6. Основы термической обработки сталей

Открытие в 1868 г. русским ученым-металлургом Д. К. Черновым критических точек структурных превращений позволило научно обосновано выбирать режим термической обработки стальных изделий.

Термическая обработка – совокупность операций нагрева и охлаждения с целью изменения структуры и свойств сплавов в нужном направлении. Сталь нагревают в специальных термических печах с пламенным или электрическим нагревом. Основа термической обработки – изменение структурно-фазового состава и дислокационной структуры сплава. Основные параметры режима термообработки: температура нагрева, скорость нагрева до заданной температуры, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения.

При упрочняющей термической обработке повышаются твердость, прочность и износостойкость, при разупрочняющей – пластичность и ударная вязкость, но снижаются твердость и прочность

Д ля стальных изделий широко применяются оба варианта термической обработки. Любая термическая обработка стали состоит из комбинации четырех основных превращений:

1. Превращение перлита в аустенит происходит при нагреве выше критической температуры А₁ (линии PSK, на рис. 6.1).

2. Превращение аустенита в перлит происходит при охлаждении ниже критической температуры А₁.

3. Превращение аустенита в мартенсит (М) происходит при быстром охлаждении (со скоростью выше критической).

4. Превращение мартенсита в перлит происходит при нагреве до температур ниже критической температуры А₁.

6.1. Основные превращения в стали

1 . Превращение перлита в аустенит имеет место при нагреве любой стали при температуре 727 °С (линия PSK на рис. 6.1). Превращение начинается с зарождения зерен аустенита (рис. 6.2) на поверхности раздела феррит-цементит (решетка Fe_ перестраивается в Fe_) и заканчивается, когда весь цементит распадется и весь углерод, содержащийся в цементите растворится в аустените путем диффузии. Поскольку в каждой перлитной колонии зарождается несколько центров кристаллизации аустенита, то превращение сопровождается измельчением зерна стали.

В доэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит в структуре сохраняются избыточная фаза – феррит. При дальнейшем нагреве выше линии GS (рис. 6.1) феррит превращается в аустенит.

В заэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит в структуре сохраняется избыточная фаза – вторичный цементит. При дальнейшем нагреве выше линии SЕ (рис. 6.1) вторичный цементит распадается и высвобождающийся углерод путем диффузии равномерно распределяется в аустените.

Перегрев стали – интенсивный рост зерен аустенита при нагреве выше 900 °С. При последующем охлаждении укрупненного аустенита образуются крупные пластинчатые или игольчатые кристаллы феррита – видманштеттова структура, которая характеризуется пониженными механическими свойствами. Перегрев исправляют повторным нагревом до оптимальных температур с медленным охлаждением.

Пережог – окисление границ зерен при нагреве стали близко к температуре плавления. Пережог – неисправимый брак.

2. Диффузионное превращение аустенита в перлит имеет место при малой степени переохлаждения (рис. 6.3) и связано с диффузионным перераспределением углерода, растворенного в Fe_.

Кинетика диффузного превращения описывается диаграммой изотермического превращения аустенита, которая экспериментально строится обычно по изменению магнитных свойств в координатах «температура – время» (рис. 6.3).

Две кривые, напоминающие по форме букву «С», показывают начало (кривая 1) и окончание (кривая 2) превращения аустенита в другие структуры. При температурах t₁–t₃ точки Н₁–Н₃ соответствуют началу превращения, точки К₁–К₃ – окончанию. Слева от линии 1 расположена область переохлажденного аустенита. Как видно из диаграммы, время существования аустенита при температурах ниже A₁ различно и зависит от степени переохлаждения. Минимальная устойчивость аустенита проявляется при температуре порядка 550 °С: время до начала превращения составляет всего 1 секунду. Справа от линии 2 – область продуктов превращения, равновесных при определенных температурах.

Перлитное превращение начинается с образования зародышей цементита, которое облегчено на границах аустенитных зерен – в местах повышенной концентрации атомов углерода (рис. 6.4). Пластинки цементита растут (в основном в длину) за счет диффузии углерода из прилегающих областей аустенита. После потери углерода аустенит претерпевает полиморфное превращение Fe_  Fe_ и переходит в феррит, тоже в виде пластинок. Рост таких феррито-цементитных колоний продолжается до столкновения с перлитными колониями, растущими из других центров расположенных по периметру зерен аустенита. Строение и свойства перлита зависят от температуры, при которой он образовался. При увеличении степени переохлаждения растет количество зародышей новой фазы: чередующихся пластинок феррита и цементита. С ростом числа пластинок уменьшаются как их размеры, так и расстояния между ними. Размер оценивают суммарной толщиной  соседних пластинок феррита и цементита, который называют межпластиночным расстоянием, которое определяет степень дисперсности структуры. Продукты распада аустенита, в зависимости от степени их дисперсности, имеют различное название (рис. 6.5).

Перлит ( = 0,7–1,3 мкм) образуется при переохлаждении аустенита до температуры 650–700 °С (см. рис. 6.3) или охлаждении со скоростью V = 30–50 °С/с. Твердость 180–250 НВ.

Сорбит (по имени английского ученого Сорби) ( = 0,25 мкм) образуется при переохлаждении аустенита до температуры 600–650 °С или охлаждении со скоростью V = 60–80 °С/с. Структура характеризуется высокой пластичностью и ударной вязкостью, достаточной упругостью и прочностью. Твердость до 350 НВ.

Т роостит (по имени французского ученого Трооста) ( = 0,1 мкм) образуется при переохлаждении аустенита до 550–600 °С или охлаждении со скоростью V = 150 °С/с. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью, пластичностью. Твердость 350–450 НВ.

Механические свойства продуктов распада аустенита зависят не только от размеров образующихся зерен. Определяющее влияние оказывает уровень остаточных (термических и фазовых) внутренних напряжений. От их значений зависит интенсивность работы источников Франка–Рида, т. е. плотность генерируемых при охлаждении дислокаций. Термические напряжения возникают при изменении температуры, фазовые – в процессе превращений аустенита в другие структуры. Эти напряжения обусловлены разницей удельных объемов аустенита и продуктов его распада. Они тем выше, чем больше скорость превращения, т. е. скорость охлаждения (степень переохлаждения). Аустенит обладает минимальным удельным объемом. Далее в порядке увеличения удельного объема следуют перлит, сорбит, тростит, бейнит и мартенсит.

По мере увеличения скорости охлаждения уровень внутренних напряжений возрастает, что приводит к увеличению плотности дислокаций и соответственному повышению прочности и уменьшению пластичности. Таким образом, перлит, сорбит и тростит должны иметь возрастающие плотности дислокаций, порядка 10⁷, 10⁸ и 10⁹ см^–2.

3. Бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит (по имени немецкого ученого Мартенса) имеет место при высокой степени переохлаждения (рис. 6.3), когда процессы диффузии атомов углерода заторможены. Горизонтальные линии М_Н и М_К на рис. 6.3 показывают начало и конец бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

Минимальная скорость охлаждения V_К, при которой аустенит переохлаждается до температуры М_Н без диффузионного перераспределения атомов углерода и превращается в мартенсит, называется критической скоростью.

При скорости охлаждения больше критической диффузионные процессы не успевают пройти: переохлажденный аустенит претерпевает полиморфное превращение Fe_Fe_, которое не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода и образованием цементита. Весь углерод аустенита остается в решетке Fe_. Кубическая решетка искажается и становится тетрагональной – образуется мартенсит. Мартенсит – твердый пересыщенный раствор внедрения углерода в Fe_. Степень искажения кристаллической решетки мартенсита характеризуется тетрагональностью (с/а ≦ 1,09), которая в первом приближении пропорциональна содержанию углерода. При искажении решетки железа атомами углерода возникают большие напряжения. Следствие компенсации напряжений – большая плотность дислокаций и высокая твердость мартенсита (до 65 HRC).

Особенности мартенситного превращения

1 . Ориентированность и высокая скорость роста кристаллов мартенсита. Кристаллы мартенсита имеют пластинчатую форму. Со скоростью, близкой к скорости звука в стали (~1000 м/с), они растут до границы зерна аустенита (рис. 6.6), либо ближайшего дефекта. Последующие пластинки растут под углами 60 или 120°к первым. Большая скорость роста мартенсита способствует возникновению наклепа в аустените. Образующиеся при этом дислокации переходят в мартенсит, повышая его твердость, снижая пластичность.

2. Полное мартенситное превращение возможно только при непрерывном охлаждении в процессе превращения. Температуры начала (М_Н) и конца (М_К) мартенситного превращения зависят от содержания углерода (рис. 6.7). Для сталей с содержанием углерода выше 0,6 % температура М_К уходит в область отрицательных температур. В процессе закалки таких сталей, при охлаждении до комнатной температуры превращение АМ происходит не полностью. В структуре стали сохраняется остаточный аустенит А_ост. Его количество тем больше, чем ниже температура М_К: при содержании углерода 0,6–1,0 % – до 10 % А_ост, при содержании углерода 1,5 % – до 50 % А_ост. Для эвтектоидной стали М_Н = + 220 °С, М_К = – 50 °С.

3 . Бездиффузионный характер превращения аустенита в мартенсит. Атомы углерода растворены в аустените по типу внедрения и занимают октаэдрические пустоты (показаны крестиками на серединах ребер на рис. 6.8). Атом углерода входит в решетку железа в виде иона С⁴⁺. Два валентных электрона переходят в электронный газ, образуя металлическую связь между атомами решетки железа. Два оставшихся валентных электрона атома углерода с двумя ближайшими атомами железа образуют ковалентные связи. Трехцентровые ковалентные Fe–С–Fe-связи, образующиеся в мартенсите, на порядок сильнее металлических. Эти связи очень жесткие и допускают лишь небольшие упругие деформации решетки. Превышение допустимой деформации приводит к скачкообразному исчезновению взаимодействия и разрушению этих связей. Сочетание металлической и ковалентной связей в решетке мартенсита является основной причиной, предопределяющей его высокую твердость и хрупкость.

Н а рис. 6.8,а показаны две элементарные ячейки аустенита (кружки – атомы железа). Для мартенситного превращения характерно то, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы аустенита. В ГЦК решетке аустенита можно мысленно выделить тетрагональную решетку мартенсита (на рис. 6.8,а она показана жирными линиями). Два кристалла считаются когерентными, если они соприкасаются по поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток. Перестройка решетки аустенита происходит по кристаллографическим плоскостям, которые по строению и параметрам близки к определенным плоскостям решетки мартенсита. Такими плоскостями могут являться: в решетке аустенита – плоскость семейства (111), показанная в левой ячейке аустенита пунктиром на рис. 6.8,а; в решетке мартенсита – плоскость семейства (110).

Для превращения выделенной объемноцентрированной тетрагональной ячейки в ячейку мартенсита прикладывается деформация Бейна (рис. 6.8,а), которая связана с растяжением на ~ 12 % вдоль осей [100]_ и [010] _ и сжатием на ~ 17 % в направлении [001]_.

Деформация Бейна сопровождается перераспределением атомов углерода в мартенсите: кубическая решетка становится тетрагональной.

При нарушении когерентности перестройка аустенита в мартенсит нарушается, рост кристаллов мартенсита прекращается.

В зависимости от состава сплава и температуры образования кристаллы мартенсита имеют различную морфологию и структуру.

Пластинчатый (игольчатый) мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях с низкими значениями температур М_Н и М_К. Кристаллы мартенсита представляют собой широкие пластины, в плоскости шлифа они имеют вид игл (рис. 6.9,а), содержат большое число микродвойников, образующих зоны повышенной травимости (мидрибы).

П акетный (реечный) мартенсит характерен для низко- и среднеуглеродистых и легированных сталей. Тонкие параллельные пластины мартенсита, присоединенные одна к другой и разделенные малоугловыми границами, образуют пакет. Толщина пластин мартенсита колеблется от 0,2 до 2,2 мкм, плотность дислокаций – 10¹⁰–10¹² см^-2. В легированных сталях внутри пакетов между пластинами мартенсита могут присутствовать прослойки остаточного аустенита (рис. 6.9,б).

4. Обратное превращение мартенсита в феррито-цементитную смесь происходит при нагреве закаленных сталей и связано с диффузионным перераспределением атомов углерода в решетке мартенсита.

4. Промежуточное превращение аустенита в бейнит (по имени американского ученого Бейна, впервые исследовавшего изотермические превращения аустенита.). При температурах ниже 550 °С атомы углерода еще обладают достаточной подвижностью. Поэтому в переохлажденном зерне аустенита происходит диффузионное перераспределение атомов углерода. Участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит игольчатой формы. Вследствие замедления диффузионных процессов состав цементита отличается от Fe₃C и представляет промежуточные соединения Fe_xC. Участки аустенита, потерявшие углерод оказываются в области мартенситного превращения. Для них температура начала мартенситного превращения М_Н лежит выше реальной температуры переохлажденного аустенита (рис. 6.7) и превращаются в малоуглеродистый мартенсит (0,1–0,2 % углерода). В результате параллельно проходящих процессов перлитного и мартенситного превращений аустенита получившаяся структура будет состоять из чередующихся иголочек цементита и зерен малоуглеродистого мартенсита высокой дисперсности.

Структура, образующаяся при изотермическом превращении аустенита в интервале температур 300–500 °С и состоящая из цементита и низкоуглеродистого мартенсита называется бейнит (рис. 6.3).