Влияние температуры нагрева и скорости охлаждения на свойства сталей

Обновлено: 20.05.2024

. Содержание углерода 6,67% соответствует 100%-ной доле химического соединения Fe₃C, называемого цементитом. Таким образом, диаграмма железо- углерод представляет часть диаграммы между чистым компонентом А (Fe) и соединением В (Fe₃C)

. Сплошные линии соответствуют метастабильной системе Fe- Fe₃C, пунктирные линии изображают стабильную систему Fe - C.

В области до 4,3% С различия граничных фазовых линий между метастабильной и стабильной системами незначительны. Однако при длительном температурном воздействии и при более высоком содержании углерода цементит имеет склонность к распаду на железо и графит. Графит и цементит могут, как часто наблюдается у чугуна, появляться рядом друг с другом.

Диаграмма Fe-Fe₃C является характерным примером сложной системы, содержащей три превращения:

1. Перетектическое превращение с перитектической точкой при 0,16%С и 1493 о С (точка J), в результате чего из расплава и первично выделенного -твердого раствора (ОЦК) образуется ---твердый раствор (ГЦК) по реакции:.

2. Эвтектическая реакция между расплавом, g-твердым раствором и Fe₃C при 4,3% С и 1147 о С по реакции (точка С).. Эвтектическая горизонталь простирается от 2,14 до 6,67% С, соответственно от 31 до 100% Fe₃C. Это означает, что при содержании С2,14%).

3. Эвтектоидное превращение - твердого раствора (аустенит) в при 0,8%С и 723 о С по реакции (точка S).

Диаграмма состояния железо-углерод

При содержании С>2,14% наряду с первично выделенным - твердым раствором остаточный расплав превращается в эвтектику , которая при 4,3%С образуется как чистая эвтектика и называется также ледебуритом.

На диаграмме Fe- Fe₃C левее точки Е’находятся стали, правее - чугуны. Как видно из диаграммы, стали не испытывают эвтектического превращения. При температурах ниже 723 о С все стали (в отожженном состоянии) состоят из двух фаз - ферритаи цементита.Феррит-это твердый раствор углерода в a-Feс ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в a-Fe составляет около 0,025% (точка Р) Цементит - это карбид железа Fe₃C, содержащий 6,7%С.

Микроструктура сталей

По микроструктуре в отожженном состоянии различают:

а) техническое железо, не испытывающее эвтектоидное превращение (до 0,025%С);

б) доэвтектоидные стали (от 0,025 до 0,8%С);

в) эвтектоидные стали (0,8 %С);

г) заэвтектоидные стали (от 0,8 до 2,14%С).

В отожженном техническом железе микроструктура состоит либо только из равноосных зерен феррита (до 0,006%С), либо из равноосных зерен феррита с пограничными выделениями третичного цементита. Третичный цементит образуется по границам зерен феррита вследствие уменьшения растворимости углерода в феррите при понижении температуры, и образует разорванную сетку, т.к. количество его невелико.

В отожженных доэвтектоидных сталях две структурные составляющие: избыточный феррит, образующийся в результате полиморфного превращения g ® a, и эвтектоид - перлит, который возникает при эвтектоидном превращении: g₀₈®a_0.025+Fe₃C. Избыточный феррит при большом его количестве выделяется в виде равноосных зерен (рисунок 22), при малом количестве - в виде сетки по границам зерен аустенита (рисунок 23).

Перлит имеет характерное пластинчатое строение и состоит из отдельных зерен - колоний (рисунок 24). Количественное соотношение феррита и цементита в перлите не зависит от состава стали.

В отожженных заэвтектоидных сталях структурные составляющие - перлит и цементит вторичный. Последний выделяется из аустенита перед эвтектоидной реакцией из-за уменьшения растворимости углерода при понижении температуры. Вторичный цементит выделяется по границам зерен аустенита, образуя сетку (рисунок 25), заполненную колониями перлита, которые образуются из аустенита при эвтектоидном превращении.

Таким образом, по микроструктуре можно качественно отличить стали с разным содержанием углерода. В таблице 1 приведены данные о фазовых и структурных составляющих сталей.

Таблица 1 - Фазовое состояние и микроструктура отожженных углеродистых сталей

Техническое название сплава	% С (по массе)	Фазы при 20 о С	Структурные составляющие при 20 о С
Техническое железо	0 - 0,006 0,006-0,025	a , Fe₃C	Феррит (Ф) Ф+Ц_III
Доэвтектоидная сталь	0,025 - 0,8	a , Fe₃C	Перлит+Ф_ИЗБ
Эвтектоидная сталь	0,8	a , Fe₃C	Перлит
Заэвтектоидная сталь	0,8 - 2,14	a , Fe₃C	Перлит + Ц_II

Фазы углеродистой стали сильно отличаются механическими свойствами: феррит мягок и пластичен, цементит тверд и хрупок. Ясно, что механические свойства стали зависят от свойств фаз, однако существенное влияние оказывает и микроструктура. Свойства отдельных фаз и перлита можно сравнить в таблице 2. Эвтектоидные и заэвтектоидные стали со структурой перлита или перлита с вторичным цементитом обладают повышенной твердостью. Если же сталь подвергнуть специальному отжигу (сфероидизирующий отжиг), выделения вторичного цементита и цементит эвтектоида принимают глобулярную форму (см. рисунок 26), а твердость снижается.

Рисунок 21 - Схема микроструктуры технического железа: феррит и третичный цементит по границам зерен	Рисунок 22 - Схема микроструктуры доэвтектоидной стали: зерна избыточного феррита и перлит	Рисунок 23 - Схема микроструктуры перлита
Рисунок 24 - Схема микроструктуры доэвтектоидной стали: сетка избыточного феррита и перлит	Рисунок 25 - Схема микроструктуры заэвтектоидной стали: сетка вторичного цементита и перлит	Рисунок 26 - Схема микроструктуры заэвтектоидной стали: феррит и зернистый цементит

Таблица 2 - Механические свойства структурных составляющих в углеродистых сталях

Структура (фаза)	Механические свойства
Твердость НВ, МПа	s _В, МПа	d ,%
Феррит Цементит Перлит Феррит и зернистый цементит (0,8%С)	800 - 900 7500 - 8200 1900 - 2300 1600 - 1900	190 - 250 830 - 900 650 - 700	40-50

Строение зоны термического влияния (ЗТВ).

Рассмотрим схему зоны термического влияния в сварных соединениях в соответствии с диаграммой состояния и максимальной температурой нагрева, достигаемой в отдельных точках. Протяженность отдельных участков возрастает с уменьшением градиента распределения максимальных температур нагрева.

Рис.

Участок 1 – металл шва

Участки 2, 3, 4, прилежащие к линии сплавления, образуются в сварных соединениях сталей, претерпевающих перитектическую реакцию, что характерно для низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,5%. Для данных участков характерно образование высокотемпературной химической неоднородности, следствием которой может служить снижение технологических и служебных свойств сварных соединений. Одним из существенных факторов, способствующим высокотемпературной химической неоднородностит, является процесс превращении α→ δ при нагреве до 1400оС.

Участок 5. характеризуется крупнозернистой структурой в результате перегрева аустенитных зерен. В низкоуглеродистых и низколегированных сталях при замедленной последующем охлаждении образуется перлитно-ферритная структура пластинчатого типа.

Участок 6. участок нормализации с температурой нагрева в интервале Т рекрист – Ас3 . Для этого участка характерна относительно мелкозернистая структура аустенита с повышенной неоднородностью по содержанию углерода и легирующих элементов.

Участок 7. Участок неполной рекристаллизации с максимальной температурой нагрева в интервале Ас3-Ас1, структура стали – аустенитно-ферритная с наличием карбидов. Аустенит характеризуется наибольшей неоднородностью по углероду и элементам замещения. При умеренных скоростях охлаждения из межкритического интервала температур более углеродистая част аустенита превращается по мартенситному механизму, а менее углеродистая – по диффузионному.

Участок 8 – участок отпуска, в котором металл нагревается до температуры Ас1 600оС. Здесь наиболее активно происходят процессы разделения феррита и цементита, коагуляции карбидов.

Следует отметить, что во всех участках ЗТВ процессы структурно-фазовых превращений, и, следовательно, формирования механических свойств сварного соединения в значительной степени зависят от параметров термических циклов сварки и термообработки, химического состава и исходного структурного состояния сталей.

Фазовые превращения в стали при нагреве и охлаждении.

Нагрев стали сопровождается образованием аустенита, а основное превращение – это превращение перлита в аустенит, так как в структуре всех сталей в исходном состоянии присутствует перлит. Превращение идет по реакции Ф+Ц → А.

В доэвтектоидных сталях после исчезновения перлита при нагреве от температуры Ас3 до Ас1 избыточный феррит превращается в аустенит. В заэвтектоидных сталях в этом интервале температур избыточный цементит растворяется в аустените. Выше температур Ас3 идут только процессы гомогенизации и роста зерна аустенита. Рост зерна – самопроизвольно протекающий процесс, так как при этом уменьшается суммарная поверхность зерен (уменьшается поверхностная энергия). От размера зерна аустенита зависят механические свойства стали, особенно понижается ударная вязкость и пластичность.

При охлаждении аустенит не сохраняется, а претерпевает превращения. При этом в зависимости от скорости охлаждения могут протекать два превращения: аустенита в феррито-карбидную смесь (ФКС) или аустенита в мартенсит. Чем больше скорость охлаждения, тем дисперснее структура ФКС. Если при охлаждении подавляется диффузионная подвижность атомов, то происходит мартенситное превращение. Такое влияние скорости охлаждении связано с тем, что с увеличением скорости охлаждения аустенит может переохлаждаться до более низких температур. Чем больше скорость переохлаждения, тем больше степень переохлаждения, меньше диффузионная подвижность атомов железа и углерода и ниже действительная температура превращения аустенита. Таким образом, важнейшим фактором, влияющим на механизм и кинетику превращения аустенита при непрерывном охлаждении, а также на строение и свойства получающихся продуктов превращения, является степень переохлаждения аустенита.

Аналогичная зависимость характерна при изотермическом охлаждении. Каждой действительной температуре изотермической выдержки соответствует определенное время начала и конца превращения. Диаграммы изотермического превращения аустенита для всех сталей приведены в справочниках и с их помощью можно прогнозировать структуру и твердость после конкретного режима охлаждения.

Изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (показать структуры и скорости охлаждения).

ФКС в зависимости от температуры нагрева и времени изотермической выдержки имеет следующую структуру:

Перлит (межпластинчатое расстояние 0,5-0,7 мкм);

Сорбит (межпластинчатое расстояние 0,3-0,4 мкм);

Тростит (межпластинчатое расстояние 0,1-0,2 мкм).

Мартенсит имеет пластинчатую или реечную форму. Промежуточным продуктом может быть бейнит – смесь феррита и дисперсных карбидов, которые можно различить только в электронном микроскопе.

Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали на ее структуру

Термической обработкой называется технологический процесс, включающий нагрев стали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с необходимой скоростью. Целью термической обработки является получение заданных свойств стали путем изменения ее структуры без изменения формы и размеров деталей.

Термическая обработка вызывает изменения в структуре материала в том случае, если сплав претерпевает превращения, вызванные полиморфизмом, диффузией или изменением растворимости одного компонента в другом. Часто эти процессы могут накладываться друг на друга и оказывать влияние на свойства материалов.

В исходном состоянии углеродистая сталь может иметь различную структуру в зависимости от содержания углерода: доэвтектоидная – феррит и перлит; эвтектоидная – перлит; заэвтектоидная – перлит и цементит вторичный.

Рассмотрим процесс нагрева эвтектоидной стали выше критической температуры Ас₁, когда структура состоит из перлита (рис. 10.1). Это превращение можно записать согласно диаграмме «Железо – цементит»:

где Ф (феррит) содержит 0,02 % углерода, Ц (цементит) – 6,67 % углерода и А (аустенит) – 0,8 % углерода.

Когда сталь переходит критическую температуру А₁, превращение сопровождают два параллельно идущих процесса: полиморфное превращение Fe_α (ОЦК) → Fе_γ (ГЦК) и растворение цементита в Fе_γ.

Растворение цементита не может начаться, пока сохраняется кристаллическая решетка феррита. Как известно, углерод в ней может максимально растворяться в количестве 0,02 %, поэтому вначале происходит зарождение кристаллов аустенита на межфазной поверхности раздела феррита и цементита. Зарождение сопровождается образованием центров кристаллизации аустенита, и, следовательно, происходит измельчение зерна. Только после образования Fе_γ возможно дальнейшее растворение углерода в аустените.

Полиморфное превращение происходит с более высокой скоростью, чем процесс растворения цементита, поэтому первоначально аустенит сохраняет неоднородность по углероду и за образованием зародыша аустенита следует его насыщение углеродом.

Начальная величина зерна аустенита зависит от количества зародышей, возникающих в данном объеме в единицу времени, и скорости их роста. Чем дисперснее структура перлита, тем мельче начальное зерно аустенита, т. к. у такой структуры больше поверхность раздела между ферритной и карбидной фазами, где и идет образование зародышей.

К окончанию превращения всего перлита в аустенит сталь состоит из большого количества мелких аустенитных зерен. Дальнейший нагрев или выдержка после окончания превращения ведет к их росту. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к уменьшению свободной энергии за счет сокращения поверхности зерен. Он происходит в результате увеличения одних зерен за счет других, более мелких.

Чтобы охарактеризовать поведение стали при нагреве в отношении изменений размера зерна, рассмотрим понятие о зерне аустенита, которое может быть:

· начальным зерном – размер аустенитного зерна в момент окончания перлито-аустенитного превращения;

· действительным зерном – зерном аустенита, полученным в данных конкретных условиях нагрева;

· наследственным зерном аустенита, характеризующим склонность зерна к росту при высоких температурах.

Склонность стали к росту зерна зависит от ее состава и раскисления. Стали, раскисленные только марганцем или марганцем с кремнием, относят к наследственно-крупнозернистым. Стали, раскисленные и модифицированные дополнительно алюминием, титаном, церием и другими элементами в количестве 0,05–0,1 %, относят к группе наследственно-мелкозернистых.

Переход через критическую точку А₁ сопровождается резким уменьшением размеров зерна. При дальнейшем нагреве зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет до весьма высоких температур, после чего начинает быстро расти. В крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна, который начинается сразу после перехода через критическую точку (рис. 7.1). Наследственно-мелкозернистая сталь при достаточно высокой температуре может иметь более крупное зерно аустенита, чем наследственно-крупнозернистая сталь, поэтому различают еще действительное зерно, полученное в стали при данной температуре нагрева. Размер действительного зерна аустенита определяется температурой нагрева, длительностью выдержки и склонностью данной стали к росту зерна.

Известно, что мелкозернистая сталь имеет более высокие механические свойства, поэтому природную зернистость сталей оценивают баллами специально разработанной шкалы зернистости (ГОСТ 5639-82).

Рис. 7.1. Схема роста зерна аустенита в наследственно-мелкозернистой
и наследственно-крупнозернистой эвтектоидной стали

Нагрев доэвтектоидной стали до температуры, значительно превышающей А₃ (1100–1200 °С), и последующее охлаждение приводят к образованию структуры, состоящей из крупных игл избыточного феррита, прорезающих крупные зерна перлита. В честь австрийского ученого
А. Б. Видманштетта такая структура была названа видманштеттовой структурой (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Схема (а) и фотография (б) микроструктуры Видманштетта

Еще более высокий нагрев стали, при котором по границам зерна появляются участки оплавления и происходит их окисление, вызывает пережог стали. При пережоге излом стали становится камневидным и является неисправимым браком.

Выше (в гл. 5) рассматривались фазовые превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении из аустенитного состояния. Увеличивая скорость охлаждения или вводя легирующие элементы, можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, т. е. понизить температуру его превращения. От степени переохлаждения аустенита зависят механизм и кинетика превращения, структура и свойства продуктов превращения. Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяют на диффузионное (перлитное), промежуточное (бейнитное) и бездиффузионное (мартенситное).

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше А₃ (для доэвтектоидной стали), или выше А_ст (для заэвтектоидной стали), или выше А₁ (для эвтектоидной стали), переохлаждать до температуры ниже А₁ с различными скоростями, вызывая тем самым различную степень переохлаждения, то можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.

Рассмотрим превращение переохлажденного аустенита на примере эвтектоидной стали (0,8 % углерода). Во время охлаждения ниже критической температуры А₁ происходит превращение его в почти чистое Fe_α и цементит.

Процесс образования перлита – это зарождение центров перлита и рост перлитных кристаллов. Этот процесс происходит во времени и может быть изображен в виде кинетической кривой превращения (рис. 7.3), показывающей количество перлита в зависимости от времени.

Рис. 7.3. Кинетическая кривая превращения аустенита в перлит

Начальный период характеризуется малой скоростью превращения и имеет инкубационный период 0а. Длительность инкубационного периода зависит от степени переохлаждения аустенита. При снижении температуры, т. е. увеличении степени переохлаждения, скорость превращения возрастает, а продолжительность инкубационного периода и всего превращения сокращается.

Для изучения изотермического (при постоянной температуре) превращения аустенита образцы стали нагревают до стабильного аустенита, а затем переохлаждают аустенит до температур ниже А₁ (700, 600, 500 °С и т. д.) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита, фиксируя начало и окончание превращения.

Рис. 7.4. Построение диаграммы изотермического превращения
переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (0,8 % углерода)

Пусть эти температурные значения будут t₁ > t₂ > t₃ (рис. 7.4,а), тогда построение диаграммы изотермического превращения аустенита будет выглядеть так, как показано на рис. 7.4,б. Горизонтальная линия М_Н показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения, М_К – его окончания.

Превращения, которые совершаются при разных степенях переохлаждения выше и ниже пика С-образной диаграммы, отличаются по кинетике превращений и по форме продуктов распада. Условно они разделены на три зоны: перлитное, бейнитное и мартенситное превращения.

Перлитное превращение переохлажденного аустенита является диффузионным. Вначале на границе аустенитного зерна образуется зародыш цементита. Объем вблизи его обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное (γ→α) превращение. Кристаллы феррита зарождаются на границе с цементитом. В результате происходит совместный рост кристаллов феррита и цементита, образуются так называемые перлитные колонии. Чем больше переохлаждение, тем мельче получается феррито-цементитная смесь и тем прочнее и тверже она становится.

При высоких температурах превращения (650–700 ºС) и малых степенях переохлаждения получается грубая смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом. При более низких температурах (550–600 ºС) и, следовательно, больших степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает и твердость продуктов повышается до 2500–3500 НВ
(≈25 HRC). Перлит более тонкого строения получил название сорбит (от фамилии английского ученого Г. К. Сорби).

При еще более низкой температуре (550 ºС) дисперсность феррито-цементитной смеси еще более увеличивается и получается структура, называемая троостит (по фамилии французского ученого А. Ж. Труста),
с твердостью 3500–4500 НВ (≈35 HRC).

Таким образом, перлит, сорбит и троостит – это структуры с одинаковой природой (феррит + цементит), отличающиеся между собой степенью дисперсности частиц феррита и цементита. Перлит может иметь зернистое и пластинчатое строение. Однородный аустенит образует пластинчатый перлит. Неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения превращается в зернистый перлит.

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях сначала выделяется избыточная фаза – феррит или избыточный цементит, в остальном все происходит как в эвтектоидной стали.

Мартенситное превращение аустенита происходит в том случае, когда аустенит переохлажден до низких температур, при которых исключена диффузия.

Мартенсит (по фамилии немецкого ученого А. Мартенса) – упорядоченный перенасыщенный твердый раствор углерода в Fe_α. Мартенситное превращение состоит в перестройке γ-решетки в α-решетку без диффузии углерода. Г. В. Курдюмов дал очень понятное определение мартенситному превращению: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные».

Образовавшиеся кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы. Сдвиг атомов образует игольчатый микрорельеф на поверхности металлического шлифа, поэтому мартенсит называют мелкоигольчатым, скрытокристаллическим, реечным и т. д., в зависимости от исходной структуры аустенита. Аустенит и мартенсит имеют разную кристаллическую решетку и разный удельный объем, поэтому происходит рост упругих напряжений во всей детали. Это необходимо учитывать при их термической обработке, т. к. объем мартенсита больше объема аустенита.

Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку
(рис. 7.5), параметры которой (c и а) зависят от количества растворенного в нем углерода. Твердость мартенсита будет тем больше, чем больше углерода в стали (табл. 7.1).

Твердость, НRС
Содержание С, %	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0

Мартенситное превращение протекает в интервале температур от М_Н до М_К. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо сталь непрерывно охлаждать. Если охлаждение прекратить в интервале между М_Н и М_К, то это приведет к стабилизации аустенита. В закалённой стали, имеющей точку М_К ниже +20 °С (а именно – в углеродистых сталях, содержащих углерода более 0,5–0,6%, или легированных), всегда присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температуры точек М_Н и М_К, т. е. чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов.

Рис. 7.5. Тетрагональная кристаллическая решетка мартенсита

Температурное значение точек М_Н и М_К не зависит от скорости охлаждения, а обусловлено химическим составом стали. С повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали (кроме кобальта и алюминия) значения температур М_Н и М_К понижаются. Размеры кристаллов мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита.

Следует помнить, что мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения, искусственно полученная неравновесная структура и при определенных условиях она может превращаться в более равновесные структуры. Для структуры мартенсита характерна высокая прочность, твердость, износостойкость, кроме того, она имеет наибольший удельный объем в сравнении с другими структурами.

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита протекает между перлитным и мартенситным превращением и сочетает в себе диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и бездиффузионное (сдвиговое) мартенситное превращение при перестройке кристаллической решетки Fе_γ → Fе_α. Бейнит (по имени американского металлурга Э. Бейна) представляет собой двухфазную структуру, состоящую из кристаллов феррита и цементита. Особенность этого превращения заключается в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму. Бейнит, образующийся в интервале температур 550–350 ºС, называют верхним бейнитом, а образующийся при 350–240 ºС – нижним бейнитом.

Превращение переохлажденного аустенита можно осуществить в изотермических условиях, т. е. при постоянной температуре. Такое превращение аустенита описывается диаграммами изотермического превращения и редко используется в практике термической обработки сталей. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении описываются термокинетическими диаграммами.

Такие диаграммы строят в координатах «Температура – Время» на основе анализа серии кривых охлаждения, на которых отмечают температуры начала и конца перлитного и бейнитного превращений. Термокинетические диаграммы имеют сложный вид, поэтому для упрощения будем рассматривать диаграмму изотермического превращения с наложенными на нее кривыми охлаждения (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Наложение кривых охлаждения на диаграмму
изотермического распада аустенита

На диаграмме отражены все ее особенности:

· при малых скоростях охлаждения (V₁, V₂, V₃) в стали протекает только диффузионный распад аустенита с образованием феррито-цементитной смеси различной степени дисперсности (перлит, сорбит, троостит);

· при охлаждении со скоростью V_КР – критической скорости закалки – или большей (V₄) переохлажденный аустенит превращается в неравновесную фазу – мартенсит.

В зависимости от скоростей охлаждения превращение аустенита может быть диффузионным и бездиффузионным. Критерием превращения является критическая скорость охлаждения V_КР. Это наименьшая скорость охлаждения, при которой подавляется диффузия атомов углерода.

Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении

Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат стремления системы к минимуму свободной энергии.

1. Превращение перлита в аустенит (П→А), происходит при нагреве выше критической температуры А_1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.

Fe_α(C)+Fe₃C → Fe_γ(C)

2. Превращение аустенита в перлит(А→П), происходит при охлаждении ниже А₁, минимальной свободной энергией обладает перлит:

Fe_α(C)+ Fe_γ(C) → Fe₃C

3. Превращение аустенита в мартенсит (А→М) происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

Fe_γ(C) → Fe_α(C)

4. Превращение мартенсита в перлит (М→П); – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

Fe_α(C) → Fe_α(C)+ Fe₃C

Механизм основных превращений:

1.Превращение перлита в аустетит.

Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением Fe_α→Fe_γ, а так же растворением цементита в аустените.

Для исследования процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита (рис.1.16). Для этого образцы нагревают до температуры выше A₁ и выдерживают, фиксируя начало и конец превращения.

Рис. 1.16. Диаграмма изотермического образования аустенита:

1 - начало образования аустенита; 2 - конец преобразования перлита в аустенит;

3 - полное растворение цементита

С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается.

Механизм превращения представлен на рис.1.17.

Рис. 1.17. Механизм превращения перлита в аустенит

Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит – цементит, кристаллическая решетка Fe_α перестраивается в решетку Fe_γ.

Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста

Образующиеся зерна аустенита имеют вначале такую же концентрацию углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается. Превращение Fe_α в Fe_γ идет быстрее. После того, как весь цементит растворится, аустенит неоднороден по химическому составу: там, где находились пластинки цементита концентрация углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка.

Величина образовавшегося зерна аустенита оказывает влияние на свойства стали.

Рост зерна аустенита. Образующиеся зерна аустенита получаются мелкими (начальное зерно). При повышении температуры или выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста является разность свободных энергий мелкозернистой (большая энергия) и крупнозернистой (малая энергия) структуры аустенита.

Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температуры A₁, то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая.

Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой. Стали одной марки, но разных плавок могут различаться, так как содержат неодинаковое количество неметаллических включений, которые затрудняют рост аустенитного зерна.

Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор – увеличивают ее.

Заэвтектоидные стали менее склонны к росту зерна.

При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размера зерна зависят механические свойства. Крупное зерно снижает сопротивление отрыву, ударную вязкость, повышает порог хладоломкости.

Различают величину зерна наследственного и действительного.

Для определения величины наследственного зерна, образцы нагревают до 930 o С и затем определяют размер зерна.

Действительная величина зерна – размер зерна при обычных температурах, полученный после той или иной термической обработки.

Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали.

Пережог. Имеет место, когда температура нагрева приближается к температуре плавления. При этом наблюдается окисление границ зерен, что резко снижает прочность стали. Излом такой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак.

2. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении.

Fe_γ(C) →Fe_α(C)+Fe₃C

Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается полиморфным превращением Fe_γ→Fe_α, выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита.

В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения. Вначале, с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, а затем убывает. При температуре 727 o С и ниже 200 o С скорость равна нулю. При температуре 200 o С равна нулю скорость диффузии углерода.

Закономерности превращения.

Образцы нагревают до температуры, при которой структура состоит из однородного аустенита (770 о С). Затем переносят в термостаты с заданной температурой (интервал 25 – 50 о С). Превращение аустенита можно легко обнаружить с помощью наблюдений за изменением магнитных характеристик, так как аустенит парамагнитен, а феррит и цементит обладают магнитными свойствами.

Получают серию кинетических кривых (рис. 1.18 а), которые показывают количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.

Вначале наблюдается инкубационный подготовительный период, время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит. Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада.

Затем скорость начинает уменьшаться и постепенно затухает. С увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается, а затем увеличивается.

Горизонтальная линия М_н показывает температуру начала бездиффузного мартенситного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита (рис. 1.18 б).

При малых степенях переохлаждения, в области температур 727…550 o С, сущность превращения заключается в том, что в результате превращения аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. Аустенит содержит 0,8 % углерода, а образующиеся фазы: феррит –0,02 %, цементит – 6,67 % углерода.

Время устойчивости аустенита и скорость его превращения зависят от степени переохлаждения. Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению ниже температуры А₁ на 150…200 o С, то есть соответствует минимальной устойчивости аустенита.

Рис. 1.18. Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении (а);

диаграмма изотермического превращения аустенита (б)

Механизм превращения представлен на рис. 1.19.

Рис. 1.19. Механизм превращения аустенита в перлит

При образовании перлита из аустенита ведущей фазой является цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен. Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита. Эти пластинки растут как по толщине, так и по длине. Рост образовавшихся колоний перлита продолжается до столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров.

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит процесс его распада.

Толщина соседних пластинок феррита и цементита определяет дисперсность структуры и обозначается Δ₀. Она зависит от температуры превращения. В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различное название.

Δ₀ ~(0.5…0.7)10 -3 мм – перлит.

Образуется при переохлаждении до температуры Т = 650…700 o С, или при скорости охлаждения V_охл = 30…60 o С/ч. Твердость составляет 180…250 НВ.

Δ₀ ~0.25 . 10 -3 мм – сорбит.

Образуется при переохлаждении до температуры Т = 600…650 o С, или при скорости охлаждения V_охл = 60 o С/с. Твердость составляет 250…350 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, достаточной вязкостью и прочностью.

Δ₀ ~0.1 . 10 -3 мм – троостит.

Образуется при переохлаждении до температуры Т = 550…600 o С, или при скорости охлаждения V_охл = 150 o С/с. Твердость составляет 350…450 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью и пластичностью.

Твердость ферритно-цементитной смеси прямо пропорциональна площади поверхности раздела между ферритом и цементитом.

Промежуточное превращение.

При температуре ниже 550 o С самодиффузия атомов железа практически не происходит, а атомы углерода обладают достаточной подвижностью.

Механизм превращения состоит в том, что внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода и участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит.

Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по сдвиговому механизму, путем возникновения и роста зародышей феррита. Образующиеся при этом кристаллы имеют игольчатую форму.

Такая структура, состоящая из цементита и феррита, называется бейнитом. Особенностью является повышенное содержание углерода в феррите (0.1…0.2 %).

Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависят от температуры превращения.

При температуре 550 о С - Δ₀ ~0.12 . 10 -3 мм – верхний бейнит. Структура характеризуется недостаточной прочностью, при низких относительном удлинении (δ) и ударной вязкости.

При температуре 300 o С – Δ₀ ~0.08 . 10 -3 мм – нижний бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.

3. Превращение аустенита в мартенсит при высоких скоростях охлаждения

Данное превращение имеет место при высоких скоростях охлаждения, когда диффузионные процессы подавляются. Сопровождается полиморфным превращением Fe_γ в Fe_α.

При охлаждении стали со скоростью, большей критической (V > V_к), превращение начинается при температуре начала мартенситного превращения (М_н) и заканчивается при температуре окончания мартенситного превращения (М_к). В результате такого превращения аустенита образуется продукт закалки – мартенсит.

Минимальная скорость охлаждения V_к, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры т.М_н и превращается, называется критической скоростью закалки.

Так как процесс диффузии не происходит, то весь углерод аустенита остается в решетке Fe_α и располагается либо в центрах тетраэдров, либо в середине длинных ребер (рис. 1.20).

Мартенсит– пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe_α.

При образовании мартенсита кубическая решетка Fe_α сильно искажается, превращаясь в тетрагональную (рис.1.20а). Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности: с/а > 1. Степень тетрагональности прямо пропорциональна содержанию углерода в стали (рис. 1.20 б).

Механизм мартенситного превращения имеет ряд особенностей.

1. Бездиффузионный характер.

Превращение осуществляется по сдвиговому механизму. В начале превращения имеется непрерывный переход от решетки аустенита к решетке мартенсита (когерентная связь). При превращении гранецентрированной кубической решетки в объемно-центрированную кубическую атомы смещаются на расстояния меньше межатомных, т.е. нет необходимости в самодиффузии атомов железа.

2. Ориентированность кристаллов мартенсита.

Кристаллы имеют форму пластин, сужающихся к концу, под микроскопом такая структура выглядит как игольчатая. Образуясь мгновенно, пластины растут либо до границы зерна аустенита, либо до дефекта. Следующие пластины расположены к первым под углами 60 o или 120 o , их размеры ограничены участками между первыми пластинами (рис. 1.21).

Рис. 1.20. Кристаллическая решетка мартенсита (а);

влияние содержания углерода на параметры а и с решетки мартенсита (б)

Рис. 1.21. Ориентированность кристаллов мартенсита

Ориентированный (когерентный) рост кристаллов мартенсита обеспечивает минимальную поверхностную энергию. При когерентном росте, из-за различия объемов аустенита и мартенсита, возникают большие напряжения. При достижении определенной величины кристаллов мартенсита, эти напряжения становятся равными пределу текучести аустенита. В результате этого нарушается когерентность и происходит отрыв решетки мартенсита от решетки аустенита. Рост кристаллов прекращается.

3. Очень высокая скорость роста кристалла, до 1000 м/с.

4. Мартенситное превращение происходит только при непрерывном охлаждении. Для каждой стали начинается и заканчивается при определенной температуре, независимо от скорости охлаждения. Температуру начала мартенситного превращения называют мартенситной точкой М_Н, а температуру окончания превращения – М_К. Температуры М_Н и М_К зависят от содержания углерода и не зависят от скорости охлаждения. Для сталей с содержанием углерода выше 0,6% М_К уходит в область отрицательных температур (рис.1.22).

Мартенситное превращение чувствительно к напряжениям, и деформация аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше М_Н.

В сталях с М_К ниже 20 o С присутствует аустенит остаточный, его количество тем больше, чем ниже М_Н и М_К (при содержании углерода 0,6…1,0 % количество аустенита остаточного – 10 %, при содержании углерода 1,5 % - до 50 %). В микроструктуре наблюдается в виде светлых полей между иглами мартенсита.

5. Превращение необратимое. Получить аустенит из мартенсита невозможно.

Рис. 1.22. Зависимость температур начала (М_Н) и конца (М_К) мартенситного превращения от содержания углерода в стали

Свойства мартенсита обусловлены особенностями его образования. Он характеризуется высокой твердостью и низкой пластичностью, что обуславливает хрупкость.

Твердость составляет до 65 HRC. Высокая твердость вызвана влиянием внедренных атомов углерода в решетку α-фазы, что вызывает ее искажение и возникновение напряжений. С повышением содержания углерода в стали возрастает склонность к хрупкому разрушению.

4. Превращение мартенсита в перлит.

Имеет место при нагреве закаленных сталей. Превращение связано с диффузией углерода.

Мартенсит закалки неравновесная структура, сохраняющаяся при низких температурах. Для получения равновесной структуры изделия подвергают отпуску.

При нагреве закаленной стали происходят следующие процессы.

При нагреве до 200 o С происходит перераспределение углерода в мартенсите. Образуются пластинки ε–карбидов толщиной несколько атомных диаметров. На образование карбидов углерод расходуется только из участков мартенсита, окружающих кристаллы выделившихся карбидов. Концентрация углерода на этих участках резко падает, тогда как удаленные участки сохраняют концентрацию углерода. В стали присутсвуют карбиды и два ε-твердых раствора мартенсита (с высокой и низкой концентрацией углерода. Такой тип распада мартенсита называется прерывистым. Скорость диффузии мала, карбиды не увеличиваются, распад мартенсита сопровождается зарождением новых карбидных частиц. Таким образом, имеем структуру с неравномерным распределением углерода – это мартенсит отпуска. При этом несколько снижается тетрагональность решетки.

При нагреве до 300 o С идет рост образовавшихся карбидов. Карбиды выделяются из мартенсита, и он обедняется углеродом. Диффузия углерода увеличивается, и карбиды растут в результате притока углерода из областей твердого раствора с высокой его концентрацией. Кристаллическая решетка карбидов когерентно связана с решеткой мартенсита.

В высокоуглеродистых сталях аустенит остаточный превращается в мартенсит отпуска. Наблюдается снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. Структура – мартенсит отпуска:

При нагреве до 400 o С весь избыточный углерод выделяется из Fe_α. Карбидные частицы полностью обособляются, приобретают строение цементита, и начинают расти. Форма карбидных частиц приближается к сферической.

Высокодисперсная смесь феррита и цементита называется троостит отпуска;

При нагреве выше 400 o С изменение фазового состава не происходит, изменяется только микроструктура. Имеет место рост и сфероидизация цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц.

При температуре 550…600 o С имеем сорбит отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. Улучшаются свойства стали.

При температуре 650…700 o С получают более грубую ферритно- цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).

Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали

Этот вопрос удобнее выяснить на примере эвтектоидной стали (С = 0,8%). Из этой стали изготавливается серия образцов, все они нагреты до аустенитного состояния, т.е. выше 727°С и в дальнейшем каждый образец охлаждается с разной скоростью (рис. 38).

Рис. 38. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали с наложенными на нее кривыми охлаждения:

а – общий вид; б – получаемые структуры

Превращение аустенита при температурах 550°С и выше называется перлитным превращением, при 550°С…М_Н – мартенситным (М_Н – начало_, М_К – конец мартенситного превращения).

Перлитное превращение. В интервале температур перлитного превращения образуются пластинчатые структуры из кристаллов феррита и цементита, которые отличаются степенью дисперсности частиц Ф и Ц.

Дисперсность перлитных структур оценивается межпластинчатым расстоянием S соседних пластинок феррита и цементита (рис. 39).

Чтобы не спутать цементит с ферритом используют специальный травитель – пикрат натрия, который окрашивает цементит в черный цвет. Феррит при этом не окрашивается, т.е. остается светлым.

Рис. 39. Феррито-цементитная структура

Если превращение идет при температурах 650–670°С, то образуется перлит, S = 6·10 -4 мм .

При температурах превращения 640–590°С образуется сорбит,

При температурах превращения 580–550°С образуется троостит, S = 1´10 -4 мм.

Как видно из опыта с увеличением скорости охлаждения зерна феррито-цементитной смеси измельчаются все сильнее, что резко влияет на свойства. Так, например, у перлита НВ 2000, у сорбита НВ 3000. а у троостита НВ 4200, МПа.

Промежуточное (бейнитное) превращение. В результате промежуточного превращения образуется бейнит, представляющий собой структуру, состоящую из a-твердого раствора несколько пересыщенного углеродом и частиц цементита. Бейнитное превращение сочетает в себе элементы перлитного и мартенситного превращений. В аустените образуются объемы, обогащенные и обедненные углеродом. Обедненные углеродом участки аустенита претерпевают g ® a превращение бездиффузионным путем (мартенситным). В объемах аустенита, обогащенных углеродом, при t = 400–550°С происходит выделение частиц цементита. При t < 400°С частицы цементита выделяются в кристаллах a-фазы.

Бейнит, образовавшийся при температурах 400–550°С называется верхним бейнитом, он имеет перистое строение с худшими механическими свойствами (пониженные s_в, КСU и d).

При более низких температурах (ниже 400°C) образуется нижний бейнит, он имеет игольчатое строение с лучшими механическими характеристиками (большим s_в, КСU и d).

Мартенситное превращение аустенита. Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода вFe_α

Мартенсит образуется только из аустенита в результате сильного переохлаждения последнего со скоростью не менее критической скорости закалки (V_кр = – касательная к диаграмме, см. рис. 38, а).

Мартенситные пластины (иглы) образуются почти мгновенно, со скоростью более 1000 м/с, только в пределах аустенитного зерна и не переходят границу между зернами. Поэтому размер игл мартенсита зависит от размера зерен аустенита. Чем мельче зерна аустенита, тем мельче иглы мартенсита и структура характеризуется как крупноигольчатый или мелкоигольчатый мартенсит. Решетка мартенсита тетрагональная, т.е. периоды с > а (рис. 40).

Рис. 40. Микроструктура и кристаллическая решетка мартенсита

Механизм мартенситного превращения состоит в том, что при температурах ниже М_Н решетка аустенита, хорошо растворяющая углерод (до 2014%С) оказывается неустойчивой, и перестраивается в решетку Fe_α, способность которой растворять углерод, очень мала (до 0,02%).

Из-за большой скорости охлаждения весь углерод, находящийся в аустените (ГЦК решетка) остается зафиксировать в Fe_α(ОЦК решетка), где места для его размещения нет. Поэтому избыточный углерод искажает решетку, вызывает появление больших внутренних напряжений и, как следствие, твердость и прочность растут, а ударная вязкость и пластичность падают.

Аустенитно-мартенситное превращение сопровождается увеличе- нием объема. Все структуры стали можно расположить (от максимального объема к минимальному) в следующий ряд: мартенсит – троостит – сорбит – перлит – аустенит.

Отличие от перлитного превращения:

1) большая скорость превращения;

2) превращение бездиффузионное, т.е. без предварительного выде- ления углерода и образования Fe₃C;

3) начинается превращение в точке М_Н и заканчивается в точке М_К, причем положение этих точек зависит только от химического состава сплава;

4) в структуре мартенсита всегда есть небольшое количество остаточного непревращенного аустенита (до 4%);

5) решетка мартенсита тетрагональная (а = b ¹ с).

Виды термической обработки. Термической обработкой называется такая технологическая операция, при которой путем нагрева сплава до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующего охлаждения происходят структурные изменения, вызывающие изменения свойств металлов.

Термическая обработка проводится обычно в тех случаях, когда наблюдаются:

1) полиморфные превращения;

2) ограниченная и переменная (увеличивающаяся с температурой) растворимость одного компонента в другом в твердом состоянии;

3) изменение строения металла под влиянием холодной деформации.

Основными параметрами режимов термической обработки являются: температура и скорость нагрева, продолжительность выдержки при заданной температуре, скорость охлаждения.

Температура нагрева стали зависит от положения критических точек, вида термической обработки и назначается на основании анализа диаграммы состояния сплава.

Скорость нагрева зависит от химического состава сплава, размера и формы обрабатываемых деталей, массы садки, характера расположения деталей в печи, типа нагревательного устройства и т.д.

Выдержка при заданной температуре необходима для завершения фазовых превращений, происходящих в металле, выравнивания концентрации по всему объему детали. Время нагрева (40) складывается из времени собственного нагрева t_н(2) и времени выдержки t_в:

где t_в принимается равным 1 мин на 1 мм толщины для углеродистых сталей и 2 мин для легированных.

где D– размер наибольшего сечения (размерная характеристика); K₁– коэффициент среды (для газа – 2, соли – 1, металла – 0,5); K₂ – коэффициент формы (для шара – 1, цилиндра – 2, пластины – 4, параллелепипеда – 2,5); K₃– коэффициент равномерного нагрева (всесторонний – 1, односторонний – 4).

Скорость охлаждения зависит, главным образом, от степени устойчивости аустенита, т.е. от химического состава стали, а также от структуры, которую необходимо получить.

В зависимости от скорости охлаждения углеродистой стали получают следующие структуры: феррит с перлитом, перлит, сорбит, тростит, мартенсит.

Согласно диаграмме состояния Fe-Fe₃C, температурные точки, образующие линию PSK, обозначаются А₁; линию GS – A₃; линию ES – А_ст. если рассматривается процесс нагрева, то перед цифровым индексом ставят букву С (А_С1, А_С3), а если в случае охлаждения r(А_r_з, A_r₁).

Углеродистые стали подвергаются следующим видам термической обработки: отжигу, нормализации, закалке и отпуску.

Отжиг стали. Цель отжига:

1) исправление структуры после горячей обработки (ковки, литья);

2) снижение твердости для облегчения обработки резанием;

3) снятие внутренних напряжений;

4) подготовка структуры к последующей термической обработке и холодной штамповке;

5) уменьшение химической неоднородности.

При полном отжиге сталь нагревается выше линии А_С3 на 30–50°С, выдерживается нужное время при этой температуре и затем медленно охлаждается, как правило, вместе с печью (рис. 41).

При нагреве выше точки А_С3 происходит перекристаллизация, в результате чего зерна измельчаются, внутренние напряжения устраняются, сталь становится мягкой и вязкой. Полному отжигу подвергают преимущественно доэвтектоидные стали.

В случае нагрева этих сталей ниже А_С3 часть зерен феррита остается в том же виде, в каком он был до отжига (большие размеры, пластинчатая форма), что приводит к понижению вязкости стали.

При неполном отжиге сталь нагревается выше линии А_С1 на 30–50°С и после выдержки медленно охлаждается вместе с печью. При неполном отжиге происходит лишь частичная перекристаллизация (перлит-аустенит). Этот вид применяется для заэвтектоидных сталей.

Нагрев этих сталей выше линии A_с_m(аустенитное состояние) нецелесообразен, так как растворенный в аустените цементит при последующем охлаждении будет выделяться по границам зерен перлита в виде сетки, что резко снижает пластичность и делает сталь хрупкой.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяется для выравнивания химической неоднородности по объекту кристалла в крупных отливках. Он проводится при температуре 1050–1150°С и при более длительных выдержках (10–18 ч).

Рекристаллизационный отжиг применяется при снятии наклепа и внутренних напряжений в стали после холодной обработки давлением (прокатка, штамповка, вытяжка и др.). Для углеродистых сталей этот вид отжига проводится при температуре 650–690°С. В результате чего твердость понижается, а пластичность растет.

Рис. 41. Оптимальные температуры нагрева при различных видах отжига

Нормализация стали. Вид термической обработки, состоящий в нагреве стали на 30–50°С выше линии GSE(А_cз и А_cm), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на спокойном воздухе называется нормализацией стали.

Цель нормализации – измельчение зерна, улучшение механических свойств, подготовка структуры для окончательной обработки (закалки и отпуска).

По сравнению с отжигом, скорость охлаждения при нормализации значительно выше, поэтому распад аустенита идет при больших переохлаждениях, что приводит к образованию мелкозернистых продуктов распада – феррита и перлита, и, следовательно, повышению твердости.

Нормализация, как вид термической обработки, применяется главным образом для низкоуглеродистых строительных сталей. Нормализацией устраняется цементитная сетка в заэвтектоидных сталях при подготовке их к закалке.

Закалка стали. Вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до температуры выше линии А_С3 (доэвтектоидной стали) или А_С1 (заэвтектоидной стали) на 30–50°С, выдержке при данной температуре и последующем быстром охлаждении в воде или масле (рис. 42) называется закалкой.

Рис. 42. Оптимальные температуры нагрева под закалку углеродистых сталей

Цель закалки – повышение твердости, прочности и износостойкости стали за счет получения структуры мартенсита, имеющего характерное игольчатое строение.

Для превращения аустенита в мартенсит скорость охлаждения должна быть больше критической скорости закалки V_кр.

Критической скоростью закалки называется наименьшая скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до мартенситного превращения. Если скорость охлаждения будет меньше V_кр, аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (тростит, сорбит, перлит, см. рис. 38).

Требуемая скорость охлаждения обеспечивается подбором охлаждающей среды. В производственной практике для закалки применяют воду, минеральные масла, водные растворы солей, щелочи. Основным преимуществом масел по сравнению с водой является медленное охлаждение в мартенситной области (ниже 300°С), вследствие чего закалка в масле дает меньшую деформацию, напряжения и склонность к образованию закалочных трещин.

Различают полную и неполную закалку стали. При полной закалке сталь нагревается на 30–50°С выше критической точки А_С3. Доэвтектоидные стали обязательно подвергают полной закалке, т.е. нагревают до полного перехода феррито-перлитной структуры в аустенитную. При последующем охлаждении со скоростью выше критической сталь приобретает структуру мартенсита.

Недогрев доэвтектоидной стали до точки А_С3 приводит к сохранению в структуре закаленной стали наряду с мартенситом некоторого количества феррита и, следовательно, к заниженным механическим свойствам после закалки. Такую закалку называют неполной, и для доэвтектоидной стали она является пороком (рис. 43, б).

Рис. 43. Структурные превращения в доэвтектоидной стали при закалке:

а – полная закалка; б – неполная закалка

При неполной закалке заэвтектоидной стали (нагрев выше точки А_С1, но ниже точки А_с_m) оставшийся нерастворенным цементит повышает твердость стали после закалки, так как является упрочняющей фазой. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше линии А_с_m, то в ее структуре будет крупноигольчатый мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита (см.рис. 44, б). Таким образом, если для доэвтектоидных сталей неполная закалка является дефектом, то для заэвтектоидных – основным видом закалки.

Отпуск стали. Вид термической обработки, состоящий из нагрева закаленной на мартенсит стали до температуры ниже линии PSK (А_С1), выдержке при этой температуре и последующего охлаждения называется отпуском.

Нагрев стали при отпуске облегчает переход из метастабильного состояния пересыщенного a-твердого раствора в более устойчивое. При отпуске с повышением температуры в закаленной стали происходит выделение углерода из мартенсита, что сопровождается уменьшением кристаллической решетки, образованием и коагуляцией (укрупнением) частичек цементита.

С повышением температуры отпуска предел прочности и твердость понижаются, а пластичность и ударная вязкость растут.

Рис. 44. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке:

а – неполная закалка; б – полная закалка

В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к изделиям на практике, применяют следующие виды отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск характеризуется невысокими температурами нагрева (150–250°С) и применяется для изделий, где требуется высокая твердость (HRC 56–64) и износостойкость. Низкий отпуск незначительно уменьшает твердость закаленной стали и увеличивает вязкость, снимая внутренние напряжения в изделиях. Свойства стали после отпуска зависят не только от температуры нагрева, но и от продолжительности выдержки. Низкий отпуск применяют для режущего инструмента, зубил, валков, калибров, шаблонов, изделий из цементуемых сталей.

Структура сталей после низкого отпуска – отпущенный мартенсит.

Средний отпуск характеризуется нагревом закаленной стали до температуры 300–400°С и обеспечивает относительно высокую твердость HRС 40–54 и максимальный предел упругости при достаточной прочности. Этот вид отпуска применяется для пружин, рессор, штампов, ударного инструмента и т.д. Структура изделий после среднего отпуска – тростит отпуска.

Высокий отпуск осуществляется нагревом закаленной стали до 500–600°С и применяется для изделий из конструкционных сталей, подвергаемых воздействию высоких динамических, знакопеременных или статических напряжений. Структура стали после высокого отпуска сорбит отпуска.

Читайте также: