Лекция 8

Раздел II. Термическая, термомеханическая и химикотермическая обработка сталей

2.1. Виды термической обработки и их классификация

Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением металла, находящегося в твердом состоянии, с целью изменения структуры и свойств без изменения его химического состава. Осно­воположником теории процессов термической обработки является Д. К. Чернов, обнаруживший критические точки стали. Термическую обработку характеризуют основные параметры: нагрев до определенной температуры, выдержка при этой температуре, скорость нагрева и скорость охлаждения (рис. 2.1).

Рис. 2.1. График термической обработки стали

В зависимости от температурных режимов термическая обработка подразделяется на следующие виды (рис. 2.2): отжиг, нормализация, закалка, отпуск, химико-термическая обработка (ХТО), термомеханическая обработка (ТМО) и др.

В зависимости от склонности к росту аустенитного зерна при нагреве стали бывают мелко- или крупнозернистыми. Мелкозернистые стали в интервале температур нагрева 950...1000 °С почти не изменяют величину зер­на. У крупнозернистых сталей рост зерна начинается сразу же после перехода через критическую точку. Отсюда вытекает необходимость строгого соблюдения тех­нологических режимов термической обработки, оказы­вающих решающее влияние на качество изделий. Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием аллотропических пре­вращений в твердом состоянии. Охлаждая стали из аустенитного состояния с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отли­чающиеся по строению и свойствам.

Н

Рис 4.3. Схема классификация основных видов термической обработки металлов и сплавов.

ТМО – низкотемпературная термомеханическая обработка;

ВТМО – высокотемпературная термомеханическая обработка;

ПТМО – предварительная термомеханическая обработка;

ВНТМО – высоко- низко температурная термомеханическая обработка;

ВТМИзО – высокотемпературная термомеханическая изотермическая обработка;

ТМИзО - термомеханическая изотермическая обработка

Рис. 2.2. Схема классификации основных видов термической обработки металлов и сплавов:

13. Превращения в стали при нагреве

Для большинства видов термической обработки исходную перлитную структуру сталей нагревают до превращения в аустенитное состояние. Такое превращение происходит при нагреве за счет полиморфного превращения железа Fe_α→Fe_γ и диффузионных процессов, т. е. повышения растворимости углерода цементита в аустените. Первоначальные зародыши аустенита чаще образуются на границе раздела феррита и цементита. На рис. 2.3 приведена схема, иллюстрирующая превращение феррито-цементитной структуры в аустенит.

Исходная структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки A_c1 состоит из перлита и феррита. В точке A_c1, соответствующей линии PS (см. рис. 1.24) начинается полиморфное превращение железа, т. е. происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве стали от точки A_c1 до A_c3 (линия GS диаграммы состояния Fe – Fe₃C) углерод цементита растворяется в аустените и при достижении Ас₃ превращение заканчивается. Выше точки А_с3 структура стали состоит только из аустенита.

­Рис. 2.3. диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит эвтектоидной стали:– точки начала превращений со скоростями V_I и V₂; b и b^Ib^II – точка конца превращений со скоростями V_I и V₂ (V_I > V₂)

При нагреве заэвтектоидной стали выше температуры Ac₁ в аустените начинает растворяться избыточный цементит. Выше точки А_ст (линия SE) структура состоит только из аустенита. Аустенит неоднороден по химическому составу. В тех местах, где был цементит, аустенит богаче углеродом, а где феррит — беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава зерен аустенита сталь нагревают немного выше верх­ней критической точки А_с3 и выдерживают при этой температуре.

При повышении температуры выше А_с3 мелкие зерна аустени­та начинают соединяться между собой и их размеры увеличива­ются. Величину зерен определяют сравнением микроструктуры стали при увеличении в 100 раз со стандартной шкалой, в которой зерна в зависимости от размера, имеют номера от 1 до 10 (рис. 2.4). От № 1 до № 4 зерна считаются крупными, а с № 5 — мелкими. Если размер зерна исследуемого образца выходит за пределы номеров зерен 1 — 10, то пользуются другими увеличениями.

Рис. 2.4. Шкала зернисто-сти стали

2.3. Превращения в стали при охлаждении. Аустенит является устойчивым только при температуре выше 727 °С (точка A_r1). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния, ниже точки Ar₁ начинается его превращение.

Из диграммы состояния железоуглеродистых сплавов изве­стно, что при медленном охлаждении эвтектоидной углеродистой стали (0,8 % С) при температуре, соответствующей линии PSK, происходит превращение аустенита в перлит. В этом случае кристаллическая решетка Fe_γ перестраивается в Fe_α и выделяется цементит. Изучение процесса превращения аустенита в перлит проводится при постоянной температуре (в изотермических условиях) и при непрерывном охлаждении. Превращение аустенита при постоянной температуре изображается в виде диаграммы изотермического превращения (рис. 2.5).

По вертикальной оси диаграммы откладывается температура, а по горизонтальной — время. Для удобства построения обычно время откладывают по логарифмической шкале, так как время распада может колебаться в широких пределах — от долей секунды до десятков минут и даже часов. Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, т. е. выше критической точки, а затем быстро охлаждают, например, до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т. д. и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур A_r1 (727 °С) до М_н (250 °С), где M_н — температура начала мартенситного превращения.

На диаграмме нанесены две линии — С-образные кривые. Линия I указывает время начала превращения, линия II — время конца превращения переохлажденного аустенита. Период времени до начала превращения аустенита называют инкубационным (левее кривой I). По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более стабильных структур.

Рис. 2.5. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области или ступени превращения (см. рис. 2.5): перлитную, область промежуточного превращения (промежуточного между перлитным и мартенситным превращением) и мартенситную. Перлитная область в углеродистых сталях распространяется на интервал температур от 727 °С до изгиба изотермической диаграммы (~550 °С). При этих температурах происходит диффузионный распад аустенита с образованием структуры из феррита и цементита – перлита.

Промежуточное превращение протекает при температурах от изгиба кривой (~550 °С) до точки М_н. Это превращение обладает рядом особенностей, присущих как перлитному (диффузионному), так и мартенситному (бездиффузионному) превращению. В результате превращения переохлажденного аустенита образуется структура, получившая название бейнита.

При 700° С превращение аустенита начинается в точке а и заканчивается в точке b. При этом образуется перлит (рис. 2.6, а). При 650° С превращение аустенита происходит от a₁ до b₁. При этом образуется сорбит — тонкая (дисперсная) механическая смесь феррита и цементита (рис. 2.6, б).

Среднеуглеродистая сталь, в которой преобладает структура сорбита, имеет твер­дость 30…40 HRC и обладает высокой прочностью и пластичностью.

Устойчивость аустенита сильно зависит от степени переохлаждения. Наименьшей устойчивостью аустенит обладает при температурах, близких к 550° С. Для эвтектоидной стали время устойчивости аустенита при температурах 550—560 °С составляет около 1 с. По мере удаления от температуры 550 °С устойчивость аустенита возрастает. Время устойчивости при 700 °С составляет 10 с, а при 300 °С — около 1 мин

Рис. 2.6. Продукты распада аустенита: а –перлит; б – сорбит; в – тростит; г- мартенсит; д – бейнит нижний; бейнит верхний

При охлаждении стали до 550 °С (точки начала и конца распада a₂ и b₂) аустенит превращается в троостит — смесь феррита и цементита (рис. 2.6, в), которая отличается от перлита и сорбита высокой степенью дисперсности составляющих и обладает повышенной твердостью 40—45 HRC, прочностью и умеренной вязкостью и пластичностью.

Ниже температуры 550° С происходит образование структуры бейнита.

Бейнит — структура стали, состоящая из смеси пересыщенного углеродом феррита и карбидов (цементита).

Различают верхний бейнит, образующийся при 500—350 °С (перистого строения) (рис. 2.6, д), и нижний бейнит, образующийся при 350—250 °С (пластинчатого, игольчатого строения) (рис. 2.6, е). Верхний бейнит углеродистой стали имеет пониженную прочность и невысокие пластичность и вязкость, твердость 43—46 HRC. Нижний бейнит имеет более высокую проч­ность, пластичность и вязкость, твердость 52—55 HRC.

Если на диаграмму изотермического распада переохлажденного аустенита нанести кривые охлаждения V₁, V₂, V₃, V₄,V₅, V₆,V_кр, V₇,то можно проследить превращение аустенита при непрерывном охлаждении (рис. 2.7).

Критическая скорость закалки. При медленном охлаждении об­разца луч V₁ пересечет кривые I и II в точках a₁ и b₁ при этом аустенит превращается в перлит. При большей скорости охлаждения луч V₂ пересечет кривые I и II в точках а₂ и b₂, и переохлажденный аусте­нит полностью превратится в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения V₃ из образуется новая структура — троостит.

По мере ускорения охлаждения лучи будут все круче (линии V₄ и V₅) в стали протекает промежуточное превращение с образование в структуре нижнего или верхнего бейнита.

Рис. 2.7. Наложение кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита

При скорости охлаждения V₆ (луч не пересекает кривую II ) превращение аустенита в феррито – цементитную смесь не успеет закончиться и в структуре стали появится мартенсит. При наибольших скоростях охлаждения, когда луч V_кр касается кривой I (начала распада аустенита) и пересекает горизонталь М_н, в стали образуется только мартенсит (см. рис. 2.6, г), т. е. пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. При образовании мартенсита происходит перестройка гранецентрированной решетки аустенита в объемно-центрированную решетку α-железа. Избыточное количество углерода, находящееся в α-железе, искажает эту решетку и превращает ее в тетрагональную, в которой отношение параметров с/а не равно единице (рис. 2.8), как у куба. Степень тетрагональности тем выше, чем больше углерода в стали.

С

Рис. 2.8. Кристаллическая решетка мартенсита

корость охлаждения, при которой в стали из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки V_кр. При закалке стали ее охлаждают со скоростью больше критической (например, V₇).

Мартенситное превращение проте-кает при непрерывном охлаждении аустенита ниже точки Мн. По достижении определенной температуры превращение аустенита в мартенсит заканчивается. Температура, при которой заканчивается мартенситное превращение, обозначается М_к. Положение температур Mн и М_к опреде-ляется химическим составом стали.

Углерод и легирующие элементы, за исклю-чением кобальта и алюминия, понижают точки М_н и М_к.

Из всех структур мартенсит имеет самую высокую твердость наряду со значительной хрупкостью. Мартенсит имеет пластинчатое строение, но в плоскости микрошлифа пластинки имеют вид игл, поэтому часто мартенсит называют игольчатым.

У многих сталей температура М_к ниже комнатной, поэтому превращение аустенита не заканчивается, если сталь охлаждается только до комнатной температуры. Аустенит, который сохраняется в структуре стали при комнатной температуре наряду с мартенси­том, называют остаточным аустенитом.

Закаленные высоколегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низкоуглеродистые стали почти его не содержат.