11. Термическая обработка стали

11.1 Основы теории термической обработки стали.

Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменить их структуру и свойства в заданном направлении. Наиболее широко термическая обработка применяется при изготовлении деталей из стали.

Основоположником теории и разработки рациональных методов термической обработки стали является русский учёный Д.К.Чернов. Приоритет в создании многих методов термической обработки сплавов принадлежит русским учёным.

На результат термической обработки влияют время (скорость) и температура нагрева, время (продолжительность) выдержки и время (скорость) охлаждения.

Таким образом основными факторами термической обработки является температура и время. Поэтому процесс термической обработки обычно изображают в виде графика в координатах температура – время (рис. 11.1). Если термическая обработка состоит только из одной операции, то она называется простой (рис. 11.1, а), а если из нескольких операций — сложной (рис. 11.1, б)

Рис. 11.1 Схема термической обработки;

а – простая; б – сложная

Теория термической обработки стали основана на общей теории фазовых превращений, протекающих в сплавах в твердом состоянии. Зная, как протекают фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью, можно управлять процессами термической обработки и получать сталь с необходимыми структурой и свойствами

Возможность упрочнения сталей путём термической обработки обусловлена наличием аллотропических превращений в твёрдом состоянии. Охлаждая аустенит с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.

Наглядное представление о распаде переохлажденного аустенита дает диаграмма его изотермического превращения (рис. 11.2).

Кривая 1 графика соответствует началу распада аустенита при различных степенях переохлаждения; левее ее находится переохлажденный аустенит (область А). Кривая 2 показывает окончание процесса распада аустенита на ферритоцементитную смесь (область П). Горизонтальная прямая М_Н характеризует начало, а прямая М_К — конец бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

На диаграмме показаны кривые скоростей охлаждения стали. Малая скорость V₁ охлаждения приводит к образованию грубой смеси феррита и цементита, перлита с твердостью HRC 10. Чем выше скорость охлаждения, тем более мелкодисперсна образующаяся ферритоцементитная смесь.

Рис. 11.2. Диаграмма изотермического

превращения аустенита

Сорбит (первая закалочная структура), получающийся при скорости охлаждения стали V₂, представляет собой смесь феррита и цементита; он отличается от перлита более тонкодисперсным строением, твердость сорбита НRС 20. Стали с сорбитной структурой износостойкие, используются для изготовления нагруженных изделий.

Троостит (вторая закалочная структура) получается при скорости охлаждения V₃, в результате распада переохлажденного аустенита при 500—550 "С, обладает значительной упругостью; представляет собой тонкодисперсную смесь феррита и цементита. Твердость трoостита составляет НRС 30.

Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее используют главным образом для изготовления пружин и рессор.

Превращение аустенита в мартенсит происходит при очень быстром охлаждении (V₅ > V_KP). При этом фиксируется типичная для мартенсита игольчатая структура. Он представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.

Мартенсит — твердая и хрупкая структура; твердость его составляет НRС 62—66.

При скорости охлаждения V₄ структура стали состоит из троостита и мартенсита.