Основные виды термической обработки стали и сплавов. Четыре основных превращения в стали. Фазовые превращения в системе железо – углерод в координатах состав – температура.
Согласно классификации А.А. Бочвара комиссией по стандартизации были разработаны классификация видов и разновидностей термической обработки сталей и сплавов цветных металлов, а также соответствующая терминология.
Термическая обработка (ТО) подразделяется на:
1) собственно термическую;
2) термомеханическую (ТМО);
3) химико-термическую ((ХТО).
Собственно термическая обработка заключается только в термическом воздействии на металл или сплав; термомеханическая - в сочетании термического воздействия и пластической деформации; химико-термическая - в сочетании термического и химического воздействия.
Собственно термическая обработка металлов и сплавов включает в себя: отжиг 1 и 2 родов, закалку с полиморфным превращением, закалку без полиморфного превращения, закалку с плавлением поверхности, отпуск и старение.
Отжиг I рода. Отжиг 1 рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, возникшие при предыдущей обработке, причем его проведение не обусловлено фазовыми превращениями. Обработкой, предшествующей отжигу 1 рода могут быть литье, обработка давлением, сварка, термическая обработка и другие технологические процессы.
Отжиг 1 рода подразделяется на :
- гомогенизационный отжиг (диффузионный);
- дорекристаллизационный отжиг;
- рекристаллизационный отжиг;
- отжиг, уменьшающий напряжения.
Гомогенизационный отжиг (диффузионный) - это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации.
В результате дендритной ликвации возникает химическая неоднородность внутри кристаллов твердого раствора - и могут появиться неравновесные избыточные фазы.
Диффузионному отжигу (гомогенизации) подвергают слитки легированных сталей и слитки алюминиевых сплавов, а также отливки. В стальных слитках в результате диффузии достигается более равномерное распределение фосфора, углерода и легирующих элементов в объеме зерен твердого раствора. Диффузионный отжиг стальных слитков проводят при температуре 1100 - 1300 о С с выдержкой 20-50 часов. Для алюминиевых сплавов - при температуре 420- 520 о С с выдержкой 2- - 30 часов.
Рекристаллизационный и дорекристаллизационный отжиг
Дорекристаллизационный отжиг - это термическая обработка деформированного металла или сплава, при котором главным процессом является возврат.
Возвратом называют совокупность самопроизвольных процессов изменения плотности и распределения дефектов в деформированных кристаллах в результате перемещения точечных и линейных дефектов.
Возврат протекает в две стадии: низкотемпературную называют возвратом первого рода или отдыхом, высокотемпературную -возвратом второго рода или полигонизацией. При отдыхе уменьшается количество точечных дефектов (вакансий); отдых никаких изменений в структуре не вызывает: снимается часть внутренних остаточных напряжений, устраняются искажения кристаллической решетки.
При нагреве до более высокой температуры в деформированном металле происходят резкие изменения структуры и свойств вследствие рекристаллизации.
Рекристаллизационный отжиг - это термическая обработка деформированного металла или сплава, при которой главным процессом является рекристаллизация.
При пластической деформации кристаллические решетки зерен приобретают преимущественную пространственную ориентацию -возникает текстура деформации ( кристаллиты вытягиваются в направлении главной деформации растяжения; структура становится волокнистой).
Рекристаллизация - это процесс возникновения и роста новых недеформированных зерен.
Температура рекристаллизации является границей между холодной и горячей пластической деформацией.
Для углеродистых сталей с 0,08 - 0,2 % С, чаще подвергаемых холодной деформации (прокатке, штамповке, волочению) температура отжига находится в интервале 680 - 700 оС. Отжиг калиброванных прутков из высокоуглеродистой легированной стали проводят при температуре 680 - 740 о С в течение 0,5 - 1,5 ч.
Высокий отпуск (для уменьшения твердости) После горячей механической обработки сталь чаще имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру, поэтому не требует фазовой перекристаллизации (отжига), но имеет высокую твердость.
Для снижения твердости сортовой прокат подвергают высокому отпуску при 650 - 700 о С в течение 3-15 ч и последующему охлаждению перед обработкой резанием, холодной высадки или волочением. Высокий отпуск снижает твердость до требуемых значений. Для высоколегированных сталей высокий отпуск является единственной термической обработкой, позволяющей снизить твердость.
Отжиг для снятия остаточных напряжений Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием, в которых из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации возникли остаточные напряжения. Остаточные напряжения могут вызывать изменение размеров, коробление и поводку изделий в процессе его обработки, эксплуатации или хранения. Отжиг стальных изделий для снятия остаточных напряжений проводят при температуре 160 - 700 оС с последующим медленным охлаждением. Отжиг для снятия сварных напряжений проводится при 650 - 700 оС.
Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация). Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас1 или АсЗ, выдержке и, как правило, последующем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения протекают фазовые превращения (превращения), определяющие структуру и свойства стали. После отжига углеродистой стали получаются структуры (рисунок 11.1), указанные на диаграмме состояния железо-цементит; феррит + перлит в доэвтектоидной стали; перлит в эвтектоидной стали; перлит + цементит в заэвтектоидной стали. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности. В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой; отжигу подвергают трубы, отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат, горячекатанные листы.
Понижая прочность и твердость, отжиг облегчает обработку резанием; измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости.
1 - охлаждение при отжиге; 2 - охлаждение при нормализации
Рисунок 11.1. Схема полного отжига (а) и изотермическая диаграмма распада аустенита (б) углеродистой стали
Различают следующие виды отжига II рода: полный, изотермический и неполный.
Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали выше АсЗ на 30 - 50 оС, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.
При нагреве до температуры выше точки АсЗ на 30 - 50 оС образуется аустенит (твердый раствор внедрения атомов углерода в g-Fe, имеющий решетку г.ц.к.), характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность.
Чрезмерное повышение температуры нагрева выше критической точки вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает механические свойства стали. Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, и, следовательно, от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение. Легированные стали охлаждаются значительно медленнее (40 - 60 оС/ч), чем углеродистые (100 - 150 оС/ч). Полному отжигу подвергают сортовой прокат из стали с 0,3 - 0,4 % С, поковки и фасонные отливки.
Изотермический отжиг состоит в нагреве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравнительно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки Ас1 (660 - 680 оС). При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3 - б часов, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.
Преимущество изотермического отжига в сокращении длительности процесса, а также в получении более однородной феррито-перлитной структуры.
Изотермическому отжигу чаще подвергают поковки (штампованные заготовки) и сортовой прокат из легированной цементуемой стали небольших размеров. Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки Ас1). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения обрабатываемости резанием; при неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация феррита (твердый раствор внедрения атомов углерода в α-железо, имеет решетку о.ц.к.).
Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Для конструкционных сталей такой вид отжига проводится при температуре 750 - 770 оС с последующим охлаждением со скоростью 30 - 60 оС/ч. Неполный отжиг широко применяют для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей, позволяет получать зернистую (сфероидальную) форму перлита вместо пластинчатой.
Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий интервал температур нагрева (750 - 760 оС) для отжига на зернистый перлит, для заэвтектоидных сталей интервал расширяется до 770 - 790 оС. Охлаждение при сфероидизации медленное. Оно должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную смесь. Отжигу на зернистый перлит подвергают тонкие листы и прутки из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой и волочением для повышения пластичности.
Отжиг нормализационный (нормализация) заключается в нагреве доэвтектоидной стали выше точки АсЗ, заэвтектоидной выше точки Асm на 30 - 50 оС, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию часто применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.
Закалка стали. Закалка - термическая операция, заключающаяся в нагреве доэвтектоидной стали выше точки АсЗ, заэвтектоидной стали выше точки Ас1 выше на 30 - 50 оС, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении со скоростью выше критической. Критическая скорость закалки - скорость при которой весь аустенит превращается в мартенсит без продуктов эвтектоидного распада. Структура доэвтектоидной стали после закалки - мартенсит + остаточный аустенит, заэвтектоидной - мартенсит + цементит. Мартенсит - это пересыщенный твердый раствор внедрения атомов углерода в α-железо. Имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Закалка не является окончательной термической обработкой; чтобы уменьшить закалочные напряжения сталь после закалки подвергают отпуску. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в железе при комнатной температуре не превышает 0,025 %, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как и в исходном аустените, т.е. 2,14 %.
Атомы углерода занимают октаэдрические поры вдоль оси в решетке α-железа (мартенсита) и сильно ее искажают. Мартенсит имеет тетрагональную решетку, в которой один период «с» больше другого - «а». При увеличении содержания углерода высота тетрагональной призмы «с» увеличивается, а размеры ее основания уменьшаются. Чем больше углерода в мартенсите, тем больше отношение с/а, т.е. больше тетрагональность решетки.
Отношение с/а = 1 + 0,046С, где С - концентрация углерода в аустените. Мартенситное превращение происходит только в том случае, если аустенит быстрым охлаждением переохлажден до низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными. Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер, т.е. оно не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода и железа в решетке мартенсита. Мартенситное превращение осуществляется сдвиговым механизмом и не сопровождается изменением состава твердого раствора. В процессе роста превращения увеличиваются упругие напряжения, что приводит в конечном итоге к пластической деформации и образованию межфазной границы с неупорядоченным расположением атомов. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры Мн. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение практически остановится. Эта особенность резко отличает его от диффузионного перлитного превращения, которое полностью протекает в изотермических условиях при температуре ниже точки Ас1. Чем ниже температура, тем больше образуется мартенсита. Кристаллы мартенсита в зависимости от состава стали, а, следовательно, и от температуры своего образования могут иметь различные морфологию и субструктуру.
|
Различают два типа мартенсита - пластинчатый и реечный. Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, характеризующихся низкой температурой мартенситной точки. В закаленных сталях, содержащих выше 0,4-0,5 % углерода, присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов и чем ниже температура точек Мк и Мн. Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением содержания углерода; однако,
|
а - схема закалки; б - изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита; А - аустенит; Б - бейнит; Ф - феррит; М - мартенсит Рисунок 11.2. Схема закалки доэвтектоидной стали
|
с повышением содержания углерода, повышается и его склонность к хрупкому разрушению. Мартенсит имеет наибольший удельный объем по сравнению с аустенитом. Увеличение удельного объема мартенсита является одной из причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, что вызывает деформацию изделий и появление трещин.
Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки. Определяется содержанием в стали углерода.
Под прокаливаемостью стали понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троосто-мартенситной структурой и высокой твердостью на определенную глубину. Прокаливаемость стали тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т.е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита.
Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита и не должно вызывать закалочных дефектов. Чаще для закалки используют кипящие жидкости - воду, водные растворы щелочей и солей, масла. При закалке в этих средах различают три периода:
- пленочное кипение - когда на поверхности стали образуется паровая рубашка, скорость охлаждения сравнительно невысока;
- пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки;
- конвективный теплообмен.
Способы закалки. Наиболее широко применяют закалку в одном охладителе. Такую закалку называют непрерывной.
Прерывистая закалка (в двух средах). Сначала охлаждают до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (Мн), а затем переносят в масло или на воздух.
Закалка с самоотпуском. Охлаждение изделия в закалочной среде прерывают (тем самым в сердцевине изделия сохраняется некоторое количество теплоты). Температура в поверхностных слоях увеличивается и сравнивается с температурой сердцевины. Применяют для зубил, слесарных молотков, инструментов, сочетающих высокую твердость на поверхности с повышенной вязкостью в сердцевине.
Ступенчатая закалка. Сталь охлаждают в воде (180 - 250 оС), выдерживают в ней короткое время, затем охлаждают на воздухе. Применяют для инструмента из углеродистых сталей диаметром не более 8 - 10 мм.
Изотермическая закалка почти такая же, как ступенчатая, но дается более длительная выдержка выше точки начала мартенситного превращения (Мн). В качестве охлаждающей Среды при ступенчатой и изотермической закалке применяют расплавленные соли в интервале температур 150 - 500 оС (55 % KN03 + 45 % NaNО2), а также расплавленные щелочи (20 % NaOH + 80 % КОН). Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше скорость охлаждения. Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали нагревались в расплавленных солях, не вызывающих окисления, позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Такую закалку называют светлой.
Обработка холодом. В закаленной стали с содержанием углерода более 0,4 - 0,5 % всегда содержится остаточный аустенит. Аустенит понижает твердость, износостойкость и нередко приводит к изменению размеров детали, работающей при низких температурах, в результате самопроизвольного перехода его в мартенсит.
Для уменьшения количества остаточного аустенита применяют обработку холодом (-30 - -70 оС), затем выполняют отпуск. Обработку холодом используют для измерительного инструмента, пружин и деталей из цементуемых высоколегируемых сталей, сохраняющих в своей структуре много остаточного аустенита.
Отпуск стали. Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь приобретает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжение, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска.
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при нагреве до 250 оС. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,6 - 1,3 % С) после низкого отпуска сохраняет твердость 58-63 HRC, а, следовательно, высокую износостойкость. Этому виду отпуска подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно составляет 1 - 2,5 ч.
Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350 500 оС и применяют главным образом для рессор и пружин, а также для штампов. Средний отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали после среднего отпуска - троостит отпуска или троосто-мартенсит; твердость стали 40 - 50 HRC. Охлаждение после этого вида отпуска следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.
Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500 -680 оС. Структура стали после высокого отпуска на сорбит отпуска. Высокий отпуск дает наилучшее сочетание прочности и вязкости стали. Закалка с высоким отпуском (улучшение) повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость.
Старение стали. Старением называют изменение свойств сплавов с течением времени.
В результате старения изменяются физико-механические свойства- прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость понижаются. Старение может происходить при температуре 20 оС (естественное старение) или при нагреве до невысоких температур (искусственное старение). Различают два вида старения: термическое, протекающее в закаленных сплавах, и деформационное (механическое), происходящее в сплавах, пластически деформированных ниже температуры рекристаллизации.
Термическому старению подвергают сплавы, компоненты которых обладают ограниченной переменной растворимостью в твердом состоянии. Деформационное старение не связано с диаграммой состояния сплава. К старению склонны многие сплавы железа и сплавы цветных металлов. Результаты старения могут быть разными. В одних случаях старение является положительным и его используют при термической обработке алюминиевых, титановых, магниевых сплавов для повышения их прочности и твердости (термическое старение); для упрочнения деталей из пружинных сталей, которые при эксплуатации должны обладать высокими упругими, прочностными и усталостными свойствами (деформационное старение). В других случаях старение является отрицательным: резко снижается ударная вязкость и повышается порог хладноломкости, ухудшается штампуемость листовой стали, изменяются размеры закаленных деталей и инструмента, что особенно вредно для точного измерительного инструмента и прецизионных деталей.
Фазы в системе Fе—Fе3С. Согласно диаграмме состояния Fе—Fе3С в железоуглеродистых сплавах образуются следующие фазы: жидкий раствор (расплав) углерода в железе (ж. с.), феррит, аустенит, цементит. Феррит — твердый раствор внедрения атомов углерода в a-железе. Феррит получил название от латинского Fеrrum — железо. По свойствам феррит cходен с железом. Кристаллическая решетка феррита — объемноцентрированный куб. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит в соответствии с существованием низкотемпературной (Fеа) и высокотемпературной (Fеd) модификаций железа с о.ц.к. решеткой. Феррит представляет собой твердый раствор внедрения. Атомы углерода располагаются в кристаллической решетке Fеа между атомами железа в межатомных порах решетки. Из-за малых размеров этих пор в о.ц.к. решетке значительная часть атомов углерода располагается на дефектах решетки (вакансиях, дислокациях). Межатомная пора о.ц.к. решетки Fеа, в которой могут размещаться атомы углерода, имеет размер 0,291rэ, где r — радиус атома железа. Этим объясняется малая растворимость углерода в Fеа. Максимальная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет 0,025 % при 727 °С, а в высокотемпературном феррите 0,1 % при 1499 °С. Растворимость углерода в феррите изменяется, после охлаждения до комнатной температуры она становится равной 0,006 % С. Феррит мягок и пластичен, он имеет следующие механические свойства: sв = 250 МПа; s0,2, = 120 МПа; d = 50 %; y = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м2; НВ 80. Так же как и Fеа, феррит магнитен до 768 °С. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных зерен. Обозначают феррит буквами Ф или a.При 768 оС (точка Кюри) железо испытывает магнитное превращение; выше этой точки железо становится немагнитным. причем магнитное превращение не сопровождается перекристаллизацией.Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в g-железе. Кристаллическая решетка аустенита гранецентрированный куб. Размер межатомных пор, в которых могут разместиться атомы углерода в решетке г.ц.к. почти в два раза больше, чем в о.ц.к. решетке, и поэтому растворимость углерода в Fe g больше, чем в Fe a. Максимальная концентрация углерода в аустените достигает 2,14 % при 1147 оС и 0,8 % при 727 оС. Аустенит, так же как Fe a немагнитен, обладает меньшим удельным объемом, чем феррит. Аустенит пластичен (d = 40-50 %), имеет твердость НВ 160-200. Обозначается аустенит буквой А или g. Цементит до 210 °С ферромагнитен, обладает очень высокой твердостью (НВ 800 или HRC 65), отличается хрупкостью, плохо поддается травлению. В углеродистых сталях цементит образуется в виде пластинок или сетки, а в некоторых условиях в виде зерен.
Перлит - двухфазная структурная составляющая, продукт эвтектоидного превращения аустенита при температуре 727 °С. Перлит- механическая смесь, состоящая из очень мелких пластинок, или зернышек цементита, расположенных в ферритной основе. Поверхность травленного шлифа эвтектоидной стали (0,83 % С) имеет вид, похожий на перламутр, что и дало основание назвать эту структуру перлитом. Механические свойства перлита зависят от степени 1500 oС)— температуре плавления цементита. Точка N (1392 °С) отвечает температуре полиморфного превращения Fеd «Fеg, точка G (911 °С) — температуре полиморфного превращения Fеg « Fеa.