Основные виды термической обработки стали

Изменяя режим охлаждения нагретой до аустенитного состояния стали, можно в широком диапазоне изменять ее дислокационно-фазовое строение и, таким образом, получать различные комплексы механических и других свойств. На этом, собственно, и основаны такие наиболее часто применяемые виды термообработки, такие как отжиг, нормализация и закалка. Важным видом термообработки, выполняемым после закалки, является отпуск.

Отжиг. Понятие «отжиг» охватывает несколько отличающихся друг от друга по режиму операций термообработки, объединенных единой целью – привести сталь в термодинамическое равновесноесостояние с минимальной плотностью дислокаций (10⁶ –10⁷ см ^-2), по возможности низкой твердостью и высокой пластичностью.

Наиболее распространенной разновидностью отжига является обыкновенный отжиг.

Обыкновенный отжиг производится с целью умягчить сталь перед механической обработкой и подготовить ее структуру к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска.

Этому отжигу подвергаются имеющие неблагоприятную грубозернистую структуру литые заготовки, а также заготовки, прошедшие ковку, штамповку и другие виды обработки давлением, также нуждающиеся в исправлении структуры.

В ряде случаев, когда получающиеся после отжига свойства обеспечивают долголетнюю службу детали, он оказывается окончательным видом термообработки.

При обыкновенном отжиге сталь нагревается до температуры на 30-50^о С выше линии GSK (рисунок 5.3), выдерживается при этой температуре до полного завершения структурно-фазовых превращений и охлаждается с очень малой скоростью (менее 100 ^о/ч) в печи с отключенными источниками теплоты.

Диффузионный отжиг, или гомогенизация, является разновидностью отжига, применяемого с целью устранения в легированной стали (как и в других сплавах) дендритной ликвации.

При диффузионном отжиге с целью интесификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000-1100 ^оС и подвергается длительной выдержке (18-24часов). Для устранения крупнозернистости после гомогенизации производится обыкновенный отжиг, или нормализация.

Рекристаллизационный отжиг. производится с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла. Наклепанный металл очень тверд и хрупок, его кристаллическая решетка вследствие высокой плотности дислокаций и наличия большого числа других дефектов (вакансий, перемещенных в междоузлия атомов), а также из-за искажений и больших внутренних напряжений находится в неравновесном состоянии, обладая большим запасом избыточной свободной энергии.

В сильно наклепанном металле из-за слияния дислокаций в местах их скопления наблюдаются опасные дефекты – зародыши трещин.

Следовательно, в ряде случаев наклеп приходится устранять. Для этого требуется нагрев, стимулирующий диффузные процессы. Наклеп можно устранить, применяя уже рассмотренный обыкновенный отжиг. Однако рекристализационный отжиг из-за значительно более низкой температуры и намного меньшей продолжительности его проведения при практически одинаковых результатах более предпочтителен.

Температура нагрева при этом виде отжига выбирается на 150-250 ^оС выше температуры рекристаллизации обрабатываемого сплава. Это наименьшая температура, необходимая для протекания в наклепанном металле процессов, возвращающих ему исходные (до деформации) значения характеристик механических и других свойств.

Температура рекристализации зависит от состава сплава и связана с температурой его плавления уравнением Т_р= Т_пл (где Т_пл выражена в К; -коэффициент, зависящий от природы сплава). Для углеродистых сталей и не сложных по составу сплавов он составляет 0,4, а у легированных сталей и сложных сплавов твердых растворов достигает 0,6-0,8.

Рекристализационных отжиг углеродистой стали производится при температуре нагрева в пределах 600-700 ^оС.

Во время нагрева и выдержки в холоднодеформированном металле происходят рекристализационные процессы, суть которых сводится к таким, следующим друг за другом явлениям как:

аннигиляция (самоликвидация) противоположных по знаку дислокаций;

выстраивание дислокационных стенок (из леса дислокаций);

зарождение и рост новых равновесных зерен (но только при температуре выше температуры рекристализации).

Заметное укрупнение рекристаллизационных зерен за счет поглощения более крупными зернами соседних мелких (собирательная рекристализация) происходит по окончании процесса формирования новых зерен из материала разрушенных старых. Для этого требуются продолжительные выдержки при повышенных температурах.

Рекристаллизованный металл имеет низкие прочностные характеристики и высокую пластичность.

Наклеп необходимо устранять после холодной обработки металла давлением, производимой при температуре ниже температуры рекристаллизации (ковка, штамповка, тонколистовая прокатка).

Нормализация.

Особенностями режима этого вида термообработки являются температура нагрева на 30 – 50 выше линии GSЕ (рисунок 4.1) и охлаждение на спокойном воздухе.

Применительно к доэвтектоидным сталям, особенно малоуглеродистым, нормализация за достаточно короткое время и при большой простоте режима охлаждения позволяет получить весьма эффективное измельчение зерна у литых и кованных заготовок. Вследствие этого нормализацией можно получить мелкозернистую структуру стали, обладающую повышенными прочностными свойствами.

В ряде случаев, когда от материала изделия не требуется повышенных прочностных свойств, нормализация заменяет закалку. Особенно это касается низкоуглеродистых сталей, для которых применение закалки исключается (из-за очень высокой критической скорости закалки).

При нормализации заэвтектоидных сталей из-за ускоренного выделения из аустенита избыточного (вторичного) цементита, нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не образуется. В связи с этим одной из целей нормализации является разрушение цементитной сетки у заэвтектоидных стаей..

Закалка.

Исторически сложившееся понятие «закалка» предполагает такую термообработку, при которой сталь приобретает неравновесную структуру, что прежде всего выражается в твердости стали. В связи с этим к закалке можно отнести термообработку на сорбит, тростит, бейнит и мартенсит. Степень неравновесности продуктов закалки с увеличением скорости охлаждения повышается и возрастает от сорбита к матренситу.

Закалку на мартенсит принято считать истиной закалкой. Важнейшим преимуществом истинной закалки является возможность получения из мартенсита за счет последующего отпуска продуктов с такими ценными комплексами свойств, которые другими видами термообработки получить невозможно.

В связи с этим истинная закалка по сравнению с другими ее видами получила более широкое применение как предварительная обработка перед следующим за ней отпуском.

Режим истинной закалки включает нагрев до температуры на 30-50 ^о выше линии GSK (рисунок 4.1) и охлаждение со скоростью не ниже критической (v_к).

Критическая скорость закалки имеет очень важное значение. От нее зависит такое технологическое свойство стали, как прокаливаемость, т.е. способность закаливаться на определенную глубину.

Чем меньше величина v_к, тем на большую глубину от поверхности детали распространяется закалка (поскольку фактическая скорость охлаждения по мере увеличения расстояния от поверхности уменьшается и на каком-то удалении оказывается меньше v_к). Критическая скорость закалки зависит от стабильности аустенита, которая, в свою очередь, определяется количеством растворенных в нем углерода и легирующих элементов.

Таким образом, введением в сталь углерода и легирующих элементов можно повысить прокаливаемость.

Прокаливаемость принято оценивать с помощью специальных цилиндрических образцов по глубине залегания в них полумартенситного слоя, при охлаждении торца нагретого образца струей холодной воды.

Полумартенситным принято считать слой стали, содержащий 50% М и 50 % Т.

Поскольку изменение скорости охлаждения от поверхности вглубь детали зависит от температуры и рода охлаждающей среды, то при оценке прокаливаемости следует учитывать и эти факторы.

Одной из целей легирования конструкционных сталей является уменьшения критической скорости закалки и получения сквозной прокаливаемости изготовленных из них деталей при закалке не только в воде, но и в более мягких охлаждающих средах (масле, теплой воде, на воздухе).

От резкости охлаждающей среды зависит уровень термических и фазовых напряжений и вероятность образования трещин в детали или ее коробления.

В связи с изложенным при закалке предпочтительны более мягкие закалочные среды.

При закалке режущего инструмента из высокоуглеродистой стали в целью уменьшения внутренних напряжений применяют охлаждение в двух средах. При этом кратковременным в течении нескольких секунд охлаждением в воде обеспечивается переохлаждение аустенита до температуры несколько выше точки М_н (то есть тепературы начала мартенситного превращения). Дальнейшее охлаждение производится в мягкой среде – минеральном масле, вследствие чего мартенситное превращение происходит с меньшим уровнем возникающих внутренних напряжений.

Такую закалку принято называть прерывистой или закалкой в двух средах.

Обработка холодом. При закалке в обычных охлаждающих средах в стали, наряду с мартенситом, сохраняется какое-то количество остаточного аустенита, тем большее, чем ниже точка М_к.

У высокоуглеродистых сталей и особенно у сталей с достаточно высоким содержанием легирующих элементов точка М_к лежит ниже комнатной температуры, а зачастую и ниже О^о С.

В связи с этим при обычной закалке в них сохраняется много остаточного аустенита. Его наличие снижает твердость закаленной стали и ее теплопроводность, что для режущего инструмента является особенно нежелательным. В течение определенного времени остаточный аустенит претерпевает фазовые превращения, приводящие к изменению размеров изделия, это крайне недопустимо для измерительного инструмента.

Учитывая изложенные выше нежелательные явления А.П.Гуляев в 1937 году предложил обработку холодом. Сущность этой обработки состоит в том, что для устранения остаточного аустенита после обычной закалки, изделия помещают в холодильную камеру с температурой равной или близкой к температуре М_к обрабатываемой стали (примерно – 80^оС). При этом продолжается мартенситное превращения и сталь приобретает структуру мартенсита с минимальным количеством аустенита.

В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизируются размеры изделия.

Отпуск стали. Отпуском называется операция нагрева закаленнойна мартенсит стали для уменьшения имеющейся в ней остаточных напряжений и придания ей комплекса механических и других свойств, необходимых для эксплуатации изделия.

При отпуске закаленной на мартенсит стали в ней происходят превращения приводящие к распаду мартенсита и образованию равновесного структурно-фазового состава. Интенсивность и результат этих превращений зависит от температуры отпуска.

Температуру отпуска выбирают из функционального назначения изделия.

В процессе многолетней практики сложились три основные группы изделий, требующие для их успешной эксплуатации свох специфических комплексов вязкостно-прочностных и других свойств.

В первую группу входят режущий и мерительный инструменты, а также штампы для холодной штамповки. От их материала требуется высокая твердость (свыше 58 HRC) и хотя бы небольшой запас вязкости.

Вторую группу составляют пружины, рессоры и другие изделия, от материала которых требуется сочетание высокого предела упругости с удовлетворительной вязкостью.

Третья группа изделий включает большинство деталей машин, испытывающих не только статические но и динамический или циклические нагрузки. При длительной эксплуатации изделий от их материала требуется сочетание удовлетворительных прочностных свойств, с максимальными показателями вязкости.

Следовательно существует три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный.

Отпуск преследует цель не просто устранить внутренние напряжения в закаленной стали. Он является средством придания стали требуемого комплекса свойств, за счет диффузионного распада мартенсита на ферритно-цементитную смесь. Это сопровождается уменьшением прочностных свойств стали и повышением ее вязкости.

При нагреве и выдержке создаются условия для протекания диффузионных процессов в пересыщенной углеродом ОЦК решетке мартенсита, превратившейся в тетрагональную.

Низкотемпературный (низкий) отпуск производится при температуре 150 … 180^оС, а для легированных сталей - 250^оС. При таких температурах мартенсит лишь частично освобождается от пересыщающих его решетку атомов углерода. Поэтому основу мартенсита отпуска составляет пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe. Однако в нем несколько уменьшается число охрупчивающих его трехцентровых ковалентных Fe-C-Fe-связей. Освобождающийся при этом углерод еще не может образовать стабильного карбида железа в виде частиц цементита, освободившихся от кристаллической решетки мартенсита.

Поэтому в мартенсите отпуска образуются лишь высокодисперсные частички карбидов, когерентно связанные с его решеткой (такая связь означает, что пограничные атомы этих карбидных образований одновременно входят в состав ячеек матричной решетки мартенсита).

При низком отпуске наряду с процессами разупрочнения мартенсита происходят процессы и противоположного характера. Прежде всего образование стопоров в виде высокодисперсных карбидных включений, затрудняющих работу дислокационного механизма пластической деформации. Плотность дислокаций снижается незначительно, оставаясь на уровне 10¹¹ – 10¹² см^-2 в зависимости от содержания углерода.

Подводя итог, можно сказать что, образующийся в результате низкого отпуска отпущенный мартенсит М_о обладает более благоприятным комплексом механических свойств, сочетающим высокий уровень твердости с некоторым, хотя и очень небольшим запасом вязкости.

В связи с изложенным выше, низкому отпуску подвергают изделия первой группы и цементированные детали.

Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре от 350 до 450^оС (иногда до 470^оС). При таком нагреве завершается распад мартенсита, приводящий к образованию нормальных по составу и внутреннему строению феррита и цементита. Однако вследствие все еще недостаточной интенсивности диффузионных процессов размер зерен образующихся фаз оказывается очень малым.

Образующийся при среднем отпуске продукт называется троститом отпуска Т_о. В нем, в отличие от тростита закалки, цементит представлен не пластиночками, а в виде мельчайших зерен, что обуславливает его более высокую вязкость в сравнении с троститом закаки.

Сложившаяся у Т_о фазовая и дислокационная структуры (плотность дислокаций на уровне 10⁹ – 10¹⁰ см^-2) обеспечивают материалу изделий благоприятный для пружин, рессор и им подобным изделиям комплекс механических свойств, те есть высокий предел упругости, сочетающийся с вполне удовлетворительной для изделий этой группы вязкостью.

Высокотемпературный (высокий) отпуск. Осуществляется при 500 … 650^оС. При таких условиях нагрева усиливаются диффузионные процессы, вследствие чего происходит образование более крупных зерен феррита и цементита, сопровождающееся дальнейшим снижением плотности дислокаций (до 10⁸ – 10⁹ см^-2) и практически полным устранением остаточных напряжений.

Получающийся при высоком отпуске продукт распада мартенсита, называемый сорбитом отпуска С_о, обладает максимальной для стали вязкостью, сочетающейся с удовлетворительными показателями прочности. Такой комплекс является наиболее прниемлемым для деталей машин и механизмов, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам.

Благодаря этому преимуществу термическую обработку, сочетающую закалку и высокий отпуск, издавна называют улучшением.

Отпуск при более высоких температурах нецелесообразен вследствие чрезмерного роста зерен цементита, что приводит к образованию структуры зернистого перлита и, как следствие, к значительному снижению прочности и особенно вязкости.