6. Основы теории термической обработки

Термическая обработка – это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности с целью изменения внутреннего строения сплава и получения необходимых физико-механических свойств. В основе термической обработки лежат фазовые превращения в твердом состоянии.

1. Четыре основные превращения в сталях

В сталях основными являются три структуры:

• аустенит – твердый раствор углерода в γ – Fe [Fe γ(С)];

• мартенсит – пересыщенный, частично упорядоченный твердый раствор углерода в α – Fe [Fe γ(С)];

• перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита [Feα + Fe₃С].

Переход из одной структуры в другую характеризует основные превращения при термической обработке:

первое превращение – это превращение перлита в аустенит, которое происходит при нагреве: П→А

второе превращение – это превращение аустенита в феррито-цементитные смеси разной дисперсности в зависимости от скорости охлаждения: А→Ф+Ц;

третье превращение заключается в превращении аустенита в мартенсит А→М при быстром охлаждении (при закалке)

четвертое превращение заключается в разложении мартенсита при отпуске закаленной стали (М → продукты распада).

Любой технологический процесс термической обработки состоит из определенных комбинаций указанных четырех превращений.

Превращения в стали при нагреве - образование аустенита (I превращение).

Превращение П → А - процесс кристаллизационного типа и подчиняется закономерностям кристаллизации, т. е. зарождаются и растут центры новой фазы (А) (на рис. 6.1: а - зарождение новой фазы аустенита в зерне перлита; б, в - рост фазы аустенита и степень растворения цементита (Fe₃С) в аустените Feγ(С); г - получение гомогенного начального зерна аустенита).

Рис. 6.1 Последовательность превращения П → А

Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов:

• полиморфного Feα→ Feγ превращения;

• растворения цементита (Fe₃С) в аустените Feγ(С).

Превращение П→А может идти изотермически при температуре 727 °С и при непрерывном нагреве. Время превращения П→А зависит существенно от степени перегрева (нагрева выше А1). С увеличением перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличивается скорость возникновения зародышей и скорость их роста, происходит измельчение зерна стали, что используется в практике термической обработки (отжиг, закалка).

В доэвтектоидных сталях при нагреве от А1 до А3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит (рис. 6.2). В заэвтектоидных сталях при нагреве от А1 до Аст происходит растворение цементита вторичного (Fe₃С) в аустените. При этом выравнивается концентрация углерода и укрупняется зерно аустенита (рис. 6.2).

Температура нагрева под закалку для доэвтектоидной стали не должна превышать А3 + (30…50 °С). Для заэвтектоидной стали не должна превышать А1 + (30...50 °С). Нагрев заэвтектоидной стали до температуры, значительно превышающий А3 и Аст, приводит к образованию крупного действительного зерна. Такой нагрев называют перегревом.

Нагрев до еще более высоких температур в окислительной атмосфере сопровождающийся образованием по границам зерен окислов железа с частичным оплавлением, называется пережогом.

Рис. 6.2 Фрагмент диаграммы железо - цементит

Перегрев и пережог являются браком при термической обработке. Причем перегрев можно исправить охлаждением и последующим повторным нагревом до необходимой температуры, а пережог является неисправимым браком.

Мелкозернистые стали имеют значительно более высокую вязкость, несколько более высокую прочность и твердость в сравнении с крупнозернистыми. Крупнозернистые стали имеют также ряд преимуществ. Эти стали имеют лучшую прокаливаемость; жаропрочные аустенитные стали с крупным зерном лучше сопротивляются ползучести.

Превращения в стали при охлаждении (II превращение)

При медленном охлаждении происходит эвтектоидное превращение аустенита Feγ(С)→ Feα + Fe3С; А→Ф+ЦII

Распад аустенита состоит из двух одновременно протекающих процессов: перехода Feγ→ Feα и образования цементита Fe₃С.

При перлитном превращения ведущей фазой является цементит (Fe₃С). Зарождение зародыша Fe₃С происходит на границе зерна (рис. 6.3), далее пластинка прорастает в середину зерна, а соседние участки обедняются углеродом и образуется феррит.

Рис. 6.3 Последовательность превращений при охлаждении: а - первичные пластинки цементита в феррите; б - вторичные пластинки цементита в феррите; в – колонии перлита

Структуру феррито-цементитной смеси различной дисперсности называют перлитом, сорбитом, трооститом.

Дисперсность структуры определяет механические свойства стали: перлит имеет твердость 200НВ, сорбит – 300НВ, троостит – 400НВ Перлитом называют механическую смесь кристаллов феррита и цементита (рис. 6.4, а).

Рис. 6.4. Структуры феррито-цементитной смеси различной дисперсности

Сорбитом называют более мелкую (дисперсную), чем перлит, механическую смесь феррита и цементита (рис. 6.4, б). Сталь, в которой преобладает структура сорбита, обладает высокой прочностью и пластичностью. Троостит представляет собой очень тонкую смесь феррита и цементита (рис. 6.4, в), отличается от перлита и сорбита очень высокой степенью дисперсности составляющих. Сталь со структурой троостита обладает повышенной твердостью (НВ 330—400), достаточной прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью.

Таким образом, основным фактором, определяющим свойства образующихся структур, является температура превращения. Если на кривую нанести лучи (термические линии охлаждения), то получим следующую схему (рис. 6.5).

Рис. 6.5

При медленном охлаждении образца луч V1 пересечет кривые I и II в точках а1, и b1 При этих температурах происходит превращение аустенита в перлит. При большей скорости охлаждения луч V2, пересечет кривые в точках а2 и b2, и аустенит полностью превратится в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения луч V3, проходит через точки а3, и b3, и образуется новая структура - троостит.

Далее по мере ускорения процесса охлаждения лучи будут все круче (линии V4 и V5.) и первое превращение аустенита в троостит не успеет закончиться. Оставшаяся часть переохлажденного аустенита (точки а4 и а5,) начнет превращаться в троостит с мартенситом. Наконец, при больших скоростях охлаждения, когда луч Vкр касается кривой I (начала распада аустенита) и пересекает горизонталь Мн, в стали получается только мартенсит. Скорость охлаждения, при которой в закаливаемой стали из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Чтобы закалить сталь, ее охлаждают со скоростью, не меньшей, чем критическая (например, V6).

Мартенситное превращение ( III превращение)

Мартенситное превращение в отличие от перлитного имеет бездиффузионный характер. Мартенсит является основной структурой закаленной стати. Он имеет высокую твердость, зависящую от содержания углерода в стали. Чем больше содержится углерода в мартенсите, тем выше твердость в стали. Так, например, для стали с содержанием 0,4% углерода твердость мартенсита составляет HRC 52-54, а для стати с содержанием углерода 1,0% - HRC 62-64.

Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу. При резком переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. В этом случае происходит только перестройка решетки γ-железа в решетку α-железа. Атомы углерода остаются в решетке α-железа (мартенсите) и поэтому сильно ее искажают.

Такую искаженную кристаллическую решетку называют тетрагональной, в которой один параметр с больше другого а и, следовательно, отношение параметров с/а>1. Степень искаженности (тетрагональности) зависит от содержания углерода в стали: она тем выше, чем больше углерода в стали. Следовательно, мартенсит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе, которое способно растворять небольшое количество углерода (до 0,02%), а в мартенсите углерода столько, сколько его содержится в аустените этой стали, поэтому мартенсит является твердым раствором α-Fe, перенасыщенным углеродом.

Рис. 6.6 Микроструктуры мартенсита

Мартенсит имеет характерное игольчатое строение (рис. 6.6, а). Чем мельче зерна аустенита, тем мельче получаются зерна мартенсита (рис. 6.6, б). Такая структура характерна для правильно закаленной стали.

Для аустенитно-мартенситного превращения характерно то, что оно происходит в интервале температур. Начинается превращение при температуре Мн, а заканчивается при более низкой температуре Мк. Чем больше в стали углерода, тем ниже температура точек Мн и Мк (рис. 6.7). При содержании углерода более 0,6 % мартенситное превращение оканчивается при температурах ниже нуля.

Рис. 6.7

Однако при температуре конца мартенситного превращения (точка Мк) не происходит полного образования мартенсита. Аустенит А частично остается не превращенным в мартенсит и называется остаточным аустенитом. В конструкционных углеродистых статях остаточный аустенит составляет 5 %. Закаленные высокоуглеродистые стали содержат большее количество остаточного аустенита – до 12 %.

Итак, особенностями мартенситного превращения являются:

1) бездиффузионный сдвиговый механизм;

2) ориентированность кристаллов в пространстве;

3) ультразвуковая скорость образования порции кристаллов мартенсита;

4) тетрагональность решетки (с/а);

5) незаконченность превращения А → М;

6) необратимость превращений А → М;

7) очень высокая твердость мартенсита (HRC 55-65) и хрупкость из-за повышенной плотности дефектов (дислокаций) внутри кристалла мартенсита.

Превращения в закаленной стали при нагреве (IV превращение)

Различают 4 основных превращения при нагреве закаленной стали (рис. 6.8). Все процессы идут внутри мартенситных пластин (игл) поэтому характер игольчатой структуры сохраняется до высоких температур.

Рис. 6.8 Дилатометрическая кривая отпуска закаленной стали

Первое превращение при отпуске происходит в интервале 80-200°С и называется «двухфазным» или «гетерогенным» расплавом мартенсита. Выделяются тончайшие пластины карбида, уменьшается степень тетрагональности с/а→1, образуется «отпущенный мартенсит». Это превращение сопровождается сокращением объема образца.

Второе превращение происходит в интервале от 200 – 300 °С. Одновременно идут процессы:

• образуются карбиды железа, когерентно связанные с решеткой мартенсита;

• остаточный аустенит переходит в «отпущенный мартенсит» (бейнит нижний). Процесс сопровождается увеличением объема;

• продолжается выделение углерода из мартенсита (с/а→1);

• начинается карбидное обособление - образование карбида железа по схеме: Fe_xС→ Fe₂С→ Fe₅С→ Fe₃С.

Третье превращение происходит в интервале от 350–450 °С. Увеличивается скорость диффузии, карбид железа выделяется из решетки мартенсита. Степень тетрагональности с/а →1. Образуется дисперсная смесь феррита и цементита (троостит отпуска).

Четвертое превращение происходит выше 400–450 °С. Растут частицы карбида (коагуляция) и сливаются, округляются. Тонкая феррито-цементитная структура превращается при температуре 600–650 °С в перлит.