III. Термическая обработка

3.1 Основы термической обработки стали

Термическая обработка заключается в нагреве изделий и заготовок до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью с целью изменения структуры и прочностных и эксплуатационных свойств стали. Основные факторы воздействия при термической обработке – температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах температура – время (рис.3.1).

Рис. 3.1 График режима простой термической обработки:

t_max - температура нагрева, т.е. максимальная температура, до которой был нагрет сплав при термической обработке, τ_н – время нагрева, τ_в - время выдержки сплава при температуре нагрева, τ_о – время охлаждения.

Основные виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и старение.

Основой для выбора видов и режимов термической обработки сталей является часть диаграммы Fe-Fe₃C с содержанием углерода до 2,14 % и расположенная ниже линии солидус (рис.3.1). На этом рисунке показаны температурные области нагрева заготовок при различных видах термической обработки сталей.

Рис. 3.2 Фрагмент диаграммы Fe-Fe₃C и температурные области нагрева при термической обработке стали.

Критические точки - температуры фазовых превращений при термической обработке сталей – определяются линиями PSK, GS и SE диаграммы состояния Fe-Fe₃C.

Нижняя критическая точка А₁ при температуре PSK соответствует превращению аустенита в перлит.

Верхняя критическая точка А₃ по линии GS соответствует началу выделения феррита из аустенита (при охлаждении) или концу превращения феррита в аустенит (при нагреве).

Критической точкой Аст по линии SE соответствует температуре выделения вторичного цементита из аустенита.

При охлаждении рядом с буквой А ставят букву « r » , а при нагреве букву « с ».

При термической обработке стали происходят 4 основных превращения:

1. Перлита в аустенит выше точки А₁:

Fe_α + Fe₃C→Fe_γ (C), или П→А;

2. Аустенита в перлит ниже точки А₁:

Fe_γ (C) →Fe_α + Fe₃C, или А→П;

3. Аустенита в мартенсит при температурах ниже температуры метастабильного равновесия фаз:

Fe_γ (C) →Fe_α(С), или А→М;

4. Мартенсита в перлит:

Fe_α(С) →Fe_α + Fe₃C, или М→П.

3.1.1 Превращение перлита в аустенит и рост зерна аустенита при нагреве.

При нагреве стали выше Ас₁ происходит превращение перлита в аустенит.

Кристаллы аустенита зарождаются на поверхностях раздела феррита с цементитом, при этом в аустените растворяется углерод распадающегося цементита (напомнить, что цементит Fe₃C содержит 6,67 % С, а аустенит имеет максимальное содержание углерода 2,14% при температуре 1147⁰С).

Превращение перлита в аустенит состоит из 2-х параллельно идущих процессов:

1. Полиморфный переход образования из объемно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решетки Fe_α в гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку Fe_γ;

2. Растворение в ГЦК решетке Fe_γ распадающихся кристаллов цементита.

Первый процесс идет быстрее, поэтому после превращения ОЦК в ГЦК аустенит имеет неоднородность по углероду, для устранения которой необходимо время (выдержка).

Для определения времени превращения используется диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит (рис.3.3,а).

Рис. 3.3 Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит в эвтектоидной стали (а) и схема зарождения и роста кристаллов аустенита (б)

Диаграмма строится следующим образом: сталь очень быстро (!!!) нагревается до определенной температуры – например, до t=740⁰C и далее засекается время начала превращения П в А и время конца превращения П в А. Эти две точки (а именно: t=740⁰C, время равно 2,5 мин и t=740⁰C, время равно 12 мин) проставляются на диаграмме изотермического (т.е. происходящего при t=const, в данном случае t=740⁰C=const) превращения перлита в аустенит. Далее сталь очень быстро (!!!) нагревается до другой определенной температуры – например, до t=750⁰C и засекается время начала превращения П в А (τ=1,8 мин) и время конца превращения П в А(τ=6 мин). Эти две точки - t=750⁰C, τ=1,8 мин и t=750⁰C, τ=6 мин проставляются на диаграмме изотермического (т.е. происходящего при t=750⁰C=const) превращения перлита в аустенит. Далее сталь опять очень быстро (!!!) нагревается до другой определенной температуры – например, до t=760⁰C и засекается время начала превращения П в А (1,5мин) и время конца превращения П в А (4 мин). Эти две точки (t=750⁰C, τ=1,5 мин и t=760⁰C, τ=4 мин) проставляются на диаграмме. Полученные точки соединяют плавными кривыми и получается диаграмма на которой изображены кривая начала изотермического превращения П в А и кривая конца изотермического превращения П в А.

Лучи на диаграмме соответствуют нагреву с различными скоростями V. Из диаграммы видно, что V₁<V₂<V₃ , т.к. для нагрева стали до, например, температуры t=740⁰C по лучу V₁ требуется 12 мин, по лучу V₂ - 4,8 мин, по лучу V₃ - 1,7 мин. Из диаграммы также следует, что чем меньше скорость нагрева V, тем больше времени требуется на полной превращение перлита в аустенит (например, при малой скорости V₁ длина отрезка времени а₁b₁=12-6=6 мин (т.е. проекции а₁b₁ на ось времени τ), при средней скорости V₂ длина отрезка времени а₂b₂=7-3=4 мин, при большой скорости V₃ длина отрезка времени а₃b₃=3,5-2=1,5мин). То есть расположение кривых показывает, что чем выше температура, тем быстрее (т. е. за меньший отрезок времени) протекает превращение П в А (расстояние по горизонтали между кривыми уменьшается по мере увеличения температуры) и что чем быстрее осуществляется нагрев, тем при более высокой температуре происходит это превращение (температуры а₁>а₂>а₃ и b₁>b₂>b₃).

В стали эвтектоидного состава (0,8% C) перекристаллизация заканчивается после завершения превращения перлита в аустенит. В до- и заэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит в структуре сохраняются соответственно феррит и цементит. В доэвтектоидных сталях при нагреве от Ас₁ до Ас₃ происходит превращение феррита в аустенит, а в заэвтектоидных при нагреве от от Ас₁ до Ас_ст – растворение вторичного цементита в аустените.

При нагреве выше Ас₁ из перлита образуются мелкие зерна аустенита – начальные зерна (рис. 3.4). При повышении температуры происходит процесс собирательной рекристаллизации, что приводит к росту зерна аустенита. Скорость роста у разных сталей неодинакова. С учетом скорости роста различают:

1. Наследственно крупнозернистые – раскисленные ферросилицием и ферромарганцем (при температуре выше Ас₃ и Ас_ст зерна быстро укрупняются);

2. Наследственно мелкозернистые – раскисленные алюминием или легированные титаном, вольфрамом и ванадием (зерна растут с малой скоростью, т.к. оксиды и нитриды алюминия, титана, ванадия располагаются в виде мелких включений по границам зерен и механически препятствуют их росту при нагреве).

Рис.3.4 Схема наследственной зернистости и влияние температуры нагрева на величину зерна аустенита:

а – начальное зерно аустенита; б – наследственно крупнозернистая сталь; в – наследственно мелкозернистая сталь

При нагреве до определенной температуры зерно аустенита принимает действительный размер. Если действительный размер зерна большой, то и после охлаждения (!!!!!!!) продукты распада аустенита получаются большими (крупнозернистый сплав), а если действительный размер мелкий, то и после охлаждения получается мелкозернистый сплав.

Размер действительного аустенитного зерна определяют с помощью специальных металлографических микроскопов (с нагревательной вакуумной камерой, т.к. аустенит существует только при температуре выше 727⁰С), сравнивая его с эталоном по балльной шкале (ГОСТ 5639-82). Стали с зерном 1…5 баллов - крупнозернистые, 6…15 – мелкозернистые. (рис. 3.5 - воткнуть рис.111 из Материаловедения Лахтина). Размер действительного зерна оказывает огромное влияние на прочностные, технологические и эксплуатационные свойства стали.