Краткие теоретические сведения. Любой вид собственно термической обработки стали включает в себя нагрев до опреде­ленной температуры

Любой вид собственно термической обработки стали включает в себя нагрев до опреде­ленной температуры, выдержка ее при данной температуре и после­дующее охлаждение с заданной скоростью. Такой вид термической обработки может быть пред­ставлен графически в координатах «Температура-время» (рис. 12.1).

Целью термической обработки является получение необходимых свойств стали путем изменения ее структуры в заданном направлении.

К основным видам термической обработки углеродистой стали относят: различные виды отжига, в том числе и нормализационный (нормализацию), закалку, старение и отпуск.

Рисунок 12.1 - График термической обработки

Первым этапом любого вида терми­ческой обработки являет­ся нагрев стали. В боль­шинстве случаев цель нагрева - получение аустенитной структуры. Выбор температуры нагрева уг­леродистой стали осуще­ствляют, используя диаг­рамму состояния Fе-С (рис. 12.2).

Рисунок 12.2 – Нижняя левая часть диаграммы состояния Fе-С

Дозвтектоидные стали нагревают до температур на 30-50 °С выше кри­тической точки Ас_з по диаграмме состояния Fе-С; эвтектоидную сталь – на 30-50 °С выше критической точки Ас₁; заэвтектоидные стали – на 30-50 °С выше критической точки Ас₁ (при закалке и отжиге) или на 30-50 °С выше критической точки Асm (при нормализации) (рис. 12.2).

Вторым этапом термической обработки углеродистых сталей является выдержка, которая должна обеспечить полный прогрев изделия по сечению для завершения фазовых превращений, а также полную гомогенизацию аустенита. Время выдержки зависит от размеров и формы изделия, а также от темпера­туры нагрева. Чем больше размеры изделия, тем больше время выдержки. Чем выше температура нагрева (при прочих равных условиях), тем меньше время выдержки.

Третьим этапом термической обработки является охлаждение стали из аустенитного состояния. Различная скорость охлаждения приводит к получению различных структур, а, следовательно, и различного сочетания механических свойств.

Рассмотрим превращения аустенита в зависимости от скорости охлаждения на примере звтектоидной стали, содержащей 0, 8 % С.

В верхнем интервале температур, т.е. ниже равновесной тем­пературы А₁ и до температуры минимальной устойчивости аустенита t_min равной для углеродистых сталей приблизительно 550°C, аустенит распадается на феррито-цементитную смесь, имеющую плас­тинчатое строение.

Процесс образования феррито-цементитной смеси протекает следующим образом. Вследствие диффузии атомов углерода в аустените создаются объемы, обогащенные и обедненные углеродом по сравнению со средним содержанием углерода 0, 8 %. Флуктуации кон­центрации при t< А₁ способны создать условия для образования ус­тойчивых зародышей цементита (6, 67 % С) и феррита (0, 02 % С). Ес­ли зародыш цементита превышает критический размер для данной степени переохлаждения, то в этом месте зарождается цементитная пластинка. Рост цементитной пластинки за счет диффузии углерода приводит к обеднению углеродом лежащих рядом участков аустенита и превращению их в феррит. Процесс повторяется, что ведет к обра­зованию в аустените так называемых перлитных колоний (областей, состоящих из чередующихся пластинок цементита и участков фер­рита (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Схема образования перлита из аустенита

Расстояние между пластин­ками цементита Δ зависит от степени переохлажде­ния аустенита, которая в свою очередь зависит от скорости охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем ниже температура превращения аустенита, меньше интенсивность диффузии, а, следовательно, и меньше межпластинчатое расстояние Δ, т.е. дисперснее феррито-цементитная смесь. Струк­туры называются соответственно перлит, сорбит, троостит (табл. 12.1). Повышение дисперсности феррито-цементитной смеси приводит к повышению твердости, прочности, но к снижению пластичности и ударной вязкости стали.

Таблица 12.1 – Основные виды термической обработки, а также структура и твердость эвтектоидной стали

При непрерывном охлаждении аустенита со скоростью 200-500 гр./с (см. табл. 12.1) до температуры начала мартенситного превращения (для углеродистых сталей эта температура составляет примерно 340 °С) начинается бездиффузионное превращение переох­лажденного аустенита, имеющего ГЦК решетку, в мартенсит с объемно-центрированной тетрагональной решеткой (ОЦК). Тетрагональность решетки мартенсита вызвана наличием в ней избыточно­го количества углерода свыше 0, 02 % (рис. 12.4). Мартенсит имеет игольчатое строение, высокую твердость и низкую пластичность. Чем больше содержание углерода в мартенсите, тем больше искажение кристаллической решетки (больше отношение параметров решетки с/а), и тем выше его твердость.

Рисунок 12.4 – Схема кристаллической решетки мартенсита

Для получения вышеописанных структур, а, следовательно, и заданных свойств углеродистую сталь подвергают определенному виду термообработки.

К основным видам термической обработки относятся: отжиг, нормализация, закалка. Они отличаются скоростью охлаждения стали из аустенитного состоя­ния (см. табл. 12.1).

Отжиг заключается в нагреве стали до температур выше крити­ческих (см. рис. 12.2), выдержке при данной температуре и последую­щем медленном охлаждении (с печью).

После отжига получают структуры соответствующие диаграмме состояния Fе-С: для доэвтектоидных сталей - перлит + феррит; для эвтектоидной стали – перлит; для заэвтектоидных сталей – перлит + вторичный цементит.

Основная цель отжига - повышение пластичности стали, снятие остаточных напряжений, устранение дефектов структуры, улучшение обрабатываемости резанием, измельчение зерна, подготовка стали к последующим термообработкам.

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали вы­ше точки Ас₃; эвтектоидной – выше точки А_C1, а зазвтектоидные стали нагреваются выше линии А_cm на 50-70 °С, непродолжи­тельной выдержке и последующем охлаждении на воздухе. Структуры, получаемые после нормализации: для доэвтектоидной стали – сорбит + феррит; для эвтектоидной – сорбит; для зазвтектоидной стали – сорбит + вторичный цементит.

Цель нормализации та же, что и от­жига. Однако после нормализации твердость и прочность стали выше, чем после отжига. Чем больше углерода в стали, тем разница заме­тнее. Часто нормализация является окончательным видом термичес­кой обработки деталей машин.

Закалка заключается в нагреве дозвтектоидной стали выше Ас₁ на 30-50 °С, а эвтектоидной и заэвтектоидных сталей на 50-70 °С выше Аc₁, выдержке при данной температуре к последующем охлажде­нии в масле или воде. При закалке в масле получают структуры: для доэвтектоидной стали – троостит + феррит; для эвтектоидной стали – троостит; для зазвтектоидной стали – троостит + вторич­ный цементит. Закалка в воде приводит к превращению переохлаж­денного аустенита в мартенсит.