Термообработка стали-2012 (1)

зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск и старение.

Рассмотрим первый вид термообработки – отжиг, который проводится для того, чтобы перевести структуру металла из неустойчивого, неравновесного состояния, вызванного предшествующими обработками, в состояние, близкое к термодинамическому равновесию. Операциями, предшествующими отжигу, могут быть литье, обработка давлением, термообработка, сварка, механическая обработка и другие технологические процессы. Неравновесное состояние, вызванное этими процессами, может быть результатом появления метастабильных фаз, химической неоднородности, внутренних напряжений, повышенной концентрации дефектов. В технике используется несколько разновидностей отжига в зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются.

Для углеродистых сталей проводят отжиг 2-го рода, основанный на использовании фазового (перлитного) превращения, протекающего путем диффузии при медленном охлаждении после нагрева и выдержки изделий в аустенитной области. Отжиг преследует цель - устранить внутренние напряжения и сообщить стали мягкость перед обработкой. Для проведения полного отжига эвтектоидную и доэвтектоидную сталь нагревают до температуры на 20-40 °С выше линии GS, выдерживают такое время, чтобы весь образец прогрелся до заданной температуры, образовалось аустенитное зерно, и прошла его гомогенизация (выравнивание концентрации углерода). Этот процесс

11

идет путем диффузии и называется аустенизацией. Если дать слишком большой перегрев выше линии GS, то произойдет сильный рост аустенитного зерна и после охлаждения получится грубая структура. Затем изделия охлаждают с такой малой скоростью, чтобы перлитное превращение происходило при небольшой степени переохлаждения аустенита. Обычно применяют охлаждение с печью со скоростью порядка 200 °С/ч. Длительность процесса может быть сокращена, если вместо непрерывного использовать ступенчатое охлаждение с изотермической выдержкой при температуре перлитного превращения. Такую обработку называют изотермическим отжигом.

Структура стали после отжига соответствует диаграмме состояния. В стали эвтектоидного состава она представляет собой перлит, в котором чередуются кристаллы феррита и цементита. Изменяя скорость охлаждения, можно получить пластинчатый или зернистый перлит (рис. 2). В доэвтектоидной стали при температурах ниже линии GS перлитному превращению предшествует выделение избыточного феррита и ее структура поле отжига состоит из избыточного феррита и перлита (рис. 3а). Неполный отжиг доэвтектоидной стали проводят при нагреве до температур выше линии РК, но ниже GS. Такую термообработку применяют ограниченно, чтобы сэкономить время и снизить стоимость обработки. При температуре неполного отжига избыточный феррит не исчезает, поэтому такой отжиг не устраняет всех пороков структуры, возникших при предыдущей обработке.

Для заэвтетоидных сталей полный отжиг с нагревом выше линии ES не используют, так как после нагрева до таких высоких температур образуется

12

крупное зерно аустенита, при медленном охлаждении которого вторичный цементит выделяется в виде грубой сетки (рис. 3б) и ухудшает механические свойства стали. К сталям такого состава широко применяют неполный отжиг с нагревом выше PK - до 740-780 °С и последующим медленным охлаждением. После такого нагрева в аустените остаются нерастворившиеся включения цементита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении. В результате образуется структура, состоящая из избыточного цементита и зернистого перлита. Такой отжиг называют еще

сфероидизирующим.

Рис. 2 Эвтектоидная сталь после отжига:

а – пластинчатый перлит (х1000); б – зернистый перлит

(х850)

13

избыточной фазы из матричного раствора, эвтектоидный распад). Различают два вида закалки: без полиморфного превращения и с полиморфным превращением.

Закалка углеродистых сталей относится ко второму виду данной термообработки. При быстром охлаждении из -области диффузионный распад исходного аустенита на смесь двух фаз, резко отличающихся от него по составу (феррита и цементита), подавлен, но происходит полиморфное – мартенситное превращение. В отличие от перлитного, мартенситное превращение аустенита – бездиффузионное. В результате этого превращения кристаллическая решетка -Fe перестраивается в решетку -Fe не путем диффузии, а путем сдвига с образованием новой, термодинамически нестабильной,

фазы – мартенсита.

При этом количество углерода, растворенного в исходной и конечной фазах остается неизменным. Так как при комнатной температуре растворимость углерода в -Fe очень мала, мартенсит представляет собой пересыщенный раствор углерода в феррите. Благодаря высокому содержанию атомов углерода кристаллическая ячейка мартенсита немного отличается от объемноцентрированного куба – она искажена (имеет тетрагональность) (рис. 4).

Кристаллы образовавшегося мартенсита определенным образом ориентированы относительно кристаллической решетки исходного аустенита. В момент мартенситного превращения выделяется тепло и происходит сильное расширение, при этом на полоской полированной поверхности образца появляется характерный рельеф.

15

Рис. 4. Схема образования структуры закаленной стали - мартениста

Мартенсит образуется в виде ориентированных пластин, дающих в плоскости шлифа иглы, часто расположенные под углами 60 и 120о (рис. 4). Чем выше температура нагрева под закалку, тем крупнее вырастает аустенитное зерно и тем крупнее образуются в нем пластины мартенсита.

Рис. 4. Мартенсит в закаленной стали с 0,5% С (х200), скорость охлаждения 500° в секунду

16

Итак, закалка с полиморфным превращением – это термическая обработка, при которой главным процессом является мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Поэтому такую термообработку стали называют закалкой на мартенсит. По своим свойствам мартенсит резко отличается от исходного вязкого, мягкого и немагнитного аустенита: это очень твердая и хрупкая, магнитная фаза. В результате закалки происходит резкое увеличение твердости и прочности стали и снижение ее пластичности. Так, твердость эвтектоидной стали в отожженном состоянии составляет 180 НВ, а после закалки она увеличивается до 650 НВ. Объясняется это тем, что атомы углерода, внедренные в решетку -Fe, затрудняют пластическую деформацию мартенсита. Такое же влияние оказывает высокая концентрация дефектов кристаллического строения, которыми насыщена решетка мартенсита после резкого охлаждения. Чем больше углерода содержит исходный аустенит, тем сильнее пересыщен углеродом образовавшийся твердый раствор и тем выше его твердость. Поэтому предельная твердость закаленной стали зависит только от содержания углерода и увеличивается с увеличением его концентрации до 0,6%, а дальше она несколько снижается, что объясняется увеличением содержания остаточного (не распавшегося), термодинамически нестабильного, аустенита.

Закалка на мартенсит имеет целью сообщить стали высокую твердость. Для создания возможности проведения закалки сталь нужно нагреть до температуры выше эвтектоидной и выдержать такое время, чтобы установилось равновесное состояние. Скорость охлаждения, ведущая к образованию

17

мартенсита при закалке углеродистой стали, зависит от используемой охлаждающей среды и составляет обычно десятки и сотни градусов в секунду.

Критической скоростью охлаждения называют наименьшую скорость непрерывного охлаждения, при которой диффузионный распад высокотемпературной фазы не происходит и она полностью претерпевает мартенситное превращение.

Доэвтетоидную и эвтектоидную сталь нагревают так же, как и для отжига второго рода, т.е. на 20-50° выше линии GS, выдерживают и охлаждают в воде. В этих условиях сталь после нагрева состоит только из аустенита, который при быстром охлаждении практически полностью претерпевает мартенситное превращение. В закаленном состоянии структура такой стали состоит в основном из мартенсита и незначительного количества остаточного аустенита. Закалка доэвтектоидной стали с температуры выше линии PS, но нижеGS называется неполной. При быстром охлаждении из области + аустенит переходит в мартенсит, а феррит остается в виде мягких светлых включений на фоне мартенсита (рис. 5). Присутствие пластичной фазы феррита приводит к снижению общей твердости доэвтектоидной стали после неполной закалки.

При закалке заэвтектоидной стали надо иметь в виду, что цементит тверже, чем мартенсит. Поэтому нет смысла нагревать сталь выше точки растворения цементита в аустените и можно ограничиться нагревом выше PК. Обычно для заэвтектоидной стали применяют нагрев до 760-780о. После закалки структура состоит из мартенсита и цементита, и сталь обладает высокой твердостью. Таким образом, температура нагрева для закалки на мартенсит доэвтетоидных сталей зависит от

18

содержания в них углерода, а для заэвтектоидных сталей она практически постоянна.

Рис. 5. Мартенсит и феррит в стали с 0,4% С после неполной закалки с 770о в воде (х450)

При проведении закалки на мартенсит необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость реальных изделий конечной величины. Закаливаемостью называют способность стали к повышению твердости, она характеризуется максимальной твердостью, которая может быть получена на поверхности изделия при закалке данной марки стали. Как уже было отмечено, твердость закаленной углеродистой стали растет с увеличением концентрации углерода до 0,6%. Введение легирующих элементов практически не влияет на твердость мартенсита. Прокаливаемостью называется глубина проникновения закаленного слоя, т.е. структуры мартенсита. Возможность закалки в любой точки объема изделия обуславливается получением там

19

скорости охлаждения, равной или большей критической скорости закалки. Скорость охлаждения на поверхности изделия может быть больше критической, а в центре – меньше. В этом случае аустенит в поверхностных слоях превратится в мартенсит, а в центре изделия – испытает перлитное превращение, т. е. деталь не прокалится насквозь. Для увеличения прокаливаемости детали данного сечения необходимо повысить скорость охлаждения. Это достигается применением различных закалочных сред. Холодная вода – самый дешевый и весьма энергичный охладитель. Добавки соли или щелочи увеличивают охлаждающую способность воды. Наиболее широко используют 10%-ный водный раствор NaOH или NaCl. В некоторых случаях, чтобы превратить в мартенсит остаточный аустенит, применяют обработку холодом в среде с температурой от +10 до –80о, причем, в отличие от перлитного мартенситное превращение невозможно подавить даже при самых больших достигнутых скоростях охлаждения. Однако следует учитывать, что слишком большие скорости охлаждения вызывают сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделий и образованию закалочных трещин. Поэтому часто для закалки используют минеральное масло, скорость охлаждения в котором меньше, чем в воде.

Закаленная углеродистая сталь обладает не только высокой твердостью, но и низкой пластичностью и очень большой склонностью к хрупкому разрушению. Кроме того, при закалке возникают значительные остаточные напряжения. Поэтому закалку углеродистых сталей не применяют, как окончательную операцию, хотя она и может сообщить стали высокую прочность. Для увеличения вязкости и уменьшения закалочных напряжений после закалки используют отпуск.

20