3. Основы термической обработки сталей

Любая термическая обработка металла состоит из комбинации четырех основных превращений.

1. Превращение перлита в аустенит ПА происходит при нагреве выше критической температуры А_c1 (см. рис. 3.1).

2. Превращение аустенита в перлит АП происходит при охлаждении ниже критической температуры А_r1.

3. Превращение аустенита в мартенсит АМ происходит при быстром охлаждении.

4 . Превращение мартенсита в перлит МП идет при температурах, ниже температуры А₁.

3.1. Механизмы основных превращений

1 . Превращение перлита в аустенит сопровождается превращением Fe_Fe_ и растворением цементита в аустените, основанном на диффузии углерода. Превращение начинается с зарождения зерен аустенита (рис. 3.2) на поверхности раздела феррит-цементит (решетка Fe_ перестраивается в Fe_) и заканчивается, когда весь цементит растворится в аустените. Мелкие зерна аустенита растут при повышении температуры и времени выдержки.

Перегрев стали – рост зерна аустенита при нагреве выше 900 °С. При последующем охлаждении укрупненного аустенита образуются крупные пластинчатые или игольчатые кристаллы феррита – видманштеттова структура, которая характеризуется пониженными механическими свойствами. Перегрев исправляют повторным нагревом до оптимальных температур с медленным охлаждением.

Пережог – окисление границ зерен при нагреве стали близко к температуре плавления. Пережог – неисправимый брак.

2 . Диффузионное превращение аустенита в перлит имеет место при малой степени переохлаждении (рис. 3.3) и связано с диффузией избыточного углерода, растворенного в Fe_ .

О бразование зародышей цементита облегчено на границах аустенитных зерен (рис. 3.4). Пластинка цементита растет и удлиняется за счет диффузии углерода из прилегающих областей, из которых образуются пластинки феррита. Рост колоний перлита продолжается до столкновения с колониями, растущими из других центров. Строение и свойства перлита зависят от температуры, при которой происходит процесс его образования. При увеличении степени переохлаждения увеличивается количество зародышей новой фазы: чередующихся пластинок феррита и цементита. С ростом числа пластинок уменьшаются как их размеры, так и расстояния между ними. Расстояние между соседними пластинками феррита и цементита определяет дисперсность структуры (), в зависимости от которой продукты распада аустенита имеют различное название (рис. 3.5).

П ерлит ( = 0,7 мкм) образуется при переохлаждении до температуры 650-700 °С (см. рис. 3.3) или охлаждении со скоростью V = 30 °С/с. Твердость 180-250 НВ.

Сорбит ( = 0,25 мкм) образуется при переохлаждении до температуры 600-650 °С или охлаждении с V = 60 °С/с. Структура характеризуется высокой пластичностью и ударной вязкостью, достаточной упругостью и прочностью. Твердость до 350 НВ.

Троостит ( = 0,1 мкм) образуется при переохлаждении до температуры 550-600 °С или охлаждении с V = 150 °С/с. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью, пластичностью. Твердость 350-450 НВ.

3. Промежуточное превращение аустенита в бейнит. При температурах ниже 550°С диффузия атомов железа в аустените подавлена, атомы углерода обладают достаточной подвижностью. В переохлажденном зерне аустенита происходит перераспределение атомов углерода. Участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит игольчатой формы. Участки аустенита, обедненные углеродом (для них температура начала мартенситного превращения М_н лежит выше реальной температуры переохлажденного аустенита) превращаются в мартенсит (0,1-0,2 % углерода). Структура, образующаяся при изотермическом превращении аустенита (температурный интервал превращения – 300-500 °С), состоит из цементита и малоуглеродистого мартенсита и называется бейнит (рис. 3.3).

4. Бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит имеет место при высокой степени переохлаждения (рис. 3.3), когда процессы диффузии углерода подавленны. Горизонтальные линии М_Н и М_К на рис. 3.3 показывают начало и конец бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит, сопровождаемого превращением Fe_ в Fe_.

Минимальная скорость охлаждения (V_к), при которой аустенит переохлаждается до температуры М_Н без диффузии углерода и превращается в мартенсит, называется критической скоростью.

П ри такой скорости охлаждения диффузионные процессы не успевают пройти: углерод аустенита остается в решетке Fe_. Кубическая решетка искажается и превращается в тетрагональную (рис. 3.6,а). Образуется мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe_. Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности (с/а > 1), пропорциональной содержанию углерода (рис. 3.6,б). При искажении решетки железа атомами углерода возникают большие напряжения. Следствие компенсации напряжений – большая плотность дислокаций и высокая твердость мартенсита (до 65 HRC).