Глава 15. Основы теории термической обработки стали
Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева до оптимальной температуры, выдержки при этой температуре и охлаждения металлических изделий с целью изменения структуры и свойств (механических, физических и химических).
Термическая обработка металлов и сплавов представляет собой наиболее распространенный вид обработки, применяемый как к заготовкам в процессе изготовления деталей для улучшения их технологических свойств, так и к готовым деталям в качестве окончательной операции, придающей материалу требуемую структуру и свойства.
15.1. Превращения, протекающие в стали при нагреве и охлаждении
Любой технологический процесс термообработки стали (закалка, отжиг, отпуск) состоит из определенных комбинаций протекающих в сталях при термообработке четырех превращений:
1) при нагреве (превращение перлита в аустенит);
2) охлаждении, (превращение аустенита в перлит);
3) непрерывном охлаждении (превращение аустенита в мартенсит);
4) отпуске (превращение мартенсита в феррито-цементитную смесь в закаленной стали).
Превращение в стали при нагреве
Превращение перлита (α + Fe3C) в аустенит (γ) происходит путем образования зародышей аустенитной фазы и их последующего роста. Указанные зародыши могут образовываться лишь при нагреве до температур, при которых аустенит является более устойчивой фазой, чем смесь феррита и цементита. В соответствии с диаграммой состояния Fe – Fe3C это возможно лишь при нагреве перлита выше равновесной температуры фазового превращения перлита в аустенит, определяемой критической точкой А1 = 727 °C.
Центры кристаллизации аустенита возникают в кристаллах феррита в тех участках, где они обогащены атомами углерода, как правило, на границах зерен феррита, примыкающих к кристаллам цементита. Появившиеся зародыши аустенита с увеличением времени изотермической выдержки растут.
Движущей силой процесса является выигрыш свободной энергии системы, связанный с одной стороны с перестройкой решетки феррита в аустенит и растворением цементита в аустените, а с другой стороны повышением поверхностной энергии, обусловленным появлением новых границ раздела.
После полного превращения перлита в аустенит необходимо дополнительное время для выравнивания концентрации углерода в различных областях кристаллов. С повышением температуры скорость выравнивания состава из-за диффузии возрастает, и длительность гомогенизации сплава сокращается. В целом, весь процесс превращения перлита в аустенит можно разбить на три этапа (рис. 15.1):
образование аустенита во всем объеме;
растворение в нем пластинок цементита;
последующая гомогенизация аустенита.
-
V3
V2
t1
t2
1
2
3
4
1
b
a
b
n
A1
840
820
800
780
760
740
727
700
Время превращения перлита в
аустенит
Рис. 15.1. Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит: 1 и 2 – начало и конец превращения перлита в аустенит; 3 – конец растворения цементита в аустените; 4 – конец гомогенизации аустенита
Однофазная аустенитная структура в результате описанного процесса превращения перлита в аустенит наблюдается только в сталях эвтектоидного состава. В доэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит остается избыточная фаза – феррит, в заэвтектоидных – цементит. Для их превращения в аустенит доэвтектоидные стали необходимо нагреть до температуры выше Ас3, а заэвтектоидные – Асm.
Величина образовавшегося зерна аустенита оказывает большое влияние на свойства стали. По склонности аустенитного зерна к росту различают наследственно крупно- и мелкозернистые стали.
Стали, раскисленные в процессе плавки только Si и Mn, обладают повышенной склонностью к росту зерна с повышением температуры и называются наследственно крупнозернистыми, стали раскисленные Si, Mn и дополнительно Al – наследственно мелкозернистыми.
На величину зерна аустенита оказывает влияние также скорость нагрева: с повышением скорости нагрева величина зерна аустенита уменьшается. Это связано с тем, что при больших скоростях нагрева скорость зарождения центров аустенита опережает скорость роста кристаллов аустенита.
Обычно наследственно мелкозернистые стали обладают лучшими технологическими свойствами и при термообработке менее чувствительны к перегревам. Крупнозернистые стали обладают пониженными ударной вязкостью и сопротивлением отрыву, повышенным температурным порогом хладноломкости.
Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали. Нагрев доэвтектоидных сталей значительно выше температуры точки Ас3 приводит к интенсивному росту зерен и выделению феррита при охлаждении стали в виде пластинчатых и игольчатых кристаллов. Эта структура называется видманштеттовой. Структура такой стали может быть исправлена повторным нагревом до оптимальной температуры.
Пережог стали наблюдается при нагреве ее до температур, близких к температуре солидус. При пережоге происходит окисление границ зерен, в результате чего прочность стали резко снижается. Пережог является неисправимым браком.
Таким образом, от качества осуществления первого превращения при термической обработке во многом зависит ее конечный результат.