Глава 3 термическая обработка

3.1. Основы термической обработки стали

Термическая обработка заключается в нагреве изделий и заготовок до определенной температуры, выдержке при этой температуре и после­дующем охлаждении с заданной скоростью с целью изменения струк­туры и свойств стали. Основные виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и старение.

Термическая обработка влияет на прочностные и эксплуатацион­ные характеристики многих машиностроительных материалов.

Принципиальная возможность применения того или другого вида термической обработки определяется диаграммами фазового равно­весия сплавов. Основой для выбора видов и режимов термической об­работки сталей является часть диаграммы Fe-F3C с содержанием уг­лерода до 2,14 % и расположенная ниже линии солидус (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Фрагмент диаграммы Fe-Fe3C и температурные области нагрева при термической обработке сталей

На этом рисунке показаны температурные области нагрева загото­вок при различных видах термической обработки сталей.

Температуры фазовых превращений при термической обработке сталей (критические точки) определяются линиями PSK, GS и SE диа­граммы состояния Fe-Fe3C. Нижняя критическая точка, соответст­вующая превращению аустенита в перлит при температуре PSK, обо­значается Ау Верхняя критическая точка, соответствующая началу выделения феррита из аустенита или концу превращения феррита в аустенит (линия GS), обозначается Ау Температура линии выделе­ния вторичного цементита (SE) обозначается Лет.

Чтобы отличить критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении, рядом с буквой А в первом случае ставят букву «с», во втором - «г».

При термической обработке стали происходят четыре основных превращения:

1) перлита в аустенит выше точки Л,:

Fea + Fe3C -> Fe7(C), или П -> А;

2) аустенита в перлит ниже точки А{.

Fey(C) -> Fea+ Fe3C, или А -> П;

3) аустенита в мартенсит при температурах ниже температуры ме-тастабильного равновесия этих фаз:

Fe(C) -> Fea(C), или А ->М;

4) мартенсита в перлит:

Fea(C) -> Fea + Fe3C, или М -» П.

3.1.1. Превращение перлита в аустенит и рост зерна аустенита при нагреве

При нагреве сталей выше Ас1 происходит превращение перлита в ау­стенит. Как правило, кристаллы аустенита (рис. 3.2, б) зарождаются на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом; в аусте-ните растворяется углерод распадающегося цементита.

Превращение перлита в аустенит состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного (а -» у)-перехода и растворения

в FeY углерода из распадающихся кристаллов цементита. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, поэтому после завер­шения превращения аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется время (выдержка). Для определе­ния длительности превращения используют диаграмму изотермиче­ского превращения перлита в аустенит (рис. 3.2, а), из которой видно, что чем меньше температура, тем больше времени необходимо для за­вершения процесса. Лучи на диаграмме соответствуют нагреву с раз­личными скоростями (И, <V2<V3).

Рис. 3.2. Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит в эвтектоидной стали (а) и схема зарождения и роста кристаллов аустенита (б)

В стали эвтектоидного состава перекристаллизация заканчивается после завершения превращения перлита в аустенит. В до- и заэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит в структуре со­храняются соответственно феррит и цементит. В доэвтектоидных сталях при нагреве от Ас{ до Асг происходит превращение феррита в аустенит, а в заэвтектоидных при нагреве от Ас{ до Асст - растворение вторичного цементита в аустените.

При нагреве выше критической точки Асх из перлита, независимо от размеров его зерен, образуются мелкие зерна аустенита, которые называют начальными зернами (рис. 3.3). Повышение температуры стали приводит к росту зерна аустенита, так как происходит процесс собирательной рекристаллизации. Скорость роста аустенитных зе­рен при нагреве выше температур Асъ и АсС1 неодинакова у разных сталей и зависит от способа их раскисления и наличия легирующих элементов. С учетом скорости роста аустенитных зерен различают стали наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозер­нистые. К наследственно крупнозернистым относятся стали, раскис­ленные ферросилицием и ферромарганцем. В таких сталях по мере нагрева выше температур Асг и Acci кристаллы аустенита быстро ук­рупняются.

Рис. 3.3. Схема наследственной зернистости

и влияние температуры нагрева на величину зерна аустенита:

а - начальное зерно аустенита; б - наследственно крупнозернистая сталь;

в - наследственно мелкозернистая сталь

К наследственно мелкозернистым относятся стали, дополнительно раскисленные алюминием, а также легированные титаном, вольфра­мом и ванадием. В этих сталях при нагреве до 1000-1100 °С кристал­лы аустенита растут с малой скоростью. Такое поведение сталей объясняется тем, что присутствующие в них оксиды и нитриды алюми­ния, титана, ванадия, а также карбиды титана и ванадия располага­ются по границам зерен в виде мелких включений и механически пре­пятствуют их росту при нагреве. При температурах выше 1000- 1100 °С происходит растворение этих включений в аустените, в результате чего устраняется препятствие для роста зерен.

От размера зерна аустенита, образовавшегося при нагреве до опре­деленной температуры и получившего название действительного, за­висит степень дисперсности продуктов распада аустенита. Если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада при охлаждении получаются мелкими. Действительное аустенитное зерно определяют с помощью специальных металлографических микроскопов, сравнивая его с эта­лоном по балльной шкале (ГОСТ 5639-82). Стали с зерном 1...5 бал­лов считаются крупнозернистыми, а 6...15 - мелкозернистыми. Раз­мер действительного (наследственного) зерна оказывает влияние на прочностные, технологические и эксплуатационные свойства стали.