Основы термической обработки сталей

      Выше  температуры максимальной устойчивости аустенита (относительно малые скорости охлаждения) получаются структуры перлит, сорбит и тростит. Образование их происходит в мягком пластичном аустените. Поэтому напряжения при образовании новых фаз (феррита и цементита) очень малы и перлитные участки получаются округленной формы, но цементит в них пластичный.

      Ниже  температуры минимальной устойчивости распад аустенита протекает в упругой среде, и выделение феррита и цементита сопровождается возникновением значительных напряжений. В таких условиях новой фазе легче расти игольчатой или пластинчатой форм очень малых размеров из-за малой скорости диффузии.

      Структура эта называется бейнитом или промежуточной структурой и в рассматриваемой стали может получится только при изотермической выдержке. Различают верхний и нижний бейнит. Верхний бейнит образуется при температурах чуть ниже перегиба кривых и имеет твердость около 450НВ,

нижний  образуется чуть выше начала образования  мартенсита (Мн) и имеет твердость  около 550НВ. Если скорость охлаждения достаточно велика и проходит левее максимума, то образуется структура закалки (М+Аост.).

      Скорость  охлаждения касательная к максимуму называется верхней критической скоростью закалки(Y_вкз).

      Верхняя критическая скорость закалки - такая минимальная скорость охлаждения, при которой полностью подавляется диффузия, и не выделяются феррит и цементит.

      Если  скорость охлаждения проходит между максимами распада, то получается структура состоящая из мартенсита и тростита. Такая структура после закалки нежелательна (из-за понижения твердости) и получается, обычно, при недостаточно быстром переносе стали из печи в закалочный бак.

      Диаграммы распада аустенита для сталей различного состава приводятся в справочниках. По ним можно определить тип получаемой структуры при различных скоростях охлаждения, критическую скорость закалки, что чрезвычайно важно при назначении режима термической обработки.

      В заключение отметим, что в легированных сталях скорость распада аустенита  замедляется за счет уменьшения скорости диффузии, кривые распада сдвигаются вправо, что позволяет получить мартенсит  при меньших скоростях охлаждения.

1.8. Превращения при нагреве мартенсита     

(при  отпуске закаленной  стали)         

 Мартенсит  при нагреве распадается на  феррито-цементитную смесь. Это  превращение протекает в несколько  этапов и зависит от температуры  нагрева.

      При температурах 150-200⁰ уменьшается степень искаженности решетки мартенсита (тетрогональность решетки) за счет уменьшения в ней углерода, который начинает выделяться в виде карбида близкого по составу к Fe₂C. Этот карбид еще недостаточно обособлен, и его решетка тесно связана с решеткой мартенсита. Такая структура называется мартенситом отпуска.

      При 200-300⁰ мартенсит еще более теряет свою тетрогональность, карбиды более обосабливаются. Остаточный аустенит (в высокоуглеродистых сталях) также начинает распадаться  на феррит и карбиды. Такую структуру называют бейнитом отпуска (в отличие от бейнита получаемого в изотермических условиях).

      При 300-400⁰ выделяются очень дисперсные карбиды Fe₃C и существенно снижаются внутренние напряжения. Такая структура называется тростит отпуска.

      При температурах выше 400⁰ происходит постепенное укрупнение цементита и феррита, однако, размеры их остаются все равно значительно меньше, чем при медленном охлаждении стали. Такая структура обладает хорошим сочетанием твердости, прочности и вязкости, и называется сорбитом отпуска.

      Процессы  происходящие при нагреве мартенсита для стали У8 графически показаны на рис.8.

      В легированных сталях при нагреве  мартенсита указанные температурные  интервалы могут существенно  смещаться в сторону более  высоких температур. В некоторых  сталях при этом могут выделяться кроме цементита специальные карбиды и нитриды (например,VC,VN и т.п.).         

 Особо подчеркнем, что при повышении температуры нагрева мартенсита твердость и временное сопротивление разрыву снижаются, но зато растет сопротивление ударным нагрузкам (KCU).

2. Технология термической  обработки стали

2.1. Режим термической  обработки стали  

        Режим термической обработки включает в себя следующие составляющие: скорость нагрева, температуру нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения.         

 Скорость  нагрева выбирается в зависимости  от теплопроводности стали (химического  состава)  и формы детали. Если теплопроводность стали высокая, то и скорость нагрева может быть больше. При этом следует иметь в виду, что у большинства легированных сталей теплопроводность ниже, чем у углеродистых, и быстрый нагрев может привести в них к возникновению напряжений и трещин. Заготовки или детали простой формы по той же причине можно греть быстрее, чем сложной.         

 Температура  нагрева зависит от состава стали и вида термообработки. Для углеродистых сталей она может быть определенна по диаграмме Fe₃C, для легированных приводится в справочниках. Отметим, что для каждой стали при определенном виде термообработки эта температура величина постоянная.

Продолжительность выдержки зависит главным образом  от размеров деталей и условий  нагрева. При нагреве деталей  в газовых или электрических  печах выдержка обычно назначается  из расчета 1,5-2 мин. на 1мм максимальной толщины детали (при условии что детали в печи не соприкасаются друг с другом). При нагреве в жидких средах (например, в соляных ваннах), где условия теплообмена очень высоки, продолжительность выдержки берется

10-15 сек.  на 1мм толщины.         

 Скорость  охлаждения обычно задают охлаждающей средой (охлаждение в печи, на воздухе, в масле, в воде, в специальных средах).          

 Режим  термической обработки удобно  задавать графиком в координатах  температура-время (см.рис.9).

2.2. Отжиг стали

      Отжигом называют вид термической обработки состоящий в нагреве  стали до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении.         

 В  процессе отливки, прокатки или  ковки стальные заготовки охлаждаются  неравномерно, что приводит к  неоднородности структуры и свойств,  возникновению внутренних напряжений. При затвердевании отливок кроме того возможно появление внутри кристаллитной ликвации (химической неоднородности по сечению зерна). В сварных соединениях также наблюдаются неоднородности структуры, свойств и внутренние напряжения.

      Для устранения различного рода структурных неоднородностей проводят отжиг.

      Различают несколько видов отжига различающихся  по технологии выполнения и цели. Для  измельчения зерна перегретой стали, снижения твердости и улучшения  обрабатываемости резанием применяют  полный, неполный,   изотермический отжиги и отжиг на зернистый перлит. Для уменьшения внутреннего напряжения, снижения твердости, повышения пластичности и изменения формы зерен холоднодеформированного металла применяют рекристаллизационный отжиг. Для устранения внутрикристаллитной ликвации в легированных сталях - высокотемпературный диффузионный отжиг.         

 Температурные  интервалы основных видов  отжига для углеродистых сталей представлены на рис.10.         

 Полный отжиг проводится для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Температура нагрева на 30-50⁰  выше А₃, т.е. структуру полностью переводят в аустенитное состояние. После выдержки сталь медленно охлаждают в печи. Скорость охлаждения углеродистых сталей 100-150 ⁰/час, легированных -  30-40 ⁰/час. Структура стали после полного отжига получается феррито-перлитная, т.е. такая, как по диаграмме Fe-C.         

 Неполный отжиг проводят практически для инструментальных заэвтектоидных сталей, только в том случае, если в структуре нет цементита по границам зерен (сетка цементита). Если есть сетка цементита, то для ее устранения применяют нормализацию, что будет рассмотрено ниже. Температура нагрева на 30-50⁰ выше А₁  (750-780⁰). При нагреве структура будет состоять из аустенита и цементита, после медленного охлаждения из перлита и цементита.         

 Изотермический отжиг проводят с той же целью, что и полный, но время на его проведение требуется меньше (см.рис.11). После нагрева до температуры на 30-50⁰  выше А₁, выдержке для выравнивания температуры по сечению, сталь подстуживают немного ниже А₁ (650-700⁰) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита на феррит и перлит, дальнейшее охлаждение с любой скоростью.         

 В  отличие от других видов отжига  здесь распад аустенита проходит  не при непрерывном охлаждении, а в изотермических условиях (при постоянной температуре). Проводить такой отжиг проще, т.к. контролировать температуру легче, чем скорость охлаждения.         

 Изотермический  отжиг обычно применяют для  легированных сталей обладающих высокой устойчивостью аустенита (кривая изотермического распада сильно сдвинута вправо). Такой отжиг можно применять только для мелких заготовок, у которых температура по сечению выравнивается сравнительно быстро.         

 Отжиг на зернистый перлит проводят с целью улучшить обрабатываемость резанием за счет снижения твердости при переводе пластинчатого перлита в зернистый. Такой отжиг применяют для эвтектоидной и заэвтектоидных сталей (при отсутствии сетки цементита).          

 

      Отжиг проводят по одному из следующих режимов:

1. Нагрев  на 20-30⁰ выше А₁, выдержка 3-5 часов, медленное охлаждение  

2. Нагрев  до тех же температур с небольшой  выдержкой, охлаждение до 600⁰, снова нагрев до 740-750⁰ и снова охлаждение до 600⁰. Такие циклы нагрева и подстуживания повторяют 2-4 раза, т.е. проводят как бы покачивание температуры стали около А₁. Поэтому такой отжиг называют еще маятником отжигом. Графически режим маятникового отжига представлен на рис.12. Общая продолжительность  по второму режиму меньше, чем по первому

      Почему  при таком отжиге цементит изменяет форму от пластинки до сферы?  Представим себе пластинку цементита в аустените. По краям этой пластинки радиус кривизны мал (0,5 толщины пластины), а по плоскости бесконечно большой. Там, где радиус кривизны мал, углерод легче переходит из цементита в аустенит, т.е. концентрация углерода у краев пластины будет повышаться. За счет диффузии концентрация углерода в аустените выравнивается  атомы углерода будут переходить от края пластины к плоской части и там выделяться в виде цементита. Процесс идет пока вся пластина не превратится в сферу.

      Отжиг рекристаллизационный применяют для снижения прочности, твердости, повышения пластичности и устранения вытянутости зерен после холодной пластической деформации (например, промежуточные отжиги при волочении проволоки). Такому отжигу подвергают малоуглеродистые стали, так как высокоуглеродистые стали в холодном состоянии деформируются плохо и их такой обработке практически не подвергают.

      Нагрев  при этом отжиге проводят ниже температуры А₁  до 600-700⁰ с последующим охлаждением в печи или на воздухе. При этом временное сопротивление разрыву (высокое после деформации) снижается, а пластичность растет. Схема изменения формы зерен в процессе холодной пластической деформации и последующего рекристаллизационного отжига приведена на рис.13.

2.3. Нормализация стали 

      Нормализация заключается в нагреве стали на 30-50⁰ выше критических температур А3 и А_см(см.рис.3) с последующим охлаждением на воздухе.

      Цель  нормализации доэвтектоидных конструкционных сталей несколько повысить прочность (по сравнению с прочностью после отжига) за счет измельчения структурных составляющих (феррита и перлита).

      Цель  нормализации заэвтектоидных инструментальных сталей - устранить цементитную сетку  по границам перлитных зерен и тем самым предотвратить повышенную хрупкость стали при последующей закалке. Структура таких сталей после охлаждения на воздухе из аустенитной области (выше А_C3) получается сорбит (см. рис. 14).