Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка стали

Микроструктура стали и чугуна имеет несколько составляющих и является неоднородной. Получение нужной структуры достигается путем термической обработки. Термической обработкой стали называется совокупность операций нагрева, выдержки и последующего охлаждения заготовок или элементов по определенным режимам с целью изменения их структуры без изменения химического состава. В основе термической обработки сталей лежат превращения, которые происходят в них во время нагрева, выдержки и охлаждения. В результате термообработки при изменении температуры нагрева и режима охлаждения получается требуемая микроструктура стали или чугуна, что приводит к изменению физико-механических свойств сплавов.

6.1. Превращения при нагреве стали.

Нагрев стали при термической обработке используют для получения мелкозернистого аустенита.

Эвтектоидная сталь при нормальной температуре имеет структуру перлита. В процессе ее нагревания при температуре 727°С перлит превращается в аустенит.

В доэвтектоидных сталях, которые состоят из феррита и перлита, при дальнейшем нагревании происходит превращение феррита в аустенит, которое заканчивается при температуре 830°С.

У заэвтектоидных сталей, состоящих из цементита и перлита, идет процесс растворения цементита в аустените, заканчивающийся при 940°С.

Нагревание сталей до температур ниже линии PSK (обозначается Ас₁ – при нагреве и Аr₁ – при охлаждении) не сопровождается фазовыми изменениями. Фазовые изменения начинаются при переходе через точку Ас₁ (температура 727° С), называемой также первой критической температурой, где перлит превращается в аустенит (рис. 6.1). Феррит в доэвтектоидной стали и цементит в заэвтектоидной стали растворяются в аустените. В точке Ас₃ (линия GS) завершается растворение феррита, а в точке Ас_m (линия SE) цементита. Выше этой точки сталь состоит уже из одного аустенита. С повышением температуры зерна аустенита увеличиваются. Явление чрезмерного укрупнения зерен в стали называют перегревом. Нагрев стали до температур, близких к линии солидус, сопровождается оплавлением и окислением между зернами. Это пережигание, приводящее к браку детали.

Рис. 6.1. Схема образования зерен аустенита

А – аустенит, Ф – феррит, Ц – цементит

Образование аустенита обеспечивает перестройку -железа в -железо с растворением в нем углерода.

Для завершения диффузионных процессов и получения однородного аустенита сталь нагревают до температур на 30…50° выше критических (830°С, 940°С или 727°С) и выдерживают при этих температурах определенное время.

6.2. Превращения в стали при охлаждении.

В основе термических превращений, происходящих при термообработке, лежат изменения структуры аустенита. При распаде аустенита происходит образование перлита, мартенсита, троостита или других структур, которые и предопределяют механические свойства стали. Скорость распада аустенита зависит от температуры переохлаждения.

Аустенит устойчив только при температуре 727°С. При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния, аустенит становится неустойчивым – происходит его структурное изменение.

Если сталь охлаждать очень медленно, то в ней образуется равномерная структура, соответствующая диаграмме железо-углерод, – это смесь феррита и цементита, которая называется перлитом. Распад аустенита с образованием перлита является диффузионным процессом. Чем мельче зерна аустенита в стали при превращении, тем меньше размеры образованных из них зерен перлита (рис 6.2). Сталь с такой структурой обладает хорошими механическими свойствами.

Рис. 6.2. Изменение размера зерна перлита в зависимости от

температуры нагревания стали в аустенитной зоне

А – аустенит, П – перлит

Если сталь, нагретую до состояния аустенита, охлаждать с большой скоростью, то произойдет переохлаждение аустенита с его распадом и образованием мелкозернистой ферритно-цементитной смеси. С увеличением скорости охлаждения образуются неравномерные (метастабильные) структуры и сталь приобретает другие свойства. При медленном охлаждении аустенит сохраняется в стали до температуры 727С (точка Аr₁). Увеличение скорости охлаждения снижает критическую точку Аr₁ (рис. 6.3). Чем больше скорость охлаждения, тем мельче ферритно-цементитная смесь. Образующиеся более мелкие, по сравнению с перлитом, структуры имеют повышенную твердость и свое особое название. Представление о механизме распада аустенита дает так называемая диаграмма изотермического превращения аустенита (рис. 6.4).

С-образные кривые отображают начало и конец изотермического превращения аустенита при разных температурах, т.е. зависимость от степени его переохлаждения. Изотермическое превращение аустенита начинается через некоторый период времени. Сначала, при увеличении степени переохлаждения, этот период уменьшается до некоторой критической величины , а затем снова увеличивается.

Кривые охлаждения, которые отражают скорость охлаждения, строят в тех же координатах, что и диаграмму изотермического превращения аустенита. При небольшой скорости охлаждения V₁ 1 град/сек (охлаждение вместе с печью) аустенит переохлаждается незначительно и распадается с образованием

Рис. 6.3. Зависимость положения критических точек эвтектоидной стали от скорости охлаждения	Рис. 6.4. Диаграмма изотермического превращения аустенита в эвтектоидной стали

равномерной структуры с твердостью НВ 150. Увеличение скорости охлаждения (V₂  10 град/сек) (охлаждение на воздухе) ведет к большему переохлаждению аустенита. Аустенит распадается с образованием феррито-цементитной смеси, которая более дисперсная чем перлит, она называется сорбитом. Сталь, в структуре которой преобладает сорбит, обладает высокой прочностью и пластичностью (НВ 250...300 – для среднеуглеродистой стали). При еще большей скорости охлаждения (V₃  100 град/сек) аустенит распадается с образованием наимельчайших частиц феррита и цементита. Такая структура называется трооститом. Сталь, имеющая в своей структуре троостит, характеризуется повышенной твердостью, которая достигает НВ 350...400, достаточной прочностью, вязкостью и пластичностью.

По своему строению перлит, сорбит и троостит очень сходны и представляют собой механические смеси феррита и цементита, отличающиеся лишь размерами пластинок феррита и цементита.

В случае очень высокой скорости охлаждения (V_кр и более) (охлаждение в воде) превращение аустенита не успевает начаться, происходит только бездиффузионное изменение, которое называется мартенситом. Мартенсит отличается от сорбита и троостита и по структуре и по свойствам. Он представляет собой твердый раствор углерода в -железе, имеет игольчатое строение, обладает высокой твердостью, очень низкой пластичностью. Особенность его структуры объясняется тем, что при резком охлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора аустенита в виде частичек цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Происходит только перестройка с гранецентрированной решетки -железа на объемно-центрированную решетку -железа. При этом весь углерод остается в решетке -железа, значительно искажая ее. В результате большого искривления кристаллической решетки твердость мартенсита достигает НВ 600...650.

Минимальная скорость охлаждения, при которой в стали происходят только мартенситные превращения, называется критической скоростью охлаждения V_кр.

Температура мартенситного превращения не зависит от скорости охлаждения. Мартенситное превращение начинается и заканчивается при определенной температуре и происходит только при непрерывном охлаждении стали. Температура начала мартенситного превращения (М_н) и температура окончания (М_к) изменяются в зависимости от содержания углерода в стали. Так при низком содержании углерода (С0,2%) М_н составляет порядка 450520⁰С, а М_к – 380430⁰С. При содержании углерода более 0,6% температура М_н снижается и составляет 270⁰С и ниже, М_к уходит в область отрицательных температур и может достигать минус 100ºС. При скорости охлаждения более V_кр аустенит переохлаждается без изменения до температуры М_н и потом превращается в мартенсит.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов – феррит, перлит, ледебурит, цементит, аустенит и др. – обладают различными свойствами и различной твердостью (табл. 6.1).

Таблица 6.1