5.3.3. Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита
В интервале температур (промежуточном между перлитным и мартенситным превращениями) от изгиба С-кривой (~550 °С) до критической точки Мн (см. рис. 67) аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом [от имени амер. металлурга Э. Бейна (E. Bein; 1891–1974)], представляющих двухфазную смесь кристаллов пересыщенного углеродом феррита и цементита.
На начальном этапе превращения углерод перераспределяется в переохлажденном аустените с образованием обогащенных и обедненных участков. Участки обедненного углеродом аустенита претерпевают мартенситное -превращение, а из участков, обогащенных углеродом, выделяется цементит. При этом аустенит обедняется углеродом, и происходит мартенситное бездиффузионное превращение. С течением времени при постоянной температуре изотермической выдержки образовавшийся мартенсит диффузионным путем превращается в ферритно-цементитную смесь.
Ферритная фаза является пересыщенным твердым раствором Fe(C). Обогащенный углеродом аустенит, обладая высокой устойчивостью, часто не претерпевает превращения и сохраняется как остаточный аустенит. Следовательно, в результате промежуточного превращения структура стали в самом общем случае состоит из феррита, пересыщенного углеродом; частиц цементита и остаточного аустенита. Вся эта смесь имеет очень высокую дисперсность, которую при обычных увеличениях микроскопа различить невозможно.
В зависимости от температуры изотермической выдержки, при которой образовался бейнит, различаются два его вида: верхний и нижний. Бейнит, образовавшийся при температуре 400…550 С (немного ниже изгиба С-кривой) называется верхним. Он имеет перистое строение, пониженную прочность (из-за сохранения нераспавшегося аустенита), низкие пластичность и вязкость. Твердость верхнего бейнита составляет примерно 450 НВ. Если бейнит образовался при температуре чуть выше (на 50…100 С) температуры мартенситного превращения, то он относится к нижнему; имеет игольчатое строение, очень похожее на строение мартенсита; обладает значительной твердостью (~550 НВ), имеет достаточно высокие вязкость и пластичность.
5.4. Технология термической обработки стали
5.4.1. Отжиг
Отжигу или нормализации подлежат, как правило, стальные отливки, горячекатаные и штамповые заготовки, поковки. В том случае, когда изделия после изготовления резанием подвергаются последующему термическому упрочнению, отжиг и нормализация являются промежуточными видами термической обработки. Если последующего термического упрочнения изделий не требуется, то отжиг и нормализация относятся к окончательным видам термообработки.
Н
Рис. 71. Основные виды отжига
а рис. 71 приведены виды отжига, имеющие наиболее широкое использование в промышленности.Диффузионный (гомогенезирующий) отжиг предназначен для устранения химической неоднородности (ликвации), возникающей при кристаллизации. Такому отжигу подвергаются в основном слитки или отливки из легированных сталей. Это объясняется тем, что скорость диффузии углерода, растворенного в аустените, на несколько порядков больше скорости диффузии легирующих элементов. Поэтому гомогенизация углеродистых сталей происходит практически в процессе их нагрева. Режим гомогенезирующего отжига: нагрев до температуры 1050…1200 С, выдержка при отмеченной температуре 8…10 часов и последующее медленное охлаждение. Крупное зерно, возникающее в процессе отжига, устраняется другими видами термообработки.
Рекристаллизационный отжиг применяется для устранения наклепа после холодной пластической деформации. Этот вид отжига чаще используется как промежуточная операция для снятия наклепа между операциями холодного деформирования. Для углеродистых сталей с содержанием углерода 0,08…0,2 % (наиболее часто подвергаемых обработке давлением) температура нагрева при отжиге составляет 680…700 С. Отжиг калиброванных прутков из высокоуглеродистых легированных сталей проводится при 680…740 С в течение 0,5…1,5 часов.
Отжиг для снятия остаточных напряжений. Такому отжигу подвергаются отливки, сварные изделия, изделия после обработки резанием, правки и др., в которых возникают внутренние (остаточные напряжения). Остаточные напряжения часто вызывают коробление изделий, а складываясь с внешними (даже незначительными) напряжениями могут привести к разрушению. Для снятия напряжений чаще всего используется отжиг при температуре 550…650 С. Время выдержки составляет несколько часов. Скорость нагрева и особенно охлаждения должна быть небольшой, чтобы исключить возможность образования новых остаточных напряжений.
Полный отжиг наиболее часто применяется для доэвтектоидных сталей. Изделия нагреваются до температуры на 30…50 С выше критической точки Ас3 для полной перекристаллизации исходной структуры. После такого нагрева аустенит становится мелкозернистым, что при последующем замедленном охлаждении дает возможность получения мелкозернистой ферритно-перлитной структуры. Если при отжиге нагрев произвести значительно выше Ас3 , то зерна аустенита могут вырасти до крупных размеров и при дальнейшем охлаждении образуется грубая структура, состоящая из крупных зерен феррита и перлита. Такая сталь обладает пониженной пластичностью.
Таким образом, основным назначением полного отжига является измельчение зерна доэвтектоидной стали, повышение пластических свойств, улучшение обрабатываемости резанием.
Неполный отжиг применяется для заэвтектоидных сталей. При таком отжиге сталь нагревается до температуры на 30…50 С выше Ас1 (740…770 С), при которой сохраняется вторичный цементит. После охлаждения цементит получается в виде зерен. Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, в результате которой цементитная сетка дробится. Сталь с зернистым цементитом лучше обрабатывается режущим инструментом и приобретает хорошую структуру после закалки.
Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется редко, так как в этом случае полной перекристаллизации не происходит и часть зерен феррита остается в том же виде, что и до отжига. Такой вид термообработки проводится только в том случае, когда исправление структуры не требуется, а необходимо только понижение твердости.
Если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым, проводится так называемый циклический отжиг, при котором сталь нагревается до температуры немного выше Ас1, с последующим охлаждением до температуры чуть ниже Аr1 (~680 С) c повторением этого цикла несколько раз.
Изотермический отжиг используется для улучшения обрабатываемости легированных сталей. Порядок отжига следующий: сталь нагревается на 30…50 С выше Ас3 , охлаждается до температуры немного ниже Аr1, изотермическая выдержка при этой температуре для получения равновесной перлитной структуры, с последующим охлаждением на воздухе.
При отжиге легированных сталей увеличиваются не только продолжительность нагрева и выдержки, но также и продолжительность охлаждения. И все-таки их твердость после отжига остается достаточно высокой, что ухудшает обрабатываемость резанием.