Превращения, происходящие в стали при нагреве и охлаждении

Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критичес­кой точки А_с1 (см. рисунок 7.3) представляет собой смесь перлита и феррита. В точке А_с1 начинается фазовая перекристаллизация перлита, т. е. превращение его в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве (от точки А_с1 до точки А_с3, ) избыточный феррит растворяется в аустените, при достижении точки А_с3, (ли­ния GS) этот процесс заканчивается. Выше точки А_с3 структура стали становится аустенитной.

При нагреве заэвтектоидной стали выше температуры точкиА_с1 в аустените начинает растворяться избыточный цементит. Выше точки А_ст (линия ES) сталь состоит только из аустенита, неодно­родного по химическому составу. В тех местах, где был цементит, аустенит богаче углеродом, а там, где был феррит, — беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава аустенита сталь нагревают до температуры, немного выше верхней критической точки А_с3, и выдерживают при этой температуре.

При повышении температуры выше точки А_с3 мелкие зерна аус­тенита соединяются между собой, размеры их увеличиваются.

Весьма ответственной характеристикой структуры стали явля­ется размер зерна аустенита. При охлаждении стали аустенит ис­пытывает превращения и формирование новой структуры, что су­щественно зависит от размера зерна аустенита. Чем меньше зер­на аустенита, тем меньше будут размеры зерен феррита и перли­та, а в закаленных сталях меньше размеры кристаллов мартенсита. Мелкозернистый аустенит способствует улучшению механичес­ких свойств стали. Увеличивается сопротивление хрупкому раз­рушению. Снижается температурный порог хрупкости Т₅₀. В за­каленных сталях со структурой мартенсита сопротивление хруп­кому разрушению увеличивается при уменьшении размеров кри­сталлов мартенсита. Размер зерна аустенита в сталях может быть от миллиметра до микронов. Его определяют различными спосо­бами, но в основном металлографическим анализом. ГОСТ 5639-82 регламентирует размеры зерен, которые характеризуются его но­мером: -3, -2, -1, 0, 1, 2... 14. Чем больше номер, тем мельче зерно. Например: средний диаметр зерна номера -3 составляет 1, 000 мм, номера 7 — 0, 031 мм, номера 14 — 0, 0027 мм. Круп­ными зернами считаются с номерами от -3 до 5, мелкими — с но­мерами от 6 до 14.

При скорости нагрева в промышленных термических печах на­чальное зерно аустенита имеет номера 8-10. При нагреве концентрированными потоками энергии (лазер, электронный луч, ТВЧ и др.) начальное зерно получается более мелким — вплоть до номера 14.

Аустенит устойчив только при температурах выше 727 °С (см. рисунок 9.3, точка А_r1). При охлаждении стали, нагретой до аустенитного состояния, ниже точки А_п начинается распад аустени­та. Как уже было сказано (см. диаграмму состояния железоугле­родистых сплавов), при медленном охлаждении эвтектоидной уг­леродистой стали (0, 81 % углерода) при температуре, соответству­ющей линии PSK происходит превращение аустенита в перлит. Кристаллическая решетка γ -железа перестраивается в α -железо, выделяется цементит. Изучение процесса превращения аустенита в перлит проводится при постоянной температуре (в изотермичес­ких условиях) и непрерывном охлаждении.

На рисунке 9.4 показана диаграмма изотермического превращения аустенита при постоянной температуре. По оси ординат указана температура, по оси абсцисс — время. Для удобства построения диаграммы время распада обычно дают по логарифмической шка­ле, так как оно может колебаться в широких пределах — от долей секунды до десятков минут и даже часов.

Для изучения изотермического превращения аустенита неболь­шие образцы стали нагревают до температур, соответствующих су­ществованию стабильного аустенита, т. е. выше критической точ­ки, а затем быстро охлаждают, например до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т. д., и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от 727 до 250 °С (тем­пературы начала мартенситного превращения М_н).

Рисунок 7.4 – Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0, 8 % углерода

На диаграмме видны две С-образные кривые. Кривая I указы­вает время начала превращения, кривая II — время конца превра­щения переохлажденного аустенита. Период времени до начала распада аустенита называют инкубационным. При 700 °С превра­щение аустенита начинается в точке а и заканчивается в точке b, в результате этого процесса образуется перлит (рисунок 7.5, а). При 650 °С распад аустенита происходит между точками а₁ и b₁. В этом случае образуется сорбит — тонкая (дисперсная) механическая смесь феррита и цементита (рисунок 7.5, б). Сталь, в которой доми­нирует структура сорбита, имеет твердость 30-40 HRC_э. Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью.

Устойчивость аустенита в значительной мере зависит от степе­ни переохлаждения. Наименьшую устойчивость аустенит имеет при температурах, близких к 550 °С. Для эвтектоидной стали время устойчивости аустенита при 550-560 °С — около 1 с. По мере удаления от температуры 550 °С устойчивость аустенита возраста­ет. Время устойчивости при 700 °С составляет 10 с, а при 300 °С — около 1 мин. При охлаждении стали до 550 °С (точки начала и конца распада — а₂ и b₂ соответственно, аустенит превращается в троостит — смесь феррита и цементита, которая отличается от перлита и сорбита высокой степенью дис­персности составляющих и обладает повышенной твердостью (40-45 HRC_э), прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью. Ниже температуры 550 °С в результате промежуточного превращения аустенита (в температурном интервале, рас­положенном ниже перлитного, но выше мартенситного превращения) образуется струк­тура бейнита, состоящая из смеси перена­сыщенного углеродом феррита и карбидов (це­ментита). Различают верхний бейнит пери­стого строения, появляющийся при 500-350 °С, и нижний (пластинчатого, игольчатого стро­ения), образующийся при 350-250 °С.

а — перлит; б — сорбит; в — троостит

Рисунок 7.5 – Микроструктура, полученная с помощью электронного микроскопа

(X 7500)

Верхний бейнит имеет пониженную прочность, невысокую пластичность и вязкость, твердость его 43-46 HRC_э. У нижнего бейнита показатели прочности, пластичности и вяз­кости более высокие, твердость 52-55 HRC_э. Превращения аустенита при температурах А_r 550 °С называют перлитными, при температурах 550 °С – М_н – промежуточными и при температурах М_н — М_к — мартенситными. Если на диаграмму изотермического рас­пада переохлажденного аустенита нанести кри­вые охлаждения, то можно проследить превра­щение аустенита при непрерывном охлаждении.

При медленном охлаждении аустенит пре­вратится в перлит. При большей скорости ох­лаждения переохлажденный аустенит полностью перейдет в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения образуется новая структу­ра — троостит. По мере ускорения охлаждения лучи будут стано­виться все круче, поэтому превращение аустенита в троостит не за­кончится. Кроме троостита в структуре стали появится мартенсит. При наибольших скоростях охлаждения образуется только мартен­сит (рисунок 7.6), т. е. пересыщенный твердый раствор углерода в α -железе. При образовании мартенсита происходит перестройка гранецентрированной решетки аустенита в объемно-центрированную ре­шетку α -железа. Избыточное количество углерода, находящегося в α -железе, искажает эту решетку и превращает ее в тетрагональную, в которой отношение параметров с/а не равно единице (рисунок 7.7), как у куба. Степень тетрагональности тем выше, чем больше углерода в стали. Скорость охлаждения, при которой из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. При закалке стали ее охлаждают со скоростью больше критической.

Мартенситное превращение протекает при непрерывном охлажде­нии аустенита ниже точки М_н. По достижении определенной темпе­ратуры (точка М_к) превращение аустенита в мартенсит заканчивает­ся. Температуры в точках М_н и М_к зависят от химического состава стали. Углерод и легирующие элементы (за исключением кобальта и алюминия) понижают эти температуры. Мартенсит обладает самой высокой твердостью наряду со значительной хрупкостью. Он имеет пластинчатое строение, но в плоскости микрошлифа пластинки при­обретают вид игл, поэтому мартенсит часто называют игольчатым.

Рисунок 7.6 – Микроструктура мартенсита

У многих сталей температура в точке М_к ниже комнат­ной, поэтому распад аустенита не заканчивается, если сталь ох­лаждается только до комнатной температуры. Аустенит, кото­рый сохраняется в структуре стали при комнатной температуре, наряду с мартенситом называют остаточным. Закаленные высо­колегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низкоуглеродистые его почти не имеют.

Мартенсит, получаемый при закалке стали, представляет со­бой неустойчивую структуру, стремящуюся к превращению в бо­лее равновесное состояние. Нагрев ускоряет этот переход, так как подвижность атомов при этом сильно возрастает.

Рисунок 7.7 – Элементарная ячейка кристалличекой решетки мартенсита

Отжиг

Отжигом называется процесс термической обработки, при ко­тором металл сначала нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре, а затем медленно охлаждают, чаще всего вместе с печью. В результате отжига в стали образуют­ся равновесные структурные составляющие (диаграмма состоя­ния железоуглеродистых сплавов, рисунок 9.3).

Для получения мелкозернистой структуры проводят полный отжиг. Отжигу подвергают изделия (чаще всего из конструкцион­ной стали), перегретые при обработке давлением или при терми­ческой обработке, а также с полосчатой структурой (поковки, про­кат, фасонное литье). При измельчении зерна снижается твердость стали, повышаются ее вязкость и пластичность, снимаются внутрен­ние напряжения, улучшается обрабатываемость резанием. Изделия из такой стали реже выходят из строя при эксплуатации. Мелкое зерно образуется при перекристаллизации стали, т. е. при получе­нии аустенита мелкозернистой структуры в процессе нагрева ста­ли. Скорость нагрева в среднем составляет 100 °С/ч, продолжи­тельность выдержки — от 0, 5 до 1 ч на 1 т нагреваемого металла. Из предыдущего известно, что в стали, нагретой выше критической температуры А_с3, мелкозернистый аустенит получается даже в том случае, если исходная структура крупнозернистая.

Отжиг осуществляют следующим образом. Изделие нагрева­ют до температуры А_с3 = 30 + 40 °С, с тем чтобы иметь однородный по составу аустенит. После определенной выдержки при указан­ной температуре изделие охлаждают вместе с печью до 200-500 °С. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры можно произ­водить на воздухе. Температурные интервалы различных видов отжига и нормализации представлены на рис. 8.8.

Рисунок 8.8 – Температурный интервал отжига и нормали­зации углеродистой стали

У стальных отливок процесс перекристаллизации протекает труднее, чем у кованой и катаной стали, поэтому выдержка сталь­ных отливок при температуре отжига должна быть более дли­тельной. Охлаждение их производится со скоростью 80-120 °С/ч, т. е. несколько медленнее, чем кованых и катаных изделий, которые можно охлаждать со скоростью 100-200 °С/ч. Если при таких усло­виях не удается получить мелкозернистую структуру, применяют двой­ной отжиг, причем первый отжиг выполняют при повышенной температуре (950 °С), а второй — при температуре А_с3 = 30 ÷ 40 ^СС. Особенно благоприятное влияние отжиг оказывает на ударную вязкость стали.

На рисунке 9.9 представлена микроструктура стали 35Л до и пос­ле отжига.

При неполном отжиге (рис 9.3, 9.8) сталь нагревают до темпе­ратуры выше точки А_с1 и ниже точки А_с3 или А_ст, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают вместе с пе­чью. В процессе отжига происходит в основном перекрис­таллизация перлита, избыточные фазы (феррит в доэвтектоид­ных и цементит в заэвтектоидных сталях) распадаются лишь частич­но. Неполный отжиг применяют преимущественно для заэвтекто­идных сталей. Для доэвтектоидных сталей его используют реже (для снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатывае­мости резанием).

а — до отжига; б — после отжига

Рисунок 8.9 – Микроструктура литой стали 35Л

Изотермический отжиг, основанный на способности переохлаж­денного аустенита претерпевать превращения при постоянной темпе­ратуре, дает возможность в три раза ускорить процесс получения мел­козернистой структуры. При таком отжиге изделия нагревают до тре­буемой температур (А_с3 = 20 ÷ 30 °С) и после некоторой выдержки ох­лаждают с печью до 680 - 700 °С либо переносят в другую печь (или соляную ванну) с той же темпе­ратурой. При температуре 680 - 700 °С изделия выдерживают столько времени, сколько необходимо для полного превращения аустенита в перлит. Время выдержки устанавливают по диаграмме изотермического пре­вращения аустенита. Обычно оно составляет от 2 до 5 ч. По окон­чании выдержки изделия вынимают из печи и охлаждают на воз­духе.

Изотермический отжиг позволяет снять напряжение, снизить твердость стали, обеспечивает однородность ее структуры, хоро­шую обрабатываемость резанием.

Стали (в основном инструментальные) подвергают отжигу для получения зернистого цементита (сфероидизация). За счет изменения формы цементита (создание зернистой формы вместо пластинчатой) удается уменьшить твердость стали и, следовательно, облегчить ее обработку на станках, повысить режущую способ­ность инструмента из этой стали, так как при зернистой форме цементит более равномерно распределяется в структуре закален­ной стали.

Сталь с зернистым цементитом менее склонна к перегреву, трещинам и короблению при закалке.

Отжиг для получения зернистого цементита: сталь нагревают до температуры А_с1 = 20 ÷ 40 °С (примерно 770 °С), выдерживают при этой температу­ре в течение 4 - 10 ч, а затем очень медленно (со скоростью не бо­лее 40 - 50 °С/ч) охлаждают вместе с печью до 600 - 650 °С. Даль­нейшее охлаждение стали до комнатной температуры можно про­изводить на воздухе.

При обработке стали давлением в холодном состоянии проис­ходит ее наклеп. В стали образуются значительные внутренние на­пряжения, она становится весьма прочной, твердой, но хрупкой. Структура наклепанной стали представляет собой вытянутые в одном направлении зерна, кристаллическая ре­шетка ее искажена. Для того чтобы исключить вредное состояние наклепа, необходимо изменить структуру стали, устранить искаже­ние кристаллической решетки и вместо вытянутых зерен получить равноосные зерна (примерно с одинаковыми осями вдоль и поперек зерна). Такой процесс восстановления структуры стали называет­ся рекристаллизацией, а вид термической обработки, при помощи ко­торой этот процесс осуществляется, — рекристаллизационным отжи­гом. Такого рода отжиг выполняют при температурах 450-700 °С. После непродолжительной выдержки при указанных температу­рах (для прогрева по всему сечению) изделие охлаждается на возду­хе. В результате уменьшаются твердость и прочность стали, но вместе с тем повышаются ее вязкость и пластичность.

Крупные слитки легированной стали, претерпевающие при зат­вердевании значительную ликвацию, подвергают отжигу для уст­ранения химической неоднородности. Ликвация — неоднородность стали по химическому составу — может быть зональной (в отдель­ных частях слитка) и внутрикристаллической, или дендритной (внут­ри отдельных кристаллов). Она неблагоприятно сказывается на свойствах стали, особенно ударной вязкости в поперечных сечениях. Зональную ликвацию практически устранить невозможно. Внутрикристаллическая ликвация может быть значительно ослаб­лена отжигом: нагрев до 1100-1200 °С, выдержка при этой температуре 10-15 ч и медленное охлаждение вместе с печью до 200 °С. Дальнейшее охлаждение производят на воздухе. На весь процесс затрачивается 80-100 ч.

При высокой температуре атомы серы, углерода и других эле­ментов медленно перемещаются от зон, где они содержатся в боль­шом количестве, к зонам, где их меньше, т.е. происхо­дит диффузии, в результате чего и выравнивается химичес­кий состав стали. Поэтому такой отжиг называют еще и диффузион­ным. В результате длительной выдержки при высокой температуре сталь приобретает крупнозернистое строение, что легко устраняет­ся в процессе дальнейшей ковки или прокатки слитка. Если хи­мическая неоднородность стали не очень значительна, она может быть устранена при горячей обработке слитка давлением без пред­варительного его отжига.

Диффузионный отжиг применяют в основном для стальных слитков, после диффузионного отжига они должны пройти повтор­ный отжиг для получения мелкозернистой структуры.