2. Основные виды термической обработки.

Основными операциями или видами термической обработки являются:

1. Рекристаллизационный отжиг.

2. Отжиг с фазовой рекристаллизацией.

3. Закалка.

4. Отпуск.

Рекристаллизационным отжигом называется операция термической обработки, при которой путем нагрева металла до температуры выше порога рекристаллизации, выдержки и охлаждения, полностью или частично устраняется последствия, вызванная наклепом. При рекристаллизационном отжиге взамен деформированных зерен образуются и растут новые равноосные зерна, при этом снимаются внутренние напряжения, понижается твердость и увеличивается пластичность металлического сплава.

Рекристаллизационному отжигу подвергаются листы, проволока, трубы и полуфабрикаты из стали, меди, латуни и других сплавов. В результате твердые и сравнительно хрупкие сплавы, полученные методами холодной обработки давлением, становятся мягкими и хорошо деформированными.

Отжигом с фазовой перекристаллизацией называется процесс термической обработки, осуществляемый путем нагрева сплава выше критических температур (температуры фазового превращения, например, выше линии GS), выдержки и последующего медленного охлаждения с заданной скоростью. Вследствие фазовой перекристаллизации создается устойчивая (равновесная) структура.

Примером отжига с фазовой перерекристаллизацией является полный отжиг стали, заключающийся в нагреве крупнозернистых отливок или поковок выше верхней критической точки А_С3, т.е. выше линии GS и их охлаждении вместе с печью для измельчения зерна и получения требуемых механических свойств.

Закалкой называется операция термической обработки, при которой путем нагрева сплава выше критических температур (температуры фазового превращения, например, для стали выше линии GSK), выдержки и последующего быстрого охлаждения образуется при нагреве и сохраняется после охлаждения неустойчивая структура пересыщенного твердого раствора или структура, состоящая из продуктов превращения твердого раствора различной степени дисперсности.

Отпуском называется операция термической обработки, при которой путем нагрева закаленного сплава ниже температуры фазового превращения (т.е. ниже линии PSK), выдержки и последующего охлаждения (обычно на воздухе) из неустойчивой закаленной структуры образуется более устойчивая. Происходит изменение механических свойств, а также снижение внутренних напряжений, устраняется чрезмерная хрупкость закаленной стали.

Самопроизвольный отпуск, происходящий после закалки с простой выдержкой при комнатной температуре или отпуск при очень низких температурах (приблизительно до 100-170⁰С), принято называть старением.

Обычно закалка стали и других сплавов сопровождается отпуском или старением и в подавляющем большинстве случаев преследует цель повышения прочности и износостойкости сплавов.

3. Фазовые превращения в стали.

Общее представление о превращениях, протекающих в стали при нагреве, можно получить из диаграммы состояния. Фазовые превращения вызваны тем, что, вследствие изменившихся условий, в частности температуры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое.

Рассматривая структурные превращения стали следует отметить 3 основные структуры, а переход их из одной в другую характеризует основные превращения.

Этими структурами являются:

1. Аустенит – твердый раствор внедрения “С” в γ-Fe [Feγ (C)]

2. Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения “С” в α-Fe [Fe_α(С)]

3. Перлит – эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита (тв.раствор “С” в α-Fe) и цементита (карбида Fe₃С) [Fe_αC+Fe₃C]

В процессах термической обработки стали наблюдаются 4 основных превращения:

1. Превращение перлита в аустенит:

Feα+Fe₃C→Feγ(C) или Ф+Fe₃C→А

^{0,02%С 6,67%С 0,8%С}

Превращение протекает выше т. А₁ (727⁰С), выше температуры стабильного равновесия аустенит-перлит. При этих температурах из 3х основных структур аустенит обладает минимальной свободной энергией.

Превращение состоит из 2х одновременно протекающих процессов: полиморфного α→γ перехода и растворения в аустените цементита.

П-е основное превращение – это превращение аустенита в перлит:

Feγ(C) →Feα+Fe₃С, протекающее ниже т. А₁.

Ш-е превращение аустенита в мартенсит:

Feγ(C) →Feα(С)

Таким образом, температура начала и конца мартенситного превращения обуславливается химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура. Легирующие элементы, за исключением Co и Al, также понижают температуру.

Таким образом протекает мартенситное превращение при температуре ниже температуры метастабильного равновесия А→M.

Изменение свободных энергий аустенита Z_А, мартенсита Z_М и перлита Z_П с изменением температуры:

Хотя при Т₀ более устойчив перлит, работа для образования мартенсита из аустенита меньше, чем для образования перлита. Поэтому ниже Т₀ образование перлита из аустенита может произойти только путем превращения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит. Таким образом, аустенитно-мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.

ΙV превращение мартенсита в перлит, т.е. в феррито-карбидную смесь:

Feα(C)→Feα +Fe₃C, происходит при всех температурах, т.к. свободная энергия мартенсита при всех температурах больше свободной энергии перлита.

Схема свободных энергий основных структур показывает, что выше Т₀ возможно превращение мартенсита в аустенит. Однако, экспериментально это не подтверждается, т.к. вероятно, раньше успевает произойти превращение М→П (распад мартенсита).