Теория термической 
обработки
Отжиг сталей
1
Отжиг сталей (отжиг 2-го рода) – это термическая обработка, при которой главными процессами являются аустенитизация с последующим перлитным превращением.
Механизм α γ перестройки на стадии образования зародышей γ-фазы – сдвиговой.
При малой толщине плоского зародыша выигрыш в объемной свободной энергии достаточен для развития превращения лишь в том случае, если новая граница когерентная. Такая граница характерна именно для сдвигового превращения.
В образовавшиеся по сдвиговому механизму первые участки γ-фазы из карбида диффузионным путем поступает углерод, и тогда такие участки становятся устойчивыми центрами роста аустенита при температурах выше A1.
По мере роста зародышей их граница из когерентной становится некогерентной и сдвиговый механизм сменяется нормальным механизмом роста аустенитных зерен.
2
Изотермическое перлито-аустенитное превращение при температуре Т1
Участок диаграммы состояния Fe–С (а) и схема распределения концентрации углерода в аустените во время перлито-аустенитного превращения при температуре (б)
Аустенитное зерно разрастается в сторону и феррита, и цементита.
Скорость роста аустенитного зерна в сторону феррита намного больше, чем в сторону цементита. В результате к моменту исчезновения ферритных промежутков перлита всегда остается не полностью растворившийся цементит.
Затем продолжается растворение остатков цементита. По окончании его растворения аустенит неоднороден по концентрации углерода.
3
Схема диаграммы изотермического образования аустенита в доэвтектоидной стали:
1 – исчезновение ферритных промежутков в перлите; 2 – исчезновение цементита; 3 – окончание гомогенизации аустенита на месте исчезнувших колоний перлита; 4 – исчезновение свободного феррита; 4' – прекращение перехода свободного феррита в аустенит ниже температуры А3, 5 – окончание гомогенизации аустенита
Если в исходной структуре находится свободный, избыточный феррит, то граница аустенитного зерна продвигается и в его сторону.
После исчезновения свободного феррита на месте его зерен концентрация углерода в аустените понижена и идет процесс выравнивания состава внутри аустенитных зерен.
Температуры окончания образования аустенита и его гомогенизации повышаются с ростом скорости нагрева .
4
С увеличением дисперсности исходной структуры время окончания всех этапов аустенитизации уменьшается. Этому способствует увеличение градиента концентраций углерода в аустените, так как та же максимальная разность концентраций приходится на меньшую длину.
Вуглеродистых сталях образование и гомогенизация аустенита протекают быстро.
Гомогенизация аустенита идет гораздо дольше в легированных сталях. Легирующие элементы неравномерно распределены между ферритом и карбидом. Некарбидообразующие элементы находятся в феррите, а карбидообразующие – преимущественно в карбиде. По окончании перлито- аустенитного превращения аустенит неоднороден.
Вучастках аустенита, соответствующих исчезнувшим частицам феррита и карбида, различна не только концентрация углерода, но и легирующих элементов.
5
Размер аустенитного зерна
Размер аустенитного зерна – важнейшая структурная характеристика нагретой стали. От размера зерна аустенита зависят поведение стали в различных процессах термической и механической обработки и механические свойства изделия.
Сповышением температуры с.з.ц. аустенита возрастает более интенсивно, чем л.с.р., и соответственно аустенитное зерно в момент окончания аустенитизации получается мельче.
Сповышением температуры рост зерна аустенита ускоряется. Зерно может расти равномерно, как при собирательной рекристаллизации, но может наблюдаться и неравномерный рост, когда небольшое число крупных зерен аустенита растет за счет множества мелких, пока они не исчезнут – вторичная рекристаллизация.
Увеличение концентрации углерода в γ-растворе способствует росту зерна, но
если содержания углерода становится сверх предельной концентрации в аустените (линия ES), то частицы цементита оказывают тормозящее действие.
Легирующие элементы тормозят рост аустенитного зерна (кроме Mn). Причина
–образование труднорастворимых в аустените карбидов и оксидов.
6
Различают наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые стали.
Внаследственно крупнозернистой стали зерно интенсивно растет при относительно небольших превышениях температуры над точкой Ас3.
Внаследственно мелкозернистой стали мелкое аустенитное зерно получается
вшироком диапазоне температур: от точки Ас3 до 950–1100° С.
Различают наследственное зерно и действительное зерно аустенита.
Наследственное зерно получается в стандартных условиях технологической пробы и характеризует склонность стали к росту зерна.
Действительное зерно – это то зерно, которое получается в результате той или иной операции термообработки.
Наследственно мелкозернистую сталь получают введением в ковш перед разливкой примерно 0,05% Al. Мельчайшие частички нитридов и окислов алюминия как барьеры тормозят рост зерен аустенита.
7
Структурная наследственность и перекристаллизация аустенита
При охлаждении всех углеродистых и большинства легированных сталей аустенит претерпевает перлитное, мартенситное или бейнитное превращение. При повторном нагреве, когда вновь образуется аустенит, в определенных условиях размер, форма и кристаллографическая ориентировка его зерен могут быть такими же, как и у исходного зерна аустенита перед первым превращением.
Такое наследование размера, формы и ориентировки аустенитного зерна называют структурной наследственностью.
Наиболее ярко структурная наследственность проявляется, если перед повторным нагревом сталь имела мартенситную или бейнитную структуру. У стали с феррито-перлитной структурой исходное аустенитное зерно обычно не наследуется.
Для восстановления аустенитного зерна при повторном нагреве стали необходимо,
1)проявление наследственности при охлаждении (образование кристаллографически упорядоченного комплекса α-кристаллов в пределах каждого исходного аустенитного зерна) и,
2)проявление наследственности при последующем нагреве стали (переход указанного комплекса α-кристаллов в одно восстановленное8аустенитное зерно).
При нагреве стали выше точки А3 крупное зерно аустенита вместо того, чтобы
укрупняться, может измельчаться. Это – рекристаллизационный процесс. Повышенная плотность дислокаций возникает при внутреннем фазовом наклепе.
Фазовый наклеп – это повышение плотности дислокаций в новой фазе в ходе фазового превращения. Он может возникать при любом фазовом превращении из-за разности удельных объемов старой и новой фаз, а также при мартенситном превращении, когда образование каждого кристалла сопровождается деформацией.
9
Перлитное превращение
Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге стали – это эвтектоидный распад аустенита на смесь феррита с карбидом.
Диаграмма изотермического распада аустенита в эвтектоидной стали; А – устойчивый аустенит; Ап – переохлажденный
аустенит; Ф – феррит; К – карбид
Схема зарождения торцевого и бокового роста двух перлитных колоний