2.4 Термическая обработка металлов и сплавов

2.4.1 Общие сведения. Термическая обработка металлов и сплавов заключается в нагревании их до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. В общем случае термическую обработку применяют для получения материала с заданными свойствами путем изменения его структуры. Промежуточная (предварительная) термическая обработка может выполняться также для устранения вредных побочных явлений, вызванных предыдущими процессами при изготовлении деталей; подготовки детали к следующей операции; снижения себестоимости продукции и т. д.

Термическая обработка стали изменяет ее структуру и свойства. В зависимости от требований, предъявляемых к конечному продукту (отливкам, поковкам, прокату и т. д.) применяют различные виды термической обработки металла:

отжиг;	отпуск;
нормализацию;	старение.
закалку;

2.4.2 Превращения в металлах при нагревании и охлаждении.

Нагревание.

Первое превращение при нагревании стали происходит при температуре около 727°С (см. рисунок 2.10, линия РSК) – это превращение феррито-цементитной смеси (перлит) в аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо.

Температура превращения перлит– аустенит (П–А) (первая критическая точка) обозначается Ас₁, (рисунок 2.11). При этой температуре, вследствие аллотропического превращения α-железа в γ-железо, образуется более равновесная, чем перлит, фаза аустенита. В ней растворяется весь находившийся в перлите углерод.

Таким образом, при нагревании стали до температуры, соответствующей точке Ас₁, после определенной выдержки сталь при­обретает равновесный двухфазный состав:

Ф + П → А + Ф, (доэвтектоидная сталь) или

П + Ц → А + Ц (заэвтектоидная сталь)

При этом в феррите содержится около 0,02 %С (точка Р), в аустените – 0,8 %С (точка S), в цементите – 6,67 %С.

При дальнейшем повышении температуры поддержание равновесия между образовавшимися фазами обеспечивается диффузионными изменениями их химического состава. Так, в доэвтектоидных сталях составы феррита и аустенита изменяются соответственно по линиям РG и SG (т. е. в них фактически происходит растворение феррита в аустените).

В заэвтектоидных сталях равновесие между аустенитом и цементитом с ростом температуры поддерживается за счет

растворения цементита в аустените, Рисунок 2.11 Часть диаграммы Fe-C

приводящего к обогащению аустенита

углеродом (вплоть до 2,14% С в точке Е) и уменьшению количества цементита.

На линиях SG и SE находятся критические температуры, при которых сталь приобретает равновесную однофазную структуру аустенита. Точки, лежащие на линии SG, принято обозначать Ас₃, а на линии SE – Ас_т. Превращение перлита в аустенит – кристаллизационный процесс, который протекает в результате образования зародышей аустенита и последующего их роста. При дальнейшем нагревании доэвтектоидных сталей, начиная с температур, соответствующих Ас₃ + (30 – 50)°С, наблюдается заметный рост зерна аустенита, приводящий к снижению прочности термически обработанной стали. В заэвтектоидных сталях это неблагоприятное явление происходит, начиная с температур, соответствующих Ас₁ + (30 – 50)°С.

Охлаждение.

В соответствии с режимом термической обработки после нагревания и выдерж-ки стали при заданной (зависящей от содержания углерода) температуре следует процесс охлаждения аустенита. По достижении определенной температуры (точки на линии SG) аустенит доэвтектоидной стали начнет распадаться (А → Ф + А), и сталь снова будет состоять из двух фаз (Ф + А). Данный процесс протекает равновесно, если их химический состав изменяется соответственно по линиям РG и SG.

Достигаемая при охлаждении критическая температура, соответствующая началу выпадения феррита из аустенита, зависит от содержания в стали углерода.

Когда температура достигнет изотермы РSК, равновесный фазовый состав стали будет представлен ферритом и аустенитом, содержащими соответственно 0,02 и 0,8 %С.

При температуре ниже 727°С аустенит превращается в перлит. Таким образом, при медленном охлаждении, получается исходный структурно-фазовый состав доэвтектоидной стали: Ф + П.

Аустенит заэвтектоидной стали после медленного охлаждения превращается в исходную смесь перлита и цементита (П + Ц).

При этом, начиная с температур, соответствующих линии SЕ, из него будет выделяться избыточный углерод в виде вторичного цементита, а при температуре 727°С сталь приобретает исходную равновесную заэвтектоидную структуру: П + Ц.

Сплав с такой равновесной структурой имеет низкие прочностные свойства. Это обусловлено тем, что при достаточно медленном охлаждении в доэвтектоидной стали формируются довольно крупные зерна избыточного феррита.

Если же сталь быстро переохладить из аустенитного состояния до температуры Аr₁ (то же, что температура Ас₁ при нагревании, т.е. 727°С), то аустенит будет претерпевать превращение. Так, эвтектоидная сталь будет представлена образовани­ем тонкой механической смеси феррита и цементита, т. е. фазы, очень отличающейся по концентрации углерода. При температурах, близких к Аr₁, пластинки из феррита и цементита растут, среднее значение толщины Δ двух смежных пластинок (феррита и цементита) достигнет 0,6 – 1,0мкм. Такую структуру называют пластинчатым перлитом.

При переохлаждении в 100 – 120°С пластинки феррита и цементита увеличатся лишь до толщины в 0,25 – 0,30мкм. Такую структуру называют сорбитом.

Если переохлаждение достигнет 180 – 200°С, рост пластинок остановится в самом начале и составит 0,1–Δ–0,15мкм. Такую структуру называют трооститом.

Таким образом, структуры диффузионной перекристаллизации аустенита – перлит, сорбит и троостит – являются пластинчатыми ферритно-цементитными структурами и различаются лишь по степени дисперсности пластинок.

Механические свойства пластинчатых структур эвтектоидного типа:

	Перлит	Сорбит	Троостит
Δ, мкм	0,6 – 1,0	0,25 – 0,3	0,15 – 0,2
ΗΒ	180 – 250	250 – 350	350 – 450

Пластинчатость уменьшается при переходе от перлита к трооститу.

При большем переохлаждении аустенита (до 240°С и ниже) происходит его бездиффузионный распад, при котором атомы железа из решетки γ перестраиваются в решетку α, а углерод не успевает выделиться и образовать частички цементита. Он остается растворенным в решетке α, образуя пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе, который называют мартенситом. Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость. С увеличением в нем содержания углерода она возрастает. Так, в стали с содержанием углерода 0,6–0,7%, твердость мартенсита в 6 раз больше твердости феррита. В то же время большой удельный объем мартенсита является причиной возникновения при закалке больших внутренних напряжений, которые вызывают деформацию изделия и даже трещины.

Режим термической обработки должен выбираться и с учетом возможности управления прочностью путем регулирования размера зерен – структурных составляющих стали.