1.4. Термическая обработка стали

Термическая обработка проводится путем теплового воздействия на сталь с целью изменения ее структуры и свойств.

Теория термической обработки стали позволяет изучить превращения в стали при нагреве и охлаждении. Нагрев при термической обработке проводится выше критических точек с образованием аустенита. Исходной структурой чаще всего является смесь феррита и цементита. Переход перлита в аустенит при нагреве выше A_С1(PSK) состоит из двух процессов: полиморфного превращения α железа → γ железо и растворения в γ Fe углерода цементита.

В доэвтектоидных сталях выше линии A_С1 структура состоит из аустенита и феррита, а в заэвтектоидных – из аустенита и цементита. По мере нагрева до температуры точки A_с3(GS) происходит постепенное растворение феррита в аустените в доэвтектоидной стали, а в заэвтектоидной при нагреве до А_Сm(SE) – растворение цементита в аустените.

Выше температуры A_С3 и А_Сm образуется однофазная структура аустенита. Размер зерна аустенита – важнейшая структурная характеристика стали, определяющая механические свойства. Необходимо, чтобы при нагреве и выдержке стали при термической обработке зерно аустенита оставалось мелким, т.к. крупнозернистый аустенит дает крупные продукты распада, снижающие механические свойства стали.

Связь между температурными условиями превращения, интенсивностью распада переохлажденного аустенита и строением продуктов превращения начните с изучения диаграммы изотермического превращения аустенита, которая построена в координатах температура – логарифм времени для эвтектоидной стали У8. Внимательно изучите превращения в стали, протекающие при непрерывном охлаждении стали с различными скоростями охлаждения.

При скорости охлаждения стали, обеспечивающей полное протекание диффузионных процессов, в структуре эвтектоидной стали согласно диаграмме железо – цементит образуется перлит.

Согласно диаграмме изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (С-образная диаграмма), различают три температурные области превращения: перлитную (переохлаждение до температуры 500С), мартенситную (переохлаждение ниже М_н – температуры начала мартенситного превращения) и промежуточного превращения (переохлаждение эвтектоидной стали в интервале температур от 500 – М_н(240С). При диффузионном перлитном превращении аустенита образуются: при температуре 650…700С – перлит, при 600…650С – сорбит, а при 550…600С – троостит. Продукты превращения перлитной области представляют механическую смесь феррита и цементита, отличающиеся степенью дисперсности.

Мартенситное превращение аустенита – это бездиффузионное превращение, при котором меняется тип решетки γ→α, а весь углерод, ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита. В результате образуется мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в αFe с тетрагональной кристаллической решеткой и высокой твердостью HRC 64. При рассмотрении этого превращения обратите внимание на особенности образования мартенсита.

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита протекает в области между перлитным и мартенситным. В результате образуется бейнит – смесь α-фазы(феррита) и карбида. Кристаллы α-фазы растут сравнительно медленно, что связано с диффузионным отводом атомов углерода из аустенита, т.к. в промежуточной области α-фаза может образоваться из γ-фазы, обедненной углеродом. Карбид в бейните не имеет пластинчатого строения, свойственного перлиту. Различают верхний бейнит (образующийся выше 350С), имеющий перистое строение, и нижний – игольчатое строение (образующийся ниже 350С). Карбидная фаза в верхнем бейните – цементит, а в нижнем – ε-карбид (как при отпуске стали). Нижний бейнит имеет высокую прочность и пластичность, по сравнению с верхним, т.к. в нем частицы карбидов расположены внутри кристаллов α-фазы.

При непрерывном охлаждении аустенита с повышением скорости охлаждения понижается степень переохлаждения аустенита, и, соответственно, дисперснее образуется ферритно-цементитная структура. При скоростях охлаждения v₁<v₂<v₃ (приложение 1, рис. 2), образуется, соответственно, перлит, затем сорбит, затем троостит. Бейнитная структура при непрерывном охлаждении углеродистой стали обычно не образуется. При скоростях v>v_кр (минимальная скорость охлаждения, при которой основная часть аустенита, переохлажденного до М_н), аустенит превращается в мартенсит.

Рассмотрев диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита (С-образную диаграмму), для стали У8 (приложение 1, рис. 2.) приведите ее в контрольной работе и опишите линии диаграммы. Например, по заданию требуется нанести кривую режима изотермического превращения аустенита для получения твердости НВ 2500. Такая твердость соответствует образованию структуры сорбит (механическая смесь феррита и цементита). Отмечаем на линии начала распада переохлажденного аустенита т. 1 (температуру начала распада аустенита), а на линии конца распада аустенита отмечаем т. 2 и проводим через эти точки скорость v₂. Охлаждение со скоростью v₂ позволит получить в структуре стали необходимую твердость.

Изучите влияние легирующих элементов на кинетику и характер превращения аустенита в перлитной, промежуточной, мартенситной областях. Легирующие элементы замедляют распад мартенсита при отпуске, замедляют процесс образования и рост карбидных частиц. Наиболее сильно тормозят распад мартенсита хром, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, кремний.

Технология термической обработки включает отжиг, нормализацию, закалку и отпуск стали. Студент должен знать цель каждого вида термической обработки, его технологию, физико-химическую сущность протекающих превращений, структуру и свойства стали, виды дефектов при термической обработке.

Отжиг стали проводится для получения однородной, равновесной, менее твердой структуры, свободной от остаточных напряжений. Поэтому после нагрева и выдержки детали охлаждаются медленно (в печи). Структуре доэвтектоидной стали после отжига феррит и перлит, эвтектоидной – перлит, заэвтектоидной – перлит и цементит. Обратите внимание на назначение различных видов отжига и свойства стали, получаемые после отжига.

Нормализация или нормализационный отжиг проводится чаще всего как промежуточная операция для смягчения стали перед обработкой резанием, улучшения структуры стали перед закалкой для низкоуглеродистых сталей, но нельзя использовать для смягчения высокоуглеродистых сталей, которые упрочняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита. При нормализации после нагрева и выдержки детали охлаждаются на спокойном или движущемся воздухе. Поэтому структура более мелкая – сорбит, и более мелкое эвтектоидное зерно. В результате прочность и твердость выше, чем при отжиге.

Обратите внимание на применение нормализации для заэвтектоидных сталей, а также применение нормализации как окончательной термической обработки средне- и высокоуглеродистых доэвтектоидных сталей, если для них необязательна закалка с высоким отпуском.

Закалка проводится с целью получения структур, обеспечивающих более высокую твердость и прочность. После нагрева и выдержки стальные изделия охлаждаются быстро в воде, масле, растворах солей или щелочей, полимерных закалочных средах для получения мартенситной структуры. Обратите внимание на прокаливаемость стали и факторы, обеспечивающие сквозную прокаливаемость.

Отпуск состоит в нагреве стали после закалки до температуры ниже А_С1 с последующим охлаждением. При отпуске снижаются закалочные напряжения, повышаются пределы прочности, упругости и выносливости. Обратите внимание на назначение отпуска.

Ознакомьтесь с различными видами поверхностной закалки: закалка с нагревом токами высокой частоты, газопламенная, лазерная и др.