2.9. Основные виды термической обработки стали.

Изменяя режим охлаждения нагретой до аустенитного состояния стали, можно в широком диапазоне изменять ее дислокационно-фазовое строение и, таким образом, получать различные комплексы механических и других свойств. На преобразовании фазово-зёренной структуры сталей основаны такие наиболее часто применяемые виды термообработки, как отжиг, нормализация и закалка. Важным видом термообработки, выполняемым после закалки, является отпуск.

2.9.1. Отжиг.

Традиционно сложившееся понятие «отжиг» охватывает несколько отличающихся друг от друга по режиму операций термообработки, объединенных единой целью — привести сталь в термодинамически равновесное состояние с минимальной плотностью дислокаций (10⁶ – 10⁷ см^-2), по возможности низкой твердостью и высокой пластичностью.

Наиболее распространенной разновидностью отжига является обыкновенный отжиг, который производится с целью умягчить сталь перед механической обработкой и подготовить ее структуру к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска. Такому отжигу подвергаются имеющие неблагоприятную грубозернистую структуру литые заготовки, а также заготовки, прошедшие ковку, штамповку и другие виды обработки давлением, также нуждающиеся в изменении структуры.

В ряде случаев, когда получающиеся после отжига свойства обеспечивают долголетнюю службу детали, он оказывается окончательным видом термообработки.

Отжиг стали – метод термической обработки стали при котором сталь нагревают до температуры на 30 – 50°C выше линии GSK диаграммы состояния системы железо – цементит, выдерживается при этой температуре до полного завершения структурно-фазовых превращений и охлаждается со скоростью менее 100°C/ч (рис. 2.11).

Заэвтектоидную сталь при отжиге нельзя нагревать выше точки Асm (линия SE), так как образующаяся при очень медленном охлаждении вокруг зерен перлита цементитная сетка затрудняет механическую обработку заготовки резанием и охрупчивает сталь. Умягчению стали при отжиге способствует очень малая плотность дислокаций.

Диффузионный отжиг, или гомогенизация, является разновидностью отжига, применяемого с целью устранения в легированной стали (как и в других сплавах) дендритной ликвации.

При диффузионном отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревают до 1000 – 1100°C и подвергают длительной выдержке (18–24 ч). Для устранения крупнозернистости после гомогенизации производится обыкновенный отжиг, или нормализация.

Рис. 2.11. Температура нагрева стали при видах термообработки: отжиг, нормализация, закалка, в зависимости от содержания углерода.

Рекристаллизационный отжиг. Этот вид отжига производится с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла. Наклепанный металл очень тверд и хрупок, поскольку его кристаллическая решетка вследствие высокой плотности дислокаций и наличия большого числа других дефектов (вакансий, перемещенных в междоузлия атомов), а также из-за искажений и больших внутренних напряжений находится в неравновесном состоянии, обладая большим запасом избыточной свободной энергии. В сильно наклепанном металле из-за слияния дислокаций в местах их скопления наблюдаются опасные дефекты – зародыши трещин.

В ряде случаев наклеп необходимо устранять. Для этого требуется нагрев, стимулирующий диффузионные процессы. От наклепа можно избавиться, применяя обыкновенный отжиг. Однако рекристаллизационный отжиг из-за значительно более низкой температуры и намного меньшей продолжительности его проведения при практически одинаковых результатах более предпочтителен.

Температура нагрева при этом виде отжига выбирается на 150 – 250°С выше температуры рекристаллизации (Т_Р) обрабатываемого сплава. Это наименьшая температура, необходимая для протекания в наклепанном металле процессов, возвращающих ему исходные (до деформации) значения характеристик механических и других свойств.

Температура рекристаллизации зависит от состава сплава и связана с температурой его плавления уравнением T_P= αТ_ПЛ (где Т_ПЛ выражена в K; α – коэффициент, зависящий от природы сплава). Для углеродистых сталей и не сложных по составу сплавов он составляет 0,4, а у легированных сталей и сложных сплавов твердых растворов достигает 0,6 - 0,8.

Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали производится при температуре нагрева в пределах 600 – 700 °С.

Во время нагрева и выдержки в холоднодеформированном металле происходят рекристаллизационные процессы, суть которых сводится к таким следующим друг за другом по мере нагрева и выдержки явлениям, как аннигиляция (самоликвидация) противоположных по знаку дислокаций, выстраивание дислокационных стенок (из леса дислокаций) и, наконец, зарождение и рост новых равновесных зерен. Причем если первые два явления происходят при Т< Т_Р, то зарождение новых зерен происходит только при T > Т_Р.

Заметное укрупнение рекристаллизованных зерен за счет поглощения более крупными зернами соседних мелких (собирательная рекристаллизация) происходит по окончании процесса формирования новых зерен из материала разрушенных старых. Для этого требуются продолжительные выдержки при повышенных температурах.

В рекристаллизованном металле плотность дислокаций составляет 10⁷см^-2, поэтому он имеет низкие прочностные характеристики и высокую пластичность.

Наклеп необходимо устранять после холодной обработки металла давлением, производимой при T < T_p (ковка, штамповка, тонколистовая прокатка и в других случаях).

Отжиг рекресталлизационный – метод термической обработки холоднодеформированного металла с высокой плотностью дислокаций и других видов дефектов кристаллической структуры, при температурах, определяемых по уравнению T_Р= αТ_ПЛ (α – для углеродистых сталей 0,4, температура отжига 600 – 700 °C, для легированных сталей 0,6 - 0,8) в процессе которого и прежних зёрен с высокой плотностью дефектов происходит рост новых преимущественно равноосных зёрен.