2. Виды термической обработки стали

Различают три основных вида термической обработки металлов: собственно термическую обработку, химико-термическую и термо­механическую обработки. Собственно термическая обработка пре­дусматривает только температурное воздействие на металл. При химико-термической обработке (ХТО) в результате взаимодействия с окружающей средой при нагреве меняется состав поверхностного слоя металла и происходит его насыщение различными химиче­скими элементами. Термомеханическая обработка (ТМО) преду­сматривает изменение структуры металла за счет как термического, так и деформационного воздействия. При ТМО наклеп оказывает влияние на кинетику фазовых и структурных превращений, со­провождающих термообработку. Собственно термическая обработ­ка включает в себя отжиг, нормализацию, закалку, отпуск и ста­рение.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздей­ствий в неравновесном состоянии и приводящая его в более равно­весное, называется отжигом. Охлаждение после отжига выше критических точек производится с печью.

Нагрев при отжиге может производиться ниже или выше тем­ператур фазовых превращений в зависимости от целей отжига.

Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производится с целью приведения его в устойчивое состояние за счет снятия на­пряжений, уменьшения искажений кристаллической решетки, диффузии атомов, рекристаллизации, называется отжигом пер­вого рода, так как отжиг этого типа не связан с превращениями в твердом состоянии, он возможен для любых металлов и спла­вов.

Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом второго рода или перекристаллизацией.

Если после нагрева выше температур фазовых превращений охлаждение ведется не в печи, а на воздухе, имеет место нормализа­ция, являющаяся переходной ступенью от отжига к закалке.

Различают два вида закалки: с полиморфным превращением и без него.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве выше тем­ператур фазовых превращений с последующим быстрым охлажде­нием для получения структурно неравновесного состояния, назы­вается закалкой с полиморфным превращением. Этот вид закалки характерен для сплавов железа с углеродом. После закалки в сплаве сохраняется структура пересыщенного твердого раствора или структура, состоящая из продуктов превращения твердого раствора разной степени дисперсности.

При медленном охлаждении стали при прохождении критиче­ской точки А_r1 аустенит распадается на ферритно-цементитную смесь: А → Ф + Ц. С ростом скорости охлаждения превращение происходит при все более низких температурах. При достаточно большой скорости охлаждения распад аустенита может не про­изойти и аустенит, т. е. твердый раствор углерода в Fе_у, превра­тится в мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в Fе_α.

Состояние закаленного сплава характеризуется особой неустой­чивостью. Процессы, приближающие его к равновесному состоя­нию, могут идти даже при комнатной температуре и резко уско­ряются при нагреве.

Термическая обработки, представляющая нагрев закаленного сплава ниже температур фазовых превращений (ниже Ас₁) для приближения его к структуре более устойчивому состоянию, на­зывается отпуском.

Закалка без полиморфного превращения состоит из нагрева до температур растворения избыточной фазы и получения однород­ного твердого раствора с быстрым охлаждением для фиксации пере­сыщенного твердого раствора и получения структурно неустой­чивого состояния.

Между отпуском и отжигом 1 рода много общего. Разница в том, что отпуск — всегда вторичная операция после закалки.

Самопроизвольный отпуск, происходящий после закалки без полиморфного превращения, в результате длительной выдержки при комнатной температуре, или отпуск при сравнительно не­большом подогреве называется старением, Старение также при­ближает состояние сплава к более устойчивому,

Принято различать первичную и вторичную термическую обра­ботку. Целью первичной термической обработки, чаще всего от­жига или нормализации, является подготовка структуры сплава к последующим операциям пластической, механической и оконча­тельной термической обработки- Назначением вторичной терми­ческой обработки является получение окончательной структуры и необходимых физико-механических свойств сплава.

Основными структурами стали, переход которых из одной в дру­гую характеризует основные превращения, являются:

1. Аустенит А — твердый раствор углерода в γ-железе Fе_γ (С).

2. Мартенсит М — пересыщенный твердый раствор углерода вα-железе Fе_α (С).

3. Перлит П — эвтектоидная смесь феррита и цементита Fе_α + Fе₃С.

При термической обработке стали различают четыре основные превращения:

1. Превращение при нагреве перлита в аустенит П → А или Fеα + Fе₃С → Ре, (С).

2. Превращение при охлаждении аустенита в перлит А → П или Fеγ (С) → Fе_α + Fе₃С.

3. Превращение при охлаждении аустенита в мартенсит А → М или Fе_γ (С) → Fе_α (С).

4. Превращение мартенсита в перлитные структуры М → П или Fе_α (С) → Fе_α + Fе₃С.