Теоретическое введение. В процессе изготовления, различные изделия подвергаются упрочняющей термической обработке

В процессе изготовления, различные изделия подвергаются упрочняющей термической обработке. Наиболее распространенным видом термической обработки углеродистых сталей является закалка с последующим отпуском.

Закалка стали - термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше температур фазовых превращений, выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью выше критической. Возможность изменения структуры и свойств сталей при термической обработке обусловлена наличием фазовых превращений в твердом состоянии. При охлаждении аустенита с различными скоростями достигается разная степень его переохлаждения. Вследствие этого возможно получение продуктов распада аустенита, отличающихся по строению и свойствам.

Рисунок 9.1 – Критические точки на диаграмме состояния Fe—Fe₃C в сплавах

Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критичес­кой точки А _с1 представляет собой смесь перлита и феррита (рисунок 9.1). 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 точки А_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.

Важной 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 0, 001 мм, номера 7 — 0, 031 мм, номера 14 — 0, 0027 мм. Круп­ные зерна: с номерами от -3 до 4; мелкие — с но­мерами от 5 до 8.

При скорости нагрева в 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 (рисунок 9.1, точка А_r1). При охлаждении стали, нагретой до аустенитного состояния, ниже точки А_п начинается распад аустенита. 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 9.1 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 выше, затем 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 9.2 – 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 9.3, 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 9.3, б). Сталь, в которой преобладает 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 9.3 – Микроструктура, полученная электронным микроскопом

(X 7500)

Верхний бейнит имеет пониженную прочность, невысокую пластичность, вязкость и твердость 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, при температурах М_н - 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. С увеличеним скорости 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 9.4), 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, 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 9.4 – 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.