ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения стальных деталей с целью изменения их структуры и свойств. Это один из самых распространенных в технике и самых эффективных способов изменения структуры и свойств сталей и сплавов, обусловленных протеканием различных фазовых превращений.

Классификация основных видов термической обработки была разработана академиком А. А. Бочваром. Термическая обработка включает четыре основных вида: отжиг, закалку, отпуск и старение.

Отжигом называют вид термической обработки, при которой фор-мируются близкие к равновесным структуры материалов, в которых неравновесные состояния возникли в результате предшествующих видов воздействия (литье, ковка, прокатка, сварка и т. п.). Существуют два основных типа отжига – отжиг первого рода, при котором могут не протекать фазовые превращения, например, рекристаллизационный, и отжиг второго рода, сопровождающийся фазовыми превращениями (полный и неполный отжиги). При отжиге сталь охлаждают очень медленно, обычно вместе с печью.

Закалкой стали называют процесс, при котором металл нагревают до температур выше температур фазовых превращений и быстро охлаждают для получения неустойчивых состояний. При закалке сталь приобретает высокую твердость.

Отпуском предварительно закаленных сталей и сплавов называют технологические операции, проводимые с целью получения более ус-тойчивых структурных состояний. Термин отпуск применяют в тех случаях, когда при закалке материал претерпевает полиморфные превращения.

Старением называют процесс распада пересыщенных закаленных твердых растворов, в которых при закалке не происходило полиморфных превращений. Как правило, этот процесс осуществляется при нагреве металла.

Возможность или невозможность проведения того или иного вида обработки определяется на основании анализа диаграмм состояний. Основой для изучения термической обработки стали является диаграмма состояний железо-цементит. Приведем общепринятые обозначения критических точек. Критические точки обозначаются буквой А. Нижняя критическая точка обозначается А₁ и соответствует линии PSK диаграммы. Верхняя критическая точка А₃ соответствует линии GSE (рис. 3.5). Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с – при нагреве и r – при охлаждении.

Рассматривая структурные превращения в стали, следует выделить три основные структуры:

аустенит (А, γ) – твердый раствор углерода в Fe_γ;

мартенсит (М) – перенасыщенный твердый раствор углерода в Fe_α;

перлит (П) – эвтектоидная смесь одновременно образующихся феррита и цементита (Ф + Fе₃С).

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения:

1) превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки А₁.

2) превращение аустенита в перлит, протекающее ниже точки А₁.

3) превращение аустенита в мартенсит.

4) превращение мартенсита в феррито-карбидную смесь.

Возможность протекания указанных превращений определяется соотношением свободных энергий основных структур (рис. 3.1). Устойчивой в данных условиях является та структура, которая обладает минимальным запасом свободной энергии.

Рис. 3.1. Изменение свободных энергий аустенита F_А, мартенсита F_М и перлита F_П с изменением температуры

На машиностроительные заводы углеродистые стали поставляются в отожженном состоянии. Медленное охлаждение стали при отжиге обеспечивает получение равновесной структуры с низкой твердостью и прочностью при высокой пластичности, а следовательно, и хорошую обрабатываемость резанием и другими методами. После получения деталей их подвергают упрочняющей термической обработке, которая заключается, как правило, в закалке и отпуске. Закалкой называют термическую обработку, состоящую из нагрева доэвтектоидных сталей до температур выше критической точки Ас₃, а заэвтектоидной стали – выше Ас₁, выдержке при этой температуре с последующим быстрым охлаждением с критической или более высокой скоростью. При закалке сталь приобретает высокую твердость.

При закалке сталь нагревается до аустенитного состояния. Превращение перлита в аустенит происходит при температуре более высокой, чем указано на диаграмме железо-цементит. Кривые на рис. 3.2 показывают, что чем выше температура, тем быстрее протекает превращение, и что чем быстрее осуществляется нагрев, тем при более высокой температуре происходит превращение. В результате такого нагрева происходит полиморфное превращение в железе Fe_α → Fe_γ (кристаллическая решетка железа из объемно-центрированной кубической превращается в гранецентрированную кубическую), при этом весь углерод, который входил в состав перлита в виде цементита, растворится в гранецентрированной кубической решетке железа. Превращение перлита в аустенит сопровождается измельчением зерна, так как в одном зерне перлита возникает множество зародышей аустенита на границах пластин феррита и цементита. Дальнейший нагрев по окончании превращения вызывает укрупнение аустенитных зерен, скорость роста которых определяется тем, какая используется сталь – наследственно мелкозернистая или наследственно крупнозернистая.

Теперь резко охладим сталь, например, погружением в воду, то есть проведем закалку. Температура стали быстро понизится до комнатной. При этом неминуемо происходит обратная перестройка кристаллической решетки – из гранецентрированной в объемноцентрированную (Fe_γ → Fe_α). Но при комнатной температуре подвижность атомов углерода ничтожно мала, и они не успевают при быстром охлаждении выйти из раствора и образовать цементит. В этих условиях углерод как бы насильственно удерживается в решетке Fe_α-железа, образуя перенасыщенный твердый раствор. При этом атомы углерода распирают решетку железа, создавая в ней большие внутренние напряжения. Решетка вытягивается вдоль одного направления так, что ячейка из кубической превращается в тетрагональную, то есть принимает форму прямоугольной призмы (рис. 3.3), которая характеризуется показателем тетрагональности (с/a > 1). Такое превращение, происходящее по бездиффузионному сдвиговому механизму, сопровождается и структурными изменениями. Возникает игольчатая структура, известная под названием мартенсита – перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-Fe. Кристаллы мартенсита представляют собой очень тонкие пластины, ориентированные относительно друг друга под углом 60 или 120°. В поперечном сечении, которое получается на микрошлифе, такие пластины под микроскопом представляются в виде игл.

Рис. 3.2. Превращение перлита в аустенит у эвтектоидной стали

Удельный объем мартенсита больше удельного объема аустенита, из которого этот мартенсит образуется, поэтому образование мартенсита сопровождается возникновением больших внутренних напряжений, а это приводит к появлению большого числа дислокаций в кристаллах мартенсита. Если закаленную сталь с мартенситной структурой попытаться деформировать, то многочисленные дислокации, двигаясь в различных направлениях, будут встречаться и блокировать друг друга, взаимно препятствуя их дальнейшему перемещению. Таким образом создаются многочисленные препятствия для движения дислокаций, что повышает сопротивление пластической деформации, а следовательно, увеличивает твердость и прочность стали. Твердость мартенсита НВ 6000–7000 МПа, (HRC 62–66), а показатели пластичности δ, ψи ударная вязкость КСU близки к нулю.

Рис. 3.3. Атомная решетка тетрагонального мартенсита:

светлые кружки – атомы железа, черные кружки – атомы

углерода

Мартенсит в структуре стали образуется только при охлаждении с критической скоростью V_крили более высокой. При охлаждении с меньшей скоростью, например, в масле, а не в воде, образуется структура троостит, на воздухе – сорбит (названия даны по именам ученых Трооста и Сорби). По своему строению сорбит и троостит сходны с перлитом, то есть представляют смеси феррита с цементитом, но отличаются степенью дисперсности (толщиной пластин) феррита и цементита.

Критическая скорость охлаждения, обеспечивающая превращение аустенита в мартенсит, может быть определена по диаграмме изотермического распада аустенита (рис. 3.4). Диаграмма строится на основе исследования превращения переохлажденного аустенита при постоянных температурах. Начало и конец превращения аустенита в перлит на этой диаграмме представляются в виде двух С-образных кривых. Диаграмма строится в координатах температура-время. В этих же координатах изображаются и кривые охлаждения, что позволяет их совместить. В доэвтектоидных сталях превращению аустенита в перлит предшествует выделение феррита, а в заэвтектоидных – цементита.

Рис. 3.4. Диаграмма изотермического распада аустенита в стали 40 и кривые охлаждения:

1 – начало превращения аустенита в перлит; 2 – конец превращения аустенита в перлит; 3 – начало выделения феррита

Линия V₁, характеризующая медленное охлаждение, пересечет С-образные кривые при высокой температуре, и продуктом распада аустенита будет перлит с низкой твердостью. При повышении скорости охлаждении (V₂, V₃) кривые охлаждения пересекают линии диаграммы при более низких температурах и образуются более дисперсные смеси феррита и цементита – сорбит и троостит. Если же охлаждать аустенит со скоростью выше критической (V₄), то распад аустенита в феррито-цементитные смеси не успевает произойти, аустенит переохладится до низких температур и превратится в мартенсит, то есть произойдет закалка.

Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки (V_кр).

Превращение аустенита в мартенсит протекает в определенном температурном интервале: начинается при температуре М_н и заканчивается при температуре М_k (эти температуры называют мартенситными точками). Положение мартенситных точек зависит от содержания углерода в стали. Точка М_k в заэвтектоидных сталях лежит в области отрицательных температур, что приводит присутствию в стали после закалки остаточного аустенита.

Результаты закалки во многом зависят от правильного выбора температур нагрева под закалку, которые определяются положением критических точек А₁ или А₃. В первом приближении температура нагрева при термической обработке может быть определена по диаграмме железо-цементит (рис. 3.5)по следующим зависимостям: для доэвтектоидных сталей t = А_С3 + (30–50) °С (полная закалка); для заэвтектоидных сталей t =A_С1+(30–50) °С (неполная закалка) В случае нагрева доэвтектоидной стали ниже оптимальной температуры происходит неполное превращение перлита и феррита в аустенит, и после закалки вместе с мартенситом будет присутствовать мягкий феррит. Нагрев заэвтектоидных сталей до температур ниже оптимальных практически не изменяет исходную структуру. Нагрев под закалку выше оптимальной температуры вызывает рост зерна аустенита, что приводит к образованию при охлаждении крупноигольчатого мартенсита и снижает ударную вязкость (надежность). Заэвтектоидные стали нагревают при закалке выше А_С1, так как присутствующий после охлаждения наряду с мартенситом цементит не снижает твердости, а перегрев не только вызывает рост игл мартенсита, но и увеличивает количество остаточного аустенита.

Углеродистые стали содержат, наряду с железом и углеродом, постоянные примеси: Мn, Si , S, P и другие элементы, которые смещают положение критических точек. Поэтому для определения температуры закалки стали используют экспериментальный метод пробной закалки. Сущность метода состоит в том, что из исследуемой стали в отожженном состоянии изготавливают образцы, которые закаливают с различных температур в интервале предполагаемого нахождения критических точек (ниже предполагаемых А_С1 и выше А_С3). Охлаждение образцов производится со скоростью выше критической. Поскольку целью закалки является получение высокой твердости стали, то после закалки на образцах измеряется твердость и по максимальному значению твердости определяется оптимальная температура закалки данной стали.

Рис. 3.5. Оптимальный интервал температур закалки углеродистой стали

Скорость охлаждения выше критической при закалке исследуемой в данной работе стали 40 обеспечивает охлаждение в воде. Для изучения влияния скорости охлаждения на твердость стали после закалки проводится охлаждение ее в масле и на воздухе. Охлаждающая способность этих сред показана в табл. 3.1. На практике вид охлаждающей среды выбирают, в основном, в зависимости от назначения деталей, их конфигурации и степени легированности. При оптимальном режиме закалки в интервале температур до изгиба С-образных кривых (рис. 3.4) необходимо охлаждать с высокой скоростью, а в интервале температур М_н – М_k охлаждать медленно. Такой режим исключает превращение аустенита в феррито-цементитные смеси в верхнем интервале температур и уменьшает напряжения при образовании мартенсита.

Таблица 3.1