24

Лекция 9

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ И ЧУГУНА

9.1. Виды термической обработки стали

Термическая обработка стали состоит в нагреве до опреде­ленной, температуры, выдержке и последующем охлаждении (рис. 9.1, а) с целью изменения структуры, а следовательно, и свойств. Основными факторами воздействия при термической обработке стали данного химического состава являются тем­пература и время. Изменяя скорость нагрева или охлаждения можно либо ускорить, либо замедлить протекание фазовых превращений в стали.

Протекающие при термической обработке фазовые превращения начинаются при температуре А₁ и заканчиваются при температуре точки Аз. Для многих видов термической обработки сталь нагревают до температур выше точки образования аустенита А₁_(процесс аустенитизации). Скорость фазового превращения феррито-цементитной структуры в аустенит, кроме температуры нагрева, зависит от исходного состояния, т. е. чем тоньше феррито-цементитная структура, тем больше возни­кает зародышей аустенита, быстрее протекает процесс аустенитизации, в результате которого получают действительное зерно аустенита, размер которого обусловлен температурой нагрева, продолжительностью выдержки и склонностью данной стали к росту зерна при нагреве.

При стандартных условиях техноло­гической пробы по склонности к росту_зерна различают два типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые. Первые из них определяются условиями раскисления стали и ее составом. Стали, раскисленные алюми­нием, наследственно мелкозернистые, так как в них образуются дисперсные частицы АlN, которые при нагреве до 950-1000 °С тормозят рост зерна аустенита; легирующие элементы Ti, V, Zr, Nb, W, Mo и др. также задерживают рост аустенита.

В наследственно крупнозернистой стали при нагреве до более низких температур (но выше точки Ас₁) при стандартных усло­виях технологической пробы вырастают более крупные зерна.

Рис. 7.1. Диаграмма состояния системы Fе—С

Рис. 4.9. Кривая охлаждения чистого железа

Все основные виды термической обра6отки можно разделить на пять групп (по А. А. Бочвару).

Первая группа — отжиг первого рода, или низкий отжиг.

Этот вид термической обработки состоит в том, что металл приведенный в неустойчивое состояние предшествовавшей обра­боткой (холодная пластическая деформация, дендритная лик­вация или неоднородность состава зерна металла при кри­сталлизации, неравномерность приложения нагрузки к дефор­мируемому телу и т. д.), нагревается до температуры ниже температуры фазового превращения (ниже точки Ас₁, рис. 9.1, б, кривая 1), При этом снимаются остаточные напряжения и искажения кристаллической решетки, протекает процесс рекристаллизации и увеличивается скорость диффузионных процессов, что

время время

Рис. 9.1. График термической обработки стали (а) и изменения температуры во вре­мени при различных видах термической обработки (б);

/—нагрев; //—выдержка; ///—охлаждение

приводит к более устойчивому состоянию и изменению свойств стали.

Вторая группа—отжиг второго рода, или полный отжиг. Особенностью этой термической обработки является нагрев стали выше температур фазового превращения (выше точки А_сз) и охлаждение с малой скоростью, приводящий сталь к равновесному состоянию, что обеспечивает изменение свойств стали, имевшихся до термической обработки (рис. 9.1,6, кривая 3).

При нагреве стали выше точки Ас₁, но ниже точки Асз, пол­ной перекристаллизации не происходит. Такой вид термической обработки называется неполным отжигом (рис. 9.1,6, кривая 2). В этом случае не достигается полного структурного равно­весия.

Если сталь нагреть выше точки А_сз и затем охладить ее на спокойном воздухе (рис. 9.1,6, кривая 4), то получающаяся структура также будет иметь определенные отклонения от равновесного состояния. Этот вид термической обработки на­зывают нормализацией.

Третья группа — закалка.

При закалке сталь нагревают выше температуры фазового превращения (выше точки А_сз), затем выдерживают при этой температуре и быстро охлаждают

(рис. 9.1,6, кривая 5), в результате чего при комнатной тем­пературе получается структурно-неустойчивое состояние стали;

оно фиксирует какую-то промежуточную стадию структурного превращения, между состояниями стали при температуре выше точки А_с3 и комнатной температуре.

При нагреве до температуры между точками А_с1 и А_с3, не­которой выдержке при этой температуре и последующем бы­стром охлаждении получается неполная закалка, характери­зующаяся тем, что только определенная часть структуры стали будет иметь неустойчивое состояние.

Четвертая группа—отпуск.

Эту термическую обработку применяют для последующей, или вторичной, обработки зака­ленных сталей. Если нагреть закаленную сталь ниже темпера­туры точки Ас₁ (рис. 9.1,6, кривая 6), то благодаря большой подвижности атомов ускоряются процессы, приближающие сталь к равновесному состоянию.

Отпуск можно заменить длительной выдержкой при комнатной температуре или нагревом до невысоких температур. При этом также протекают процессы, хотя и с меньшей скоростью, приближающие структуру закаленной стали к равновесному состоянию. Такой отпуск иногда называют старением. Старе­ние при комнатной температуре называют естественным, а при нагреве до невысоких температур—искусственным.

Пятая группа—химико-термическая обработка..

Эта обра­ботка состоит в том, что при повышенных температурах про­исходит диффузия атомов вещества, окружающего стальное изделие, в его поверхностные слои, в результате чего изменя­ются химический состав и свойства поверхностных слоев.

9.2. Превращения в стали при нагреве и охлаждении

Согласно диаграмме состояния системы железо—углерод, при изменении концентрации углерода в сплаве или температуры одно состояние является более устойчивым, чем другое. Этим и вызываются фазовые превращения, протекающие в стали.

Рис. 7.1. Диаграмма состояния системы Fе—С

Рассмотренные выше виды термической обработки осно­ваны на четырех основных превращениях, протекающих в стали определённого состава при нагреве и охлаждении.

Первое основное превращение происходит при нагреве стали до температуры выше точки Ас₁. Это превращение перлита в аустенит.

При температурах ниже температур эвтектоидных превра­щении стали имеют разную структуру: доэвтектоидные П+Ф, эвтектоидные П, заэвтектоидные П+Ц₁₁. Нагрев стали любого состава до температур выше точки Ас₁. сопровождается фазо­вым превращением П→А, так как при этих температурах более устойчивым (обладающим меньшей свободной энергией)

является аустенит. Это превращение происходит при нагреве для осуществления трех основных видов термической обработки

стали—отжига (за исключением низкого отжига), нормализации и закалки.

Второе основное превращение протекает при охлаждении до температур ниже точки Аг₁—это превращение аустенита в перлит (А→П). Структурные изменения, связанные с этим превращением, были подробно рассмотрены ранее (см. гл. 7, п. 7.2). Это превращение протекает при медленном охлаждении и наблюдается при различных видах отжига и нормализации.

Третье основное превращение происходит также при ох­лаждении до температур ниже гочки Ar₁ —это превращение аустенита в мартенсит

(А→М). Для протекания этого превра­щения необходима большая скорость охлаждения. Такая скорость охлаждения достигается при закалке.

Между вторым и третьим основными превращениями в за­висимости от скорости охлаждения имеются еще промежуточ­ные превращения аустенита.

Четвёртое основное превращение, протекающее при темпе­ратурах ниже точки А₁, — это превращение мартенсита в перлит (М—>П). Оно связано с неустойчивостью мартенсита при рас­сматриваемых температурах и происходит при отпуске. Превращение перлита в мартенсит невозможно, гак как мартенсит обладает при всех температурах большей свободной энер­гией, чем перлит.

Превращения в стали при нагреве

Для ознакомления с механизмом основных превращений в стали при нагреве рассмотрим изменения как следствие фа­зовых превращений в эвтектоидной стали.

Рис. 7.3. Вторичная кристаллизация сплавов Fе —С.

время, мин.

Рис. 9.2. Схема превращения перлита в аустенит в зависимости от температуры и скорости нагрева:

/—кривая начала превращения П→А; 2— кривая конца превращения П→А

Образец стали нагреем до температуры выше точки А_с1, на­пример до 900 "С. При достижении температуры 727 °С, сог­ласно диаграмме состояния Fе—С, начинается превращение перлита в аустенит. Нагрев до 900 °С ведет к более интенсив­ному превращению перлита в аустенит. Чем больше перегрев стали, тем с большей скоростью протекает превращение. Так, при быстром нагреве до 770^оС и выдержке при этой темпе­ратуре превращение перлита в аустенит завершится за 2 мин (рис. 9.2), а при 745 °С—за 4 мин. В первом случае перегрев составлял Δt = 770—727=43 °С, а во втором Δt ‘==18 °С.

Из приведенного графика следует, что скорость превраще­ния перлита в аустенит зависит от температуры и скорости нагрева. Если образец нагревать, например со скоростью v₂, то превращение П→А начнется при 745 °С (в точке а"} и за­кончится при этой температуре через 4 мин (в точке b'). Если образец нагревать без выдержки с той же скоростью v₂, то на-

чатое при 745 °С превращение (в точке а") закончится при­мерно при 765 °С (в точке b"} через 1,5 мин. При меньшей скорости нагрева v_i превращение П→А начнется при 732 °С (в точке а') и закончится при 743 °С (в точке b') через 3,5 мин. Следовательно, реальные превращения перлита в аустенит протекают при температурах выше точки A₁ и не при одной температуре, а в интервале температур, зависящем от скорости нагрева (при скорости нагрева v₁ интервал 732 .. . 743 °С, а при v₂—интервал 745...765 °С).

время, мин.

Рис. 9.2. Схема превращения перлита в аустенит в зависимости от температуры и скорости нагрева:

/—кривая начала превращения П→А; 2— кривая конца превращения П→А

В процессе превращения перлита в аустенит на границе между ферритом и це­ментитом образуется множество зародышей — начальных и мелких зерен аустенита. Количество за­родышей аустенита, возни­кающих при данной темпе­ратуре, будет тем больше, чем выше содержание угле­рода в стали и чем дисперснее частицы цементита в перлите. Последующая выдержка при температуре превращения или повыше­ние температуры вызывает рост начальных зерен аусте­нита до определенной величины, зависящей от выдержки при температуре превращения или температуре дальнейшего на­грева.

Величина начального зерна аустенита зависит от количества

зародышей, возникающих в данном объеме в единицу времени и скорости их роста. Чем дисперснее частицы цементита в перлите, тем мельче начальное зерно аустенита. Последующий рост зерен аустенита происходит увеличением одних зерен за счет других, более мелких, термодинамически менее устойчивых. При этом в начальный период их размеры увели­чиваются незначительно. Этот период называют инкубационным; он тем меньше, чем выше температура (см. рис. 9.2, расстояние от оси ординат до точки а" при 743 °С или до точки а' при 732 °С). После окончания инкубационного периода про­исходит интенсивный рост зерен до размеров, зависящих от температуры нагрева, выдержки и др. условий обработки.

В результате превращения П→А появляются зёрна аустенита, неоднородные по составу, так как в местах, где были пластинки цементита, углерода будет больше, чем в местах, где имеются зерна феррита. Для получения однородного по составу аустенита необходимо несколько повысить температуру окончания превращения или дать определенную выдержку при температуре конца превращения, чтобы обеспечить проте­кание диффузионных процессов выравнивания состава внутри зерен аустенита.