Виктор Алексеев - Материаловедение: конспект лекций
При термической обработке стали происходят следующие основные превращения:
1) превращение перлита в аустенит, происходящее при нагреве выше точки Ас1 :
Fea + Fe3 C → Fev (C) или П – А;
Рис. 8. График термической обработки: τн – время нагрева, τв – время выдержки, τ0 – время охлаждения; t max – максимальная температура; tист – истинная скорость охлаждения при данной температуре, v = t max – средняя скорость охлаждения
2) превращение аустенита в перлит, происходящее при медленном охлаждении из? – области:
Fev (C) → Fea (C) + Fe 3 C или А → П;
3) превращение аустенита в мартенсит, происходящее при быстром охлаждении из? – области:
Fev (C) → Fea (C) или А → М;
4) превращение мартенсита при нагреве (отпуске):
Fea (C) → Fea + Fe3 C или М → П.
Описание структурных превращений, происходящих в стали при термической обработке, является одновременно и теорией термической обработки.
Превращение перлита в аустенит – необходимый этап для многих видов термической обработки.
Рис. 9. Диаграмма изотермического превращения перлита (П) в аустенит
Сталь с содержанием (А) углерода 0,8 %. Превращение перлита в аустенит реализуется при нагреве выше значения Ас 1, причем с повышением температуры оно непрерывно ускоряется. При непрерывном нагреве с различной скоростью лучи v1 и v2 превращения начинаются в точке а' (а' ) и заканчиваются в точке b' (b' ), которая тем выше, чем больше скорость нагрева. В связи с этим чем быстрее нагрев, тем выше должна быть температура нагрева стали, для того чтобы вызвать полное превращение перлита в аустенит, включая полное растворение карбидов и гомогенизацию аус—тенита.
В интервале между точками а'Ь' (a» b») превращение идет с разной скоростью, но приблизительно в середине интервала превращение идет с сильным поглощением теплоты настолько бурно, что на кривой нагрева образуется площадка Это обычно и есть экспериментально определяемая температура превращения Ас1.
При исходной перлитной структуре образование аустени—та идет из многих центров, и тотчас после окончания превращения перлита в аустенит образуется мелкозернистый аус—тенит.
Дальнейший нагрев ведет к росту зерна аустенита, осуществляемого по одному из следующих механизмов: путем слияния мелких зерен в крупные, путем миграции границ зерен. Процесс слияния происходит при более низкой температуре (от +900 до +1000 °C), чем миграция (> +1100 °C), но приводит к образованию отдельных более крупных зерен, т. е к разнозернистости.
При термической обработке механические свойства стали могут изменяться в очень широких пределах. Так, например, твердость стали, содержащей 0,8 % углерода, после такой обработки возрастает до 160–600 МВ.
3. Диаграмма изотермического превращения аустенита
На рис. 10 представлена диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода.
По оси ординат откладывается температура. По оси абсцисс – время.
Рис. 10. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода
Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, т. е. выше критической точки, а затем быстро охлаждают, например до +700, +600, +500, +400, +300 °C и т. д., и выдерживают при
этих температурах до полного распада аустенита. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от +727 до +250 °C (температуры начала мартенситного превращения – Мн). На диаграмме – две С—образные кривые. Кривая I указывает время начала превращения, кривая II – время конца превращения переохлажденного аустенита. Период до начала распада аустенита называют инкубационным. При +700 °C превращение аусте—нита начинается в точке а и заканчивается в точке b, в результате этого процесса образуется перлит. При температуре +650 °C распад аустенита происходит между точками а1 и b1 . В этом случае образуется сорбит – тонкая (дисперсная) механическая смесь феррита и цементита. Сталь, в которой доминирует структура сорбита, имеет твердость 30–40 HRC. Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью. Устойчивость аустенита в значительной мере зависит от степени переохлаждения. Наименьшую устойчивость аустенит имеет при температурах, близких к +550 °C. Для эвтектоид—ной стали время устойчивости аустенита при температурах от + 550 до +560 °C – около 1 с. По мере удаления от температуры +550 °C устойчивость аустенита возрастает. Время устойчивости при +700 °C составляет 10 с, а при +300 °C – около 1 мин. При охлаждении стали до +550 °C (точки начала и конца распада – a2 и b2 соответственно – на диаграмме) аусте—нит превращается в троостит – смесь феррита и цементита, которая отличается от перлита и сорбита высокой степенью дисперсности составляющих и обладает повышенной твердостью (40–50 HRC), прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью. Ниже температуры +550 °C в результате промежуточного превращения аустенита (в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенси—тного превращения) образуется структура бейнита, состоящая из смеси насыщенного углеродом феррита и карбидов (цементита). При медленном охлаждении аустенит превращается в перлит, а при большой скорости охлаждения переохлажденный аустенит полностью переходит в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения образуется новая структура – троостит. При наибольших скоростях охлаждения образуется только мартенсит, т. е. пересыщенный твердый раствор углерода в? – железе. Скорость охлаждения, при которой из аусте—нита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Аустенит, который сохраняется в структуре стали при комнатной температуре наряду с мартенситом, называют остаточным. Закаленные высоколегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низкоуглеродистые его почти не имеют.
4. Виды и разновидности термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, нормализация
Термическую обработку металлов и сплавов, а также изделий из них применяют для того, чтобы вызвать необратимое изменение свойств вследствие необратимого изменения структуры.
Термическая обработка подразделяется на следующие виды: собственно термическая, химико—термическая и деформационно—термическая. Собственно термическая обработка не предусматривает какого—либо иного воздействия, кроме температурного. Если при нагревах изменяется состав металла (сплава) – его поверхностных слоев – в результате взаимодействия с окружающей средой, то такая термическая обработка называется химико—термической (ХТО), а если наряду с температурным воздействием производится еще и деформация, вносящая соответствующий вклад в изменение структуры, то такая термическая обработка называется деформационно—термической. В свою очередь деформационно—термическая обработка подразделяется на термомеханическую (ТМО), меха—нотермическую (МТО) и др.
Разные виды деформационно—термической обработки разделяются в зависимости от характера фазовых превращений и способа деформации.
Собственно термическая обработка подразделяется на: отжиг первого и второго рода, закалку с полиморфным превращением и закалку без полиморфного превращения, отпуск и нормализацию.
Отжиг вообще – это процесс термической обработки, при котором металл сначала нагревают до определенной температуры, выдерживают заданное время при этой температуре, а затем медленно охлаждают, чаще всего вместе с печью. Отжиг первого рода – нагрев металла, который имеет неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки (кроме закалки), приводящий металл в более устойчивое состояние. Основные подвиды: гомогенизационный отжиг, рекристаллизационный отжиг, отжиг для снятия внутренних напряжений. Отжиг второго рода – нагрев выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения стабильного структурного состояния сплава.
Закалка с полиморфным превращением – нагрев выше температуры полиморфного превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно—неустойчивого состояния. Закалка без полиморфного превращения – нагрев до температур, вызывающих структурные изменения (чаще всего для растворения избыточной фазы) с последующим быстрым охлаждением для получения структурно—неустойчивого состояния – пересыщенного твердого раствора. Отпуском называется процесс термической обработки, при котором закаленная сталь нагревается ниже критической точки Ас1, выдерживается определенное время, а затем охлаждается.
