промежуточной операцией, а для многих крупных отливок — окончательной термической обработкой.
Нормализацию (нормализационный отжиг) доэвтектоидных сталей производят нагреванием на 50°С выше Ас3, а заэвтектоидных — на 50°С выше Аст, недолго выдерживают при этих температурах для прогрева стали и завершения фазовых превращений и охлаждают на воздухе. Происходит полная фазовая перекристаллизация и устраняется крупнозернистая структура, полученная сталью при литье, прокатке, ковке или штамповке, в результате чего улучшаются ее свойства. При быстром охлаждении на воздухе аустенит распадается при более низких температурах, чем при медленном охлаждении стали вместе с печью при отжиге, что приводит к образованию более дисперсной ферритно-цементитной структуры и на 10—15% повышает прочность и твердость среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали по сравнению с отжигом.
Нормализация экономнее отжига, так как сталь охлаждается за пределами печи.
Закалка стали. При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температур на 30—50°С выше Ас3, а заэвтектоидные — на 30—50°С выше Ас1, выдерживают при этих температурах для завершения фазовых превращений и с большой (выше критической) скоростью охлаждают, точнее переохлаждают до низких температур, когда невозможны диффузионные процессы. Углеродистые стали чаще охлаждают в воде, а легированные — в минеральном масле или других средах.
В результате закалки значительно повышается твердость стали. Закалка является промежуточной, не окончательной термической операцией. После закалки сталь подвергают отпуску для уменьшения внутренних напряжений и хрупкости, возникших в результате закалки, и для придания стали необходимых механических свойств.
Доэвтектоидные стали, имеющие структуру феррит + перлит, при нагревании на 30—50°С выше Ас1приобретают структуру аустенита, который при непрерывном быстром охлаждении превращается в мартенсит — пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-Fe.
Содержание углерода в мартенсите может доходить до 2,14%, т. е. как и в исходном аустените, в то время как в равновесном состоянии растворимость углерода в α-Fe при 20°С не более 0,002%. Применяют следующие основные способы закалки: непрерывную, прерывистую и ступенчатую.
Непрерывная закалка — с полным охлаждением в одном охладителе (в воде или минеральном масле) — самая простая и применяется наиболее широко. Ее применяют для простых изделий из углеродистых и легированных сталей.
Прерывистая закалка или закалка в двух средах: изделие быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки Мн (температуры начала мартенситного превращения), быстро переносят в среду с меньшей скоростью охлаждения (минеральное масло, воздух), в которой они охлаждаются до температуры 20°С. При охлаждении во второй среде в стали уменьшаются внутренние напряжения. Этим способом закаляют инструменты из высокоуглеродистой стали.
Ступенчатая закалка заключается в следующем. Стальное изделие охлаждают в среде расплавленных солей: 45% NaNO3 + 55% KNO3, а также в расплавленных щелочах: 20% NaOH + 80% KОН, температура которых несколько выше Мн (обычно 180—250°С), недолго выдерживают в них и затем окончательно охлаждают на воздухе до комнатной температуры, когда и происходит закалка, т. е. превращение аустенита в мартенсит. При выдержке изделия в закалочной среде выравнивается температура по сечению изделия. Охлаждение в две ступени уменьшает внутренние напряжения и поэтому уменьшает закалочную деформацию.
При ступенчатой закалке в стали остается больше аустенита, чем при непрерывной закалке, так как мартенситное превращение, протекающее при охлаждении на воздухе, менее полное, чем при непрерывной закалке. В результате уменьшаются объемные изменения из-за большого содержания остаточного аустенита, коробление вследствие почти одновременного мартенситного превращения по всему изделию, возможность образования трещин.
Отпуск стали. Состояние закаленной стали является неравновесным (неустойчивым), в ней даже без нагрева происходят превращения и она может приближаться к равновесному состоянию. При нагревании стали увеличивается подвижность атомов и благодаря этому состояние закаленной стали все больше приближается к равновесному.
Отпуском называют температурную обработку, состоящую из нагревания закаленной стали ниже температуры равновесного фазового превращения (ниже Ас1), выдержки при этой температуре и охлаждения на воздухе или в воде с целью получения более устойчивого состояния структуры стали.
При отпуске закаленной стали при температуре выше 400°С образуется смесь феррита и цементита. При отпуске в пределах 350—500°С отпущенная сталь имеет структуру так называемого тро-остита, а при 500—600°С — сорбита, обладающих разной степенью дисперсности частиц цементита и разной твердостью.
Троостит представляет собой тонкодисперсную смесь феррита и цементита, а сорбит — менее дисперсную (среднедисперсную) смесь феррита и цементита (для сравнения укажем, что перлит — грубодисперсная смесь феррита и цементита). С повышением степени дисперсности структуры повышаются твердость и прочность, которые у троостита больше, чем у сорбита.
Сорбит имеет более высокую пластичность (δ, ψ), чем троостит.
Различают низко-, средне- и высокотемпературный отпуски.
При низкотемпературном (низком) отпуске закаленную сталь нагревают до температуры 250°С. Мартенсит закалки превращается в отпущенный мартенсит, при этом уменьшаются закалочные микронапряжения, повышаются прочность и немного вязкость, а также незначительно понижается твердость. Такому отпуску подвергают измерительный и режущий инструмент и изделия после их поверхностной закалки или химико-термической обработки.
Присреднетемпературном (среднем) отпуске сталь нагревают до температуры 350—500°С, в результате чего она приобретает структуру троостита отпуска или троостомартенсита. После такого отпуска сталь имеет высокие релаксационную стойкость, предел упругости и выносливость. Этот отпуск применяют для изготовления рессор, пружин, штампов и др.
При высокотемпературном (высоком) отпуске сталь нагревают до температуры 500—680°С, в результате чего она приобретает структуру сорбита отпуска и имеет наилучшее соотношение прочности и вязкости. При отпуске при температуре 550—600°С почти полностью снимаются закалочные остаточные напряжения.
По сравнению с отжигом или нормализацией закалка стали с высоким отпуском значительно повышает предел прочности, предел текучести, относительное сужение и особенно повышает ударную вязкость.
Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 2357;