9. Термическая обработка сталей

9.1. Общие сведения о термообработке сталей

Термообработкой (ТО) называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения их внутренней структуры. Термообработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости материала давлением или резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств готовому изделию.

Поскольку основными параметрами термообработки являются температура и время, то любой режим термообработки может быть представлен графиком зависимости температуры от времени.

T,С

T_нагр

t_выд

t, с





Рис. 9.1. Режим термообработки материала

Здесь T_нагр – температура до которой нагревают материал, а t_выд – время его выдержки при данной температуре. Углы наклона  и  отражают, соответственно, скорость нагрева и скорость охлаждения материала. Чем больше их значение (т.е. чем круче соответствующая линия), тем выше скорость нагрева или охлаждения материала.

После термообработки структура материала может быть равновесной (стабильной), либо неравновесной (метастабильной).

Термообработка сталей включает следующие основные операции: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск и старение.

Отжиг заключается в нагреве сталей до определённых температур с последующим медленным их охлаждением вместе с печью. В процессе отжига структура сталей приходит к равновесному состоянию.

Если после нагрева охлаждение производится не вместе с печью, а на воздухе, то такую операцию называют нормализацией.

Закалка это термическая операция, состоящая в нагреве сталей до температур выше температур фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением со скоростью выше критической. В процессе закалки структура сталей приходит к неравновесному состоянию.

Отпуск состоит в нагреве закалённых сталей до температур ниже температур фазовых превращений. При отпуске метастабильная структура закалённых сталей приходит к более равновесному состоянию.

Самопроизвольный отпуск сталей с течением времени без нагрева или при незначительном нагреве называют старением.

В основе термообработки сталей лежат следующие структурно-фазовые превращения:

1. Превращение перлита в аустенит при нагреве стали: (Fe_α + Fe₃C → Fe_γ(C) или П = Ф + Ц → А).

2. Превращение аустенита в феррито-цементитную смесь при медленном охлаждении стали: (Fe_γ(C) → Fe_α + Fe₃C или А → Ф + Ц).

3. Превращение аустенита в мартенсит при быстром охлаждении стали (мартенсит это перенасыщенный твёрдый раствор углерода в -железе): (Fe_γ(C) → Fe_α(C) или А → М).

4. Превращение мартенсита в феррито-цементитную смесь при отпуске закалённой стали: (Fe_α(C) → Fe + Fe₃C или М → Ф + Ц)

9.2. Превращение перлита в аустенит при нагреве стали

Если нагревается эвтектоидная сталь, состоящая только из зёрен перлита, превращение перлита в аустенит, согласно диаграмме состояния, происходит при температуре 727С. В реальных же условиях неравновесного, относительно быстрого нагрева такое превращение происходит при более высоких температурах, т.е. в условиях некоторого перегрева перлита. Чем выше степень перегрева перлита, тем быстрее идёт превращение. Этот процесс состоит из двух элементарных подпроцессов: из полиморфного превращения -железа в -железо и растворения углерода цементита в -железе. Полиморфное превращение опережает процесс растворения цементита, поэтому требуется некоторое время для выравнивания аустенита по химическому составу.

Зёрна аустенита всегда образуются маленькими, но с увеличением температуры растут. По склонности к росту зерна аустенита, стали подразделяют на наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые. Склонность к росту зерна зависит от химического состава стали. При повышении температуры может наблюдаться перегрев стали, который сопровождается значительным увеличением размера зерна. С увеличением размера зерна снижается вязкость и повышается порог хладноломкости стали. Перегрев можно исправить повторным нагревом стали до более низких температур. При более высоком нагреве может происходить окисление по границам зерен аустенита. Такое явление называется пережогом. Пережог характеризуется камневидными изломом стали и является неисправимым дефектом.