Материаловедение / 22

6. Какие легирующие элементы являются карбидообразующи-ми? Какого типа карбиды они образуют?

7. Как влияют легирующие элементы на свойства феррита и ау-стенита?

8. Какова структура эвтектоидных, доэвтектоидных и заэвтекто-идных сталей?

9. На какие структурные классы подразделяются легированные стали и какова их структура?

Глава 5. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ

5.1. Виды термической обработки сталей

Под термической обработкой понимается совокупность опе­раций, включающих нагрев до определенных температур, выдержку и охлаждение деталей с целью получения заданной структуры и свойств.

Теоретические основы термической обработки были заложены во второй половине XIX века русским металлургом Д. Н. Черновым. Дальнейшее развитие вопросы термообработки получили в трудах русских ученых А. А. Байкова, А. А. Бочвара, Г. В. Курдюмова, Л. П. Гуляева, Ю. М. Лахтина и ряда зарубежных ученых.

Термическая обработка в промышленности используется как промежуточная технологическая операция для улучшения обрабаты­ваемости материалов давлением, резанием и др., так и как заключи­тельная операция технологического процесса, обеспечивающая за­данный уровень физико-механических свойств.

Различают три вида термической обработки:

• собственно термическую (СТО);

• химико-термическую (ХТО);

• термомеханическую (ТМО).

При собственно термической обработке металлы подвергаются только термическому воздействию, при котором изменяется его структура и физико-механические свойства без изменения химиче­ского состава. К основным видам СТО относятся: отжиг, нормализа­ция, закалка и отпуск.

Химико-термическая обработка заключается в диффузионном насыщении поверхности металла элементами, повышающими твер­дость, износостойкость, коррозийную устойчивость и т. д. Эти про­

цессы протекают в специальных химических средах, требуют повы­шенных температур и длительных выдержек, приводят к изменению химического состава и свойств поверхностных слоев металла. Наиболее используемые в промышленности ХТО: цементация, азотирование, нитроцементация, борирование, диффузионная металлизация и др.

Термомеханическая обработка заключается в сочетании пла­стического деформирования металла с термическим воздействием.

5.2. Структурные превращения в стали при нагреве

Рассмотрим превращения, происходящие при нагреве в углеро­дистых сталях с исходной равновесной структурой.

При нагреве сталей до температуры эвтектоидных превращений (Ас\) никаких фазовых превращений не происходит и перлит сохраняет свое пластинчатое строение. При достижении температуры Ас1, в сталях начинается превращение перлита в аустенит, кристаллы которого заро­ждаются на межфазных поверхностях раздела между ферритом и це­ментитом (рис. 5.1). Превращение состоит из двух одновременно проте­кающих процессов: полиморфного a-Fe y-Fe перехода и растворения цементита в y-Fe. Растворение цементита происходит значительно мед­леннее, чем полиморфное превращение, поэтому необходима выдержка при этой температуре для устранения неоднородности аустенита по со­держанию углерода - его гомогенизации.

Этот процесс является диффузионным и подчиняется основным законам кристаллизации. Так как феррит содержит 0,02 % С, цемен­тит - 6,67 % С, а в аустените в точке S должно содержаться 0,8 % С, то для выравнивания состава необходимо определенное время. Для эвтектоидных сталей при температуре выше Ас1 процесс перекристал­лизации заканчивается и при дальнейшем нагреве возможен рост ау-стенитного зерна вследствие собирательной рекристаллизации.

2

При нагреве доэвтектоидной стали выше точки А_с1 после пре­вращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура, со­стоящая из аустенита и феррита (А + Ф). По мере увеличения темпе­ратуры в интервале температур А_с1...А_с3 феррит постепенно растворяется в аустените, содержание углерода в аустените снижается по кривой GS. При температуре А_с3 феррит исчезает полностью, а концентрация углерода в аустените соответствует его концентрации в стали.

Аналогичная картина наблюдается и в заэвтектоидных сталях. При нагреве выше линии А_с1 и до температуры А_ст система будет двухфазной, состоящей из аустенита и цементита вторичного. По ме­ре роста температуры цементит вторичный растворяется в аустените и при нагреве выше линии Sb (А_ст) система становится однофазной, состоящей из аустенита.

Ввиду большой протяженности границ раздела феррит-цементит в перлитных зернах образуется большое количество цен­тров зарождения аустенита и при температурах ненамного превы­шающих А_с1 образуется мелкозернистая структура. Однако при даль­нейшем увеличении температуры или увеличении длительности выдержки при данной температуре происходит избирательная рекри­сталлизация и рост зерна аустенита, что вызвано стремлением систе­мы к уменьшению свободной энергии вследствие снижения общей поверхности зерен. После медленного охлаждения эта величина зерна сохраняется.

По склонности к росту зерна различают стали наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые. В наследственно мелкозернистых сталях при нагреве до 1000-1050 °С зерно увеличи­вается незначительно, но при более высоких температурах происхо­дит быстрый рост зерна. В наследственно крупнозернистых - силь­ный рост зерна наблюдается даже при незначительном превышении температуры А_с1. Эти свойства определяются составом стали и усло­виями охлаждения.

К наследственно мелкозернистым относятся стали, содержащие легирующие элементы, образующие труднорастворимые карбиды (Ti, Nb, V, W, Mo) или раскисленные алюминием. Марганец и фосфор способствуют росту аустенитного зерна.

Наследственно мелкозернистые стали имеют больший интервал закалочных температур и допускают более высокие температуры об­работки методами пластического деформирования.

Величина зерна определяется в соответствии с ГОСТ 5939-82 путем сравнения микроструктуры стали при увеличении в 100 раз с эталонными шкалами и оценивается в баллах. Балл зерна прямо про­порционален числу зерен, приходящихся на 1 мм микрошлифа, и об­ратно пропорционален среднему диаметру зерна. Стали с зерном от первого до пятого балла относятся к крупнозернистым, от 6 до 15 -к мелкозернистым.

Величина зерна не оказывает большого влияния на предел прочности при разрыве и твердость, но с увеличением размеров зерна снижается ударная вязкость и работа распространения трещин. Чем крупнее зерно, тем более склонна сталь к закалочным трещинам и де­формациям. Все это следует учитывать при выборе режимов термиче­ской обработки.

5.3. Структурные превращения в стали при охлаждении

При изучении диаграммы состояния железо-цементит мы рас­смотрели фазовые превращения аустенита при температурах ниже линий А_г3, А_г1, А_ст при медленном естественном охлаждении. В случае увеличения степени переохлаждения механизм и кинетика фазовых превращений изменяются.

Для описания кинетики превращения переохлажденного аусте-нита используют экспериментально построенные диаграммы время-температура - степень изотермического превращения аустенита (рис. 5.2). Кривая 1 характеризует начало распада аустенита, кривая 2 -окончание распада. Линии М_н и М_к соответственно температуры на­чала и конца мартенситных превращений.

Область инкубационного периода, расположенная левее кривой начала распада аустенита, с увеличением степени переохлаждения сначала резко уменьшается до минимума, а затем опять увеличивает­ся. В зоне наименьшей устойчивости аустенита скорость превраще­ния очень велика, а сам период составляет для углеродистых сталей 1.. .1,5 с. Увеличение инкубационного периода при более низких тем­пературах вызвано снижением скорости образования и роста новых фаз вследствие замедления процесса диффузии.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную, мартенсит-ную и промежуточную (бейнитную). Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой проис­ходит распад.

3