5. Основы термической обработки стали

Открытие в 1868 г. русским ученым-металлургом Д.К. Черновым критических точек структурных превращений позволило научно обосновано выбирать режим термической обработки стальных изделий.

Термическая обработка – совокупность операций нагрева и охлаждения с целью изменить структуру и свойства сплава в нужном направлении. Сталь нагревают в специальных термических печах с пламенным или электрическим обогревом. Основа термической обработки – изменение структурно-фазового состава и дислокационной структуры сплава. Режим термообработки включает в себя: температуру нагрева, скорость нагрева до заданной температуры, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения. Важнейшими из этих параметров, формирующими структуру стали, являются температура нагрева и скорость охлаждения.

П ри упрочняющей термической обработке повышаются твердость, прочность и износостойкость, при разупрочняющей – пластические свойства и вязкость, но снижаются твердость и сопротивление деформации и разрушению.

Для стальных изделий широко применяются оба варианта термической обработки. Любая термическая обработка стали состоит из комбинации четырех основных превращений:

1. Превращение перлита в аустенит, происходит при нагреве выше критической температуры А₁ (линия PSK на рис. 5.1).

2. Превращение аустенита в перлит, происходит при охлаждении ниже критической температуры А₁.

3. Превращение аустенита в мартенсит (М) происходит при быстром охлаждении аустенита (со скоростью выше критической).

4. Превращение мартенсита в феррито-цементитную смесь идет при нагреве до температур ниже критической температуры А₁.

5.1. Основные превращения в стали

1 . Превращение перлита в аустенит имеет место при нагреве всех сталей до 727 °С (линия PSK на рис. 5.1). Превращение начинается с зарождения зерен аустенита (рис. 5.2) на поверхности раздела феррит-цементит (решетка Fe_ перестраивается в Fe_) и заканчивается, когда весь цементит растворится в аустените путем диффузии. Поскольку в каждой перлитной колонии зарождается несколько центров кристаллизации аустенита, то превращение сопровождается измельчением зерна стали. В до- и заэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит в структуре сохраняются избыточные фазы – феррит и цементит вторичный соответственно. При дальнейшем нагреве феррит превращается в аустенит, а вторичный цементит растворяется в аустените. Мелкие зерна аустенита растут при повышении температуры и времени выдержки.

Перегрев стали – интенсивный рост зерен 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 переохлаждения и связано с диффузией углерода, растворенного в Fe_. Кинетика диффузионного превращения описывается диаграммой изотермического превращения аустенита, которая экспериментально строится обычно по изменению магнитных свойств в координатах «температура – время» (см. рис. 5.3).

Две кривые, напоминающие по форме букву «С», показывают начало (кривая 1) и окончание (кривая 2) превращения аустенита в другие структуры. При температурах t₁–t₃ точки Н₁–Н₃ соответствуют началу превращения, точки К₁–К₃ – окончанию. Слева от линии 1 расположена область переохлажденного аустенита. Как видно из диаграммы, время существования аустенита при температурах ниже A₁ различно и зависит от степени переохлаждения. Минимальная устойчивость аустенита проявляется при температуре порядка 550 °С: время до начала превращения составляет всего 1 секунду. Справа от линии 2 – область продуктов прев ращения, равновесных при определенных температурах.

П ерлитные структуры. Образование зародышей цементита чаще всего происходит на границах зерен аустенита (рис. 5.4). Пластинка цементита растет в длину и ширину за счет диффузии углерода из прилегающих областей. Соседние области аустенита обедняются углеродом, и в них образуются пластинки феррита. Рост колоний перлита продолжается до столкновения с колониями, растущими из других центров. Строение и свойства перлита зависят от температуры, при которой он образовался. При увеличении степени переохлаждения растет количество зародышей новой фазы: чередующихся пластинок феррита и цементита. С ростом числа пластинок уменьшаются как их размеры, так и расстояния между ними. Их величину оценивают средней суммарной толщиной  соседних пластинок феррита и цементита, которую называют межпластиночным расстоянием. Межпластиночное расстояние определяет дисперсность структуры, в зависимости от которой продукты распада аустенита имеют различное название (см. рис. 5.5).

Перлит ( = 0,7–1,3 мкм) образуется при переохлаждении до температуры 650–700 °С (см. рис. 5.3) или при охлаждении со скоростью V = 30–50 °С/с. Твердость 180–250 НВ.

Сорбит (по имени английского ученого Сорби) ( = 0,25 мкм) образуется при переохлаждении до температуры 600–650 °С или охлаждении со скоростью V = 60–80 °С/с. Структура характеризуется высокой пластичностью и ударной вязкостью, достаточной упругостью и прочностью. Твердость до 350 НВ.

Т роостит (по имени французского ученого Трооста) ( = 0,1 мкм) образуется при переохлаждении до 550–600 °С или охлаждении со скоростью V = 150 °С/с. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью, пластичностью. Твердость 350–450 НВ.

Механические свойства продуктов распада аустенита зависят не только от размеров зерен. Определяющее влияние оказывают плотность генерируемых при охлаждении дислокаций и уровень остаточных (термических и фазовых) внутренних напряжений. От их значений зависит интенсивность работы источников Франка–Рида, т. е. плотность генерируемых дислокаций.

Термические напряжения возникают при изменении температуры, фазовые – в процессе превращения аустенита в другие структуры. Эти напряжения обусловлены разницей удельных объемов аустенита и продуктов его распада. Они тем выше, чем больше скорость превращения, т. е. скорость изменения температуры (охлаждения). Аустенит обладает минимальным удельным объемом. Далее в порядке увеличения удельного объема следуют перлит, сорбит, троостит, бейнит и мартенсит.

По мере увеличения скорости охлаждения уровень внутренних напряжений возрастает, что приводит к увеличению плотности дислокаций и соответственному повышению прочности и уменьшению пластичности. Таким образом, перлит, сорбит и тростит должны иметь возрастающие плотности дислокаций, порядка 10⁷, 10⁸ и 10⁹ см^–2.

3. Бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит (по имени немецкого ученого Мартенса) имеет место при высокой степени переохлаждения (см. рис. 5.3), когда процессы диффузии углерода подавлены. Горизонтальные линии М_Н и М_К на рис. 5.3 показывают начало и конец бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

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

При такой скорости охлаждения диффузионные процессы не успевают пройти: переохлажденный аустенит претерпевает бездиффузионное полиморфное превращение Fe_Fe_, которое не сопровождается перераспределением атомов углерода. Весь углерод аустенита остается в решетке Fe_. Кубическая решетка искажается и превращается в тетрагональную. Образуется мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe_. Искажение решетки характеризуется тетрагональностью (с/а > 1), пропорциональной содержанию углерода. При искажении решетки железа атомами углерода возникают большие напряжения. Следствие компенсации напряжений – большая плотность дислокаций и высокая твердость мартенсита (до 65 HRC).

Особенности мартенситного превращения

1 . Ориентированность и высокая скорость роста кристаллов мартенсита. Кристаллы мартенсита имеют пластинчатую форму. Со скоростью, близкой к скорости звука в стали (~1000 м/с), они растут до границы зерна аустенита (рис. 5.6), либо ближайшего дефекта. Последующие пластинки расположены под углами 60 или 120°к первым. Большая скорость роста мартенсита способствует образованию наклепа в аустените. Образующиеся при этом дислокации переходят в мартенсит, повышая его твердость, снижая пластичность.

2 . Полное мартенситное превращение возможно только при непрерывном охлаждении. Температуры начала и конца мартенситного превращения зависят от содержания углерода (рис. 5.7). Для сталей с содержанием углерода выше 0,6 % температура М_К уходит в область отрицательных температур. При закалке до комнатной температуры превращение АМ происходит не полностью. В структуре стали имеется остаточный аустенит А_ост. Его количество тем больше, чем ниже температура М_К: при содержании углерода 0,6–1,0 % – до 10 % А_ост, при содержании углерода 1,5 % – до 50 %.

3. Бездиффузионный характер превращения аустенита в мартенсит. Атомы углерода растворены в аустените по типу внедрения и занимают октаэдрические пустоты (показаны крестиками на серединах ребер на рис. 5.8). Два валентных электрона атома углерода с двумя ближайшими атомами железа образуют ковалентные связи. Остальные два валентных электрона переходят в электронный газ, образуя металлическую связь между атомами решетки. Образующиеся в мартенсите трехцентровые ковалентные Fe–С–Fe-связи (рис. 5.8,б) на порядок сильнее металлических. Эти связи очень жесткие, допускают лишь небольшие упругие деформации. Превышение приводит к скачкообразному исчезновению взаимодействия. Сочетание металлической и ковалентной связей в решетке мартенсита является основной причиной, предопределяющей его высокую твердость и хрупкость.

Н а рис. 5.8,а показаны две элементарные ячейки аустенита (кружки – атомы железа). Для мартенситного превращения характерно то, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы аустенита. Два кристалла считаются когерентными, если они соприкасаются по поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток. Перестройка решетки аустенита происходит по кристаллографическим плоскостям, которые по строению и параметрам близки к определенным плоскостям решетки мартенсита. Такими плоскостями могут являться: в решетке аустенита – плоскость семейства (111), показанная в левой ячейке аустенита пунктиром на рис. 5.8,а; в решетке мартенсита – плоскость семейства (110).

В ГЦК решетке аустенита можно мысленно выделить тетрагональную ячейку (на рис. 5.8,а она показана жирными линиями). В этой тетрагональной ячейке аустенита отношение периодов с/а = √2 = 1,414, в то время как у решетки мартенсита экспериментально установленная степень тетрагональности с/а < 1,09. Для превращения выделенной объемноцентрированной тетрагональной ячейки в ячейку мартенсита прикладывается деформация Бейна (рис. 5.8,а), которая связана с растяжением на ~ 12 % вдоль осей [100]_ и [010]_ и сжатием на ~ 17 % в направлении [001]_. При нарушении когерентности перестройка аустенита в мартенсит нарушается, рост кристаллов мартенсита прекращается.

4. Обратное превращение мартенсита в феррито-цементитную смесь происходит при нагреве закаленных сталей и связано с диффузией углерода.

В зависимости от состава сплава и температуры образования кристаллы мартенсита имеют различную морфологию и структуру.

Пластинчатый (игольчатый) мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях с низкими значениями температур М_Н и М_К. Кристаллы мартенсита представляют собой широкие пластины, в плоскости шлифа они имеют вид игл (рис. 5.9,а), содержат большое число микродвойников, образующих зоны повышенной травимости (мидрибы).

П акетный (реечный) мартенсит характерен для низко- и среднеуглеродистых, а также конструкционных легированных сталей. Тонкие параллельные пластины мартенсита, присоединенные одна к другой и разделенные малоугловыми границами, образуют пакет. Толщина пластин мартенсита колеблется от 0,2 до 2,2 мкм, плотность дислокаций – 10¹⁰–10¹² см^-2. В легированных сталях внутри пакетов между пластинами мартенсита присутствуют прослойки остаточного аустенита (рис. 5.9,б).

4. Промежуточное превращение аустенита в бейнит (по имени американского ученого Бейна, впервые исследовавшего изотермические превращения аустенита.). При температурах ниже 550 °С атомы углерода обладают достаточной подвижностью. В переохлажденном зерне аустенита происходит перераспределение атомов углерода. Участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит. Вследствие замедления диффузионных процессов состав цементита, по-видимому отличается от Fe₃C и представляет промежуточные соединения Fe_xC. Участки аустенита, обедненные углеродом (для них температура начала мартенситного превращения М_Н лежит выше реальной температуры переохлажденного аустенита) превращаются в низкоуглеродистый мартенсит (0,1–0,2 % углерода).

Структура, образующаяся при изотермическом превращении аустенита (интервал превращения – 300–500 °С), состоит из цементита и низкоуглеродистого мартенсита и называется бейнит (см. рис. 5.3).