1. Основы теории термической обработки стали

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств материала за счет изменения его структуры.

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современном производстве способов получения необходимых свойств металла. Она может быть как промежуточной для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., так и окончательной – для получения заданного уровня физико – механических свойств материала готовых деталей.

Любой вид термической обработки может быть представлен графиком в координатах температура t и время  (рис. 3.1).

Термическая обработка стали основана на превращениях, протекающих в ней при нагреве и охлаждении.

Превращения в стали при нагреве

При нагреве стали до температуры 727⁰С в ней ни каких превращений не происходит (рис. 3.2). При температуре 727⁰С перлит П, состоящий из смеси чередующихся пластинок феррита Ф и цементита Ц, превращается в аустенит А – твердый раствор углерода в Fе_.

Рисунок 3.1. График термической обработки

3

Рис. 3.2. Нижний левый угол диаграмм железо - углерод

В чистом виде аустенитное превращение идет в стали эвтектоидного состава (С = 0,8%). Превращение развивается путем образования зародышей аустенита и их роста. Образование аустенита основано на двух элементарных процессах: полиморфного превращения Fе_ в Fе_ и растворения цементита в аустените (рис. 3.3).

а) б) в) г)

Рис. 3.3. Схема структурных изменений в эвтектоидной стали при нагреве:

а– перлитная структура; б – образование зародышей аустенита; в – неоднородный аустенит; г – однородный аустенит

4

Отпуск

Сталь после закалки имеет высокую прочность и твердость, но низкую вязкость. Для повышения вязкости закаленной стали, снижения остаточных напряжений, получения нужного комплекса механических свойств проводят ее отпуск.

Отпуском называется процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры не выше линии А₁ (727⁰С), выдержке и охлаждении (не важно с какой скоростью, но чаще на воздухе).

Применяют три вида отпуска (рис. 3.8).

При низком отпуске закаленную сталь нагревают до 150 – 250⁰С. Структура стали после низкого отпуска – мартенсит отпуска. Сталь с такой структурой имеет высокую твердость и износостойкость. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации, поверхностной закалки и т.д.

При среднем отпуске закаленную сталь нагревают до 350 – 450⁰С. Структура стали после среднего отпуска – троостит отпуска с зернистым строением цементита. Сталь с такой структурой обладает высокой упругостью и прочностью при достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.

Высокий отпуск проводят при 450 – 650⁰С. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Такая структура обеспечивает хорошее сочетание свойств – достаточную прочность, вязкость и пластичность. Применяют высокий отпуск для среднеуглеродистых конструкционных сталей, детали из которых подвергаются воздействию высоких напряжений и ударным нагрузкам.

Термическая обработка, состоящая из закалки с высоким отпуском, улучшая общий комплекс механических свойств, называется улучшением.

В качестве примера на рис. 3.9 и 3.10 приведена информация, иллюстрирующая влияние вида термической обработки на свойства и структуру углеродистой стали 40.

13

При закалке доэвтектоидные стали нагревают на 30 – 50⁰С выше линии А₃ (полная закалка), эвтектоидную и заэвтектоидные стали – на 30 – 50⁰С выше линии А₁ (неполная закалка) (рис.3.8) Указанные температуры нагрева стали при закалке являются оптимальными. Они обеспечивают получение структур с максимально высокой прочностью и твердостью.

Для обеспечения необходимой скорости охлаждения применяют различные охлаждающие среды: воду, минеральное масло и др.

При выборе сталей для деталей машин учитывают такие свойства, как закаливаемость и прокаливаемость.

Закаливаемость – способность стали принимать закалку т.е. приобретать при закалке детали высокую твердость. Закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (С  0,2%) практически не закаливаются, т. е. при закалке их твердость не повышается. С увеличением содержания углерода твердость закаленной стали повышается.

Прокаливаемость характеризуется глубиной проникновения закаленной зоны. За глубину принято считать расстояние от поверхности детали до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Несквозная прокаливаемость обусловлена тем, что при закалке деталь охлаждается быстрее с поверхности и медленнее в сердцевине: у поверхности скорость охлаждения максимальная, а в центре – минимальная. При сквозной прокаливаемости по сечению изделий механические свойства одинаковы, при несквозной – разные, в сердцевине наблюдается снижение прочности и твердости.

Углеродистые стали характеризуются невысокой прокаливаемостью. Для эвтектоидной стали (С = 0,8%) прокаливаемость (охлаждение в воде) составляет 10 – 12мм. Высокую пркаливаемость имеют легированные и высоколегированные стали.

Иногда после закалки стали в средах с комнатной температурой проводят обработку ее холодом. Это вызывается тем, что в закаленных при комнатной температуре сталях присутствует некоторое количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит, снижая твердость и износостойкость материала, может привести к изменению размеров у деталей при эксплуатации при низких температурах из – за самопроизвольного образования мартенсита из аустенита. При обработке холодом закаленную сталь охлаждают ниже 0⁰С до температур конца мартенситного превращения М_к (обычно не ниже -75⁰С) в специальных камерах. Обработку холодом проводят сразу после закалки во избежание стабилизации аустенита.

12

Рост аустенитного зерна в сторону Ф намного больше, чем в сторону Ц. Поэтому к моменту исчезновения Ф всегда остается не полностью растворенный Ц. Образовавшийся аустенит - неоднородный, так как в нем имеются цементитные включения. Необходимо дополнительное время (выдержка) для устранения неоднородности аустенита.

В доэвтектоидных сталях (С  0,8%) выше температуры 727⁰С (линия А_С1 ) структура состоит из аустенита и феррита, в заэвтектоидных (С  0,8%) – из аустенита и цементита (рис. 3.2). По мере нагрева до температур соответствующих линиям А₃ и А_Сm происходит постепенное растворение феррита или цементита в аустените. Начальные зерна аустенита всегда имеют малые размеры. При дальнейшем нагреве зерна аустенита растут, и при высоких температурах может произойти перегрев стали, признаком которого является образование крупнозернистой структуры. При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются (рис. 3.4).

Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размеров зерен существенно зависят механические свойства металла. Так, ударная вязкость мелкозернистой стали может в несколько раз превышать ударную вязкость крупнозернистой стали той же марки. Перегрев может быть исправлен повторным нагревом стали

Рис. 3. 4. Схема изменения размеров зерен перлита в зависимости от температуры нагрева аустенита

до более низкой температуры. При нагреве до еще более высоких температур, чем при перегреве, может возникнуть пережог стали.

5

Пережог характеризуется окислением и частичным оплавлением границ зерен. Металл становится очень хрупким. Исправить этот дефект невозможно, и металл подлежит переплавке.

При назначении режимов термической обработки следует учитывать также, что нагрев сопровождается взаимодействием поверхности металла с газовой средой. Это может привести к обезуглероживанию поверхностного слоя и образованию окалины. При этом прочность и твердость поверхности детали машины снижается, изменяются ее размеры, ухудшается поверхность.