Основные виды термической обработки стали

Отжиг стали заключается в нагреве ее до температур фазо­вых превращений, выдержке при данной температуре с последующим медленным охлаждением (обычно вместе с печью). Скорость ох­лаждения при отжиге должна обеспечить превращение аустенита в перлит.

Полный отжиг проводится с нагревом стали выше точки A_С3 на 30 - 50°С. Он применяется для доэвтектоидных сталей после горячей обработки давлением с целью снижения твердости, повы­шения пластичности и ударной вязкости, улучшения обрабатыва­емости резанием, измельчение зерна, а также с целью подготов­ки структуры к окончательной термической обработке. Для этих целей для заэвтектодцных сталей применяется неполный отжиг, который проводится с нагревом до температуры А_С1+(30-70°С), так как при полном отжиге заэвтектоидных сталей (нагрев вы­ше А_СТ) при медленном охлаждении Fe₃C_II выделяется в виде сет­ки по границам зерен перлита, а сам перлит имеет грубое плас­тинчатое строение. Такая структура обладает повышенной хруп­костью и склонна к деформации и к трещинам при последующей, закалке.

Доэвтектоидная сталь после полного отжига имеет структуру феррит + перлит, заэвтектоидная сталь после неполного отжига – перлит + зернистый цементит.

Разновидностью неполного отжига является отжиг на зер­нистый перлит (сфероидизация), который применяется для заэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Сталь со структурой зернис­того перлита (цементит в нем находится в виде зерен) обладает более низкой твердостью, повышенной вязкостью и менее склонна к деформации и образованию трещин при закалке, чем сталь со структурой пластинчатого перлита.

Зернистый перлит чаще получают циклическим отжигом (рис.6). Число циклов берут в зависимости от требуемой степени сфероидизации (обычно 5-6 циклов).

Отжиг - длительная и, следовательно, дорогая операция. Более дешевым и простым видом предварительной термообработки деталей машин из углеродистых сталей является нормализация.

При нормализации сталь нагревают так же, как при отжиге (доэвтектоидную выше А_С3, заэвтектоидную выше А_С1), после непродолжительной выдержки охлаждают на спокойном воздухе. Цель нормализации та же, что и при полном и неполном отжиге.

П осле нормализации углеро­дистые стали имеют ту же струк­туру, что и после отжига, но с увеличением содержания углерода в доэвтектоидных сталях увеличи­вается дисперсность перлита и его количество, что несколько повы­шает твердость стали.

В заэвтектоидных сталях нор­мализация с температуры А_С1 пред-­ назначена для устранения цементитной сетки.

3акалкa cтали заключается в нагреве ее выше температур фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением (в во­де, масле и т.п.).

При быстром охлаждении происходит неравновесный распад аустенита и из него формируются нестабильные структуры закал­ки (мартенсит, троостит, сорбит). В этом принципиальное отли­чие закалки от различных разновидностей отжига, при которых возникают более или менее равновесные структуры. Закалка - ос­новная упрочняющая операция термообработки стали, так как только после закалки удается получить максимальную твердость и прочность. Для получения максимальной твердости охлаждение стали проводится со скоростью больше критической, когда аустенит превращается в мартенсит. В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды закалок (рис.1).

Полная закалка применяется только для доэвтектоидных ста­лей, температура нагрева А_С3 + (30 - 50°).

Перегрев стали, т.е. нагрев выше А_С3 на 100 - 200° способствует росту зерна аустенита, что снижает вязкость стали.

Неполная закалка применяется только для заэвтектоидных сталей, температура нагрева А_С1 + (50 - 70°).

Подвергать неполной закалке доэвтектоидную сталь нельзя, ибо при температуре выше А_С1 и ниже А_С3 структура стали будет состоять из аустенита и феррита. При последующем охлаждении со скоростью больше критической - аустенит переходит в мартенсит, а феррит остается без изменения. Наличие мягкого фер­рита наряду с мартенситом снижает твердость стали, не увели­чивая ее вязкости и пластичности.

После неполной закалки заэвтектоидной стали со скоростью охлаждения больше критической, сталь будет иметь структуру мар­тенсита, вторичного цементита и остаточного аустенита. Цемен­тит вторичный обладает высокой твердостью и, следовательно, не будет снижать твердости закаленной стали. Вторичный цементит должен присутствовать в виде мелких, равномерно распределенных зернышек. Полная закалка заэвтектоидной стали (с А_С3) ведет к получению структура крупноигольчатого мартенсита с повышен­ным количеством остаточного аустенита, что снижает вязкость, и твердость стали и, увеличивает напряжения, которые, могут вы­зывать появление трещин при закалке.

Отпуском называют нагрев закаленной стали до температуры ниже критической точки А_С1, в результате которого неустой­чивые структуры (мартенсит и остаточный аустенит) переходят в более стабильные мартенсито-карбидные или феррито-цементитные смеси.

Отпуск - заключительная операция термообработки стали. 0н снимает внутреннее напряжеиие и обеспечивает получение желаемого сочетания маханических свойств путем регулируемого сни­жения прочности и повышения пластичности.

Различают четыре превращения яри отпуске:

1) превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска происходит в температурном интервале 80 - 170°С. Сущность первого превращения заключается в распаде пересыщенного α - твердого раствора (мартенсита закалки) на когерентную смесь не­ стабильного пластинчатого карбида Fe_XC и малоуглеродистого мартенсита; последнюю структуру именуют мартенситом отпуска;

2) распад остаточного аустенита на мартенсит отпуска у закаленной углеродистой стали имеет место при температурах 180 - 250°С. Процесс сопро­вождается некоторым увеличением твер­дости и объема образца;

3) превращение мартенсита отпуска в феррито-цементитную смесь происходит при 300 -. 400°С. При этом α-твердый раствор приобретает почти равновесную концентрацию углерода ( С = 0,1%), а избыток углерода выделяется в виде весьма мелкодисперсных глобулей цементита Fe₃C. Такую структуру име­нуют трооститом отпуска;

4) при температурах 400 - 600°С происходит процесс сфероидизации и коагуляции цементитных частиц. Структура после четвертого превращения именуется сорбитом отпуска. Сорбит, как и троостит, представляет феррито-цементитную смесь, но цементитные частицы имеют большие размеры и более откругленную форму.

В практике термообработки различают три вида отпуска:

1. Низкий отпуск - нагрев закаленной стали до 100-200°С с целью снятия внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности без существенного понижения твердости. Сталь получает структуру мартенсита отпуска.

2. Средний отпуск - нагрев закаленной стали до 300-400°С. Сталь получает структуру трооотита. После среднего отпуска наблюдается повышение упругих свойств стали и снижение твердости, прочности и ударной вязкости (необратимая отпускная хрупкость). Этому отпуску подвергаются только детали, которые должны иметь высокие упругие свойства (рессоры и пружины).

3. Высокий отпуск – нагрев закалочной стали до 500-600°C. Структура стали - сорбит отпуска. Высокий отпуск дает снижение твердости и рост пластичности, вязкости, более полное снятие напряжений и обеспечивает наилучшее сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости.

Закалка и высокий отпуск называются термическим улучшением стали. Термоулучшению подвергаются ответственные детали машин.

Скорость охлаждения углеродистых сталей после отпуска не меняет структуры и свойств и поэтому используют, как пра­вило, охлаждение на воздухе.