5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ
5.1. Общие положения Термическая обработка – совокупность операций теплового воздействия на материалы (главным образом металлы и сплавы) с целью изменения их структуры и свойств в нужном направлении. Заключается в нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью (рис. 63). Термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства и ремонта деталей машин. Она применяется как промежуточная операция для улучшения технологических свойств металлов (обрабатываемости давлением, резанием и др) и как окончательная – для придания им комплекса механических, физических и химических свойств, обеспечивающих необходимые характеристики изделий. Тепловое воздействие при термической обработке может сочетаться с деформационным (термомеханическая обработка, химическим (химико- термическая обработка, магнитным (термомагнитная обработка. Разновидностями термообработки являются обработка холодом и электротермическая обработка. К основным видам термической обработки относятся отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение, патентирование. Отжиг – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении. Отжиг способствует снятию напряжений, повышению пластичности, улучшению обрабатываемости и т. д. Отжиг в контролируемой атмосфере проводится для изменения состава материала. Нормализация (франц. normalization упорядочение, от normal правильный) стали – термическая обработка, заключающаяся в ее нагреве до температур аустенитного состояния, выдержке и последующем охлаждении на воздухе. Целью нормализации является придание стали однородной мелкозернистой структуры для повышения ее механических свойств (пластичности и ударной вязкости. Закалка – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали и последующем ускоренном охлаждении с целью подавления нежелательных процессов, происходящих в ней при медленном охлаждении.
Т,
о
С
с
выдержка
на
гр
ев
охл
аж
ден
ие
Рис. 63. Операции термической обработки
105 После закалки структура стали находится в неравновесном состоянии, несвойственном ей при нормальной температуре. Отпуск закаленной стали – термическая обработка, осуществляемая после ее закалки. При отпуске сталь нагревается до температуры ниже нижней критической точки, выдерживается и охлаждается, как правило, на воздухе, вводе или в масле. Цель отпуска – достижение наиболее рационального сочетания в обрабатываемых сплавах прочности, пластичности и ударной вязкости. Старение – изменение механических, физических и химических свойств металлов и сплавов, протекающее либо самопроизвольно, в процессе длительной выдержки при комнатной температуре (естественное старение, либо при нагреве искусственное старение. Старение приводит к увеличению прочности и твердости при одновременном уменьшении пластичности и ударной вязкости. Патентирование (от англ. patenting) – термическая обработка стальной проволоки с целью увеличения ее обжатия при волочении и повышения прочности. Патентирование заключается в нагреве до 870…950 С, быстром охлаждении (обычно в солевом или свинцовом расплаве) до температуры 450…550 С, выдержке и последующем охлаждении на воздухе или вводе. Для установления режимов термической обработки необходимо знать температуры, при которых встали происходят превращения. Такие температуры называются критическими и обозначаются буквой Ас индексами (например, А, А 2 А 3 и др. Если рассматривается процесс нагревания, ток индексу добавляется буква с, если охлаждение – буква «r». Семейство критических точек, соответствующих линии SE диаграммы Fe–Fe 3 C и при нагреве и при охлаждении обозначается индексом ст (рис. 64). Основными температурными воздействиями, оказывающими влияние на структуру и свойства сталей, являются – нагрев до аустенитного состояния, вызывающий фазовую перекристаллизацию охлаждение с различными степенями переохлаждения, при котором происходит превращение аустенита АустенитТ,оСGC,%AP0,020,82,14ESAc1Ac3Ar3Ar1Ac1Ac т т Рис. 64. Обозначение критических точек диаграммы Fe-Fe 3 C
106
– нагрев закаленных сталей до определенных температур, изменяющих их структуру и свойства.
5
.2. Превращения встали при нагреве В соответствии с диаграммой Fe-Fe
3
C при нагреве эвтектоидной стали перлит превращается в аустенит при температуре 727 С (критическая точка Ас. Однако в реальных условиях такое превращение при отмеченной температуре происходить не может, так как в данном случае имеет место равенство свободных энергий Е перлита и аустенита, те. температура А
с1
является равновесной (рис. 65). Следовательно, для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше 727 С, а для превращения аустенита впер- лит – немного ниже. Другими словами должны иметь место перенагрев в первом случае) и переохлаждение – во втором. От этих параметров во многом зависит величина зерна, а соответственно и свойства продуктов превращений. Превращение перлита в аустенит при нагреве эвтектоидной стали происходит следующим образом. В исходном состоянии сталь состоит из смеси фаз феррита и цементита (риса. При нагреве до температуры чуть выше критической точки А
с1
по границам ферритной и цементитной фаз начинается превращение Fe
Fe
. В связи стем, что объемы решеток Fe больше, чему в них диффундирует углерод цементита и образуются зерна аустенита (рис. 66 б, в, г. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, чем растворение цементита. Поэтому образовавшийся аустенит имеет неоднородность по углероду, которая устраняется при дальнейшем повышении температуры или дополнительной выдержке.
а
б
в
г
Рис. 66. Схема образования аустенита эвтектоидной стали
перлит
аустенит
727
Е
Т,
о
С
0
Рис. 65. Изменение свободных энергий аустенита и перлита
107 На скорость превращения перлита в аустенит влияют температура превращения, скорость нагрева, форма цементита (пластинчатая или зернистая, химический состав стали и др. Поскольку в каждой перлитной области образуется несколько центров кристаллизации аустенита, превращение сопровождается измельчением зерна, что широко используется в практике термической обработки стали. В доэвтектоидных сталях при нагреве от А с1 до А с3 происходит превращение избыточного феррита в аустенита в заэвтектоидных (при нагреве от А с1 до А ст ) – растворение избыточного цементита в аустените. При повышении температуры нагрева в однофазной аустенитной области или длительной выдержке происходит рост зерна. По склонности к росту зерна стали подразделяются на наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые. К наследственно мелкозернистым относятся стали, раскисленные в процессе производства алюминием, который образует устойчивые мелкодисперсные частицы AlN. Последние располагаются по границам зерен, препятствуя их росту. В заэвтектоидных сталях росту зерна могут препятствовать нерас- творившиеся карбидные частицы, ау доэвтектоидных – участки феррита в интервале температур А с1 - А с3 . Карбидообразующие элементы также замедляют рост зерна аустенита. Наибольший эффект наблюдается при наличии труднорастворимых карбидов титана, вольфрама, молибдена, циркония, ниобия и др. Стали, раскисленные в процессе выплавки кремнием и марганцем, являются наследственно крупнозернистыми. С повышением температуры у них происходит непрерывный рост зерна. Величина действительного зерна практически не оказывает влияния на твердость и свойства, определяемые при испытаниях на статическое растяжение. Рост зерна резко снижает ударную вязкость и повышает порог хладноломкости. Крупнозернистые стали более склонны к закалочным трещинам, деформации, короблению. Стали, имеющие крупнозернистую структуру по причине нагрева до высоких температур, называются перегретыми и исправляются повторной аустенизацией с нагревом до более низких температур. 5.3. Превращения встали при охлаждении 5.3.1. Перлитное превращение аустенита В пункте 3.1.4. рассматривались фазовые превращения встали при медленном охлаждении из аустенитного состояния. Повышая скорость охлаждения, те. увеличивая степень переохлаждения, можно изменить 108 механизм и кинетику превращения аустенита и соответственно структуру и свойства продуктов распада. Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяются на перлитное, промежуточное и мартенситное. Кинетику распада удобнее всего рассматривать при изотермических условиях по диаграммам изотермического распада аустенита (рис. 67). Диаграммы строятся на основе экспериментальных данных в координатах температура – время (по логарифмической шкале. Образцы, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносятся в ванны, имеющие температуры ниже равновесной и выдерживаются до полного превращения. При этом фиксируются изменения какого-нибудь свойства например, аустенит парамагнитен, а продукты распада аустенита фер- ромагнитны), тем самым, определяя время начала и конца превращений. Соединяя точки, соответствующие началу (а, а 2 …а n ) и концу (в, в 2 …в n ) превращений получают две С-образные кривые, разделяющие диаграмму натри области – область, находящаяся левее С-образных кривых, соответствует переохлажденному аустениту – область, расположенная между кривыми – область, в которой происходят превращения – область, лежащая правее С-образных кривых, соответствует продуктам распада аустенита. ПерлитТ,оСМнВремя lnAМк-50550727а1НВl, мкмМ+Aоcт (Ar1)а2а3в1в2в3СорбитТрооститБейнит0,6...1,00,25...0,300,1...0,15150200250400600Рис. 67. Схема диаграммы изотермического распада аустенита эвтектоидной стали Горизонтальными линиями отмечаются области, соответствующие устойчивому аустениту и образования мартенсита. Линия Мн соответствует температуре начала образования мартенсита, а М к – конца образования Превращение аустенита при температурах в интервале АС называется перлитным, а в интервале 550 С…М н – промежуточным. При перлитном превращении в результате распада аустенита образуются пластинчатые структуры перлитного типа, строение которых зависит от температур превращения. Если превращение происходит при температурах чуть ниже А r1 (при малых степенях переохлаждения, образуется сравнительно грубая смесь пластинок феррита и цементита с межпластиночным расстоянием l = 0,6…1 мкм. Такая смесь называется собственно пластинчатым перлитом. При увеличении степени переохлаждения, когда превращение совершается при 640…590 С, возникает феррито-перлитная смесь с межпластинчатым расстоянием 0,25…0,3 мкм. Такая структура называется сорбитом от имени англ. ученого Г.К. Сорби (НС. Sorby)]. При степени переохлаждении 150…180 С межпластинчатое расстояние уменьшается до 0,1…0,15 мкм. Такая структура называется трооститом от имени франц. ученого Л.Ж. Труста (L.-J. Troost)]. При увеличении дисперсности феррито-цементитной смеси повышаются прочность и твердость стали, но уменьшается вязкость. Наилучшую пластичность и вязкость имеет структура сорбита. 5.3.2. Мартенситное превращение Область образования мартенсита на диаграмме изотермического распада аустенита показана условно, так как не только в эвтектоидной, но ив подавляющем большинстве сталей мартенситного превращения в изотермических условиях не происходит. Оно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур М н …М к . В случае любой изотермической выдержки в этом интервале температур превращение реализуется не до конца, что приводит к наличию в структуре остаточного аустенита, те. происходит его стабилизация. Характерной особенностью мартенситного превращения является его бездиффузионный характер. При большой степени переохлаждения углерод не успевает диффундировать из решетки аустенита и образовать частицы цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Однако полиморфное превращение Fe Fe протекает, и углерод остается в решетке -железа в большом количестве. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Такое перенасыщение вызывает изменение объемноцентрированной кубической решетки в тетрагональную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллепипед (рис. 68). Атомы углерода в такой ячейке располагаются или в междоузлиях, или в середине удлиненных ребер, или в центре основания.
110 Интервал температур образования мартенсита зависит от химического состава аустенита. С повышением в нем содержания углерода линии Мни М
к понижаются. При содержании углерода более 0,6 % мартенситное превращение заканчивается при температурах ниже 0 С. Поэтому, для того чтобы в вы- сокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их необходимо охлаждать домину- совых температур. Существенное влияние на линии Мни М
к оказывают легирующие элементы.
Аустенитно-мартенситное превращение сопровождается увеличением объема, что вызывает значительные напряжения по границам мартенсита и остаточного аустенита. Мартенсит из аустенита образуется в виде пластин, обнаружить которые в плоскости исследуемого шлифа затруднительно. Поэтому обычно в зависимости от угла сечения пластин плоскостью шлифа они под микроскопом наблюдаются в виде игл различной толщины (рис. 69). Пластинки мартенсита образуются со скоростью 5000 мс в пределах аустенитных зерен не переходя их границы. Поэтому размеры игл зависят от размеров зерен аустенита. Чем мельче зерна аустенита, тем мельче иглы мартенсита и наоборот. В связи с этим различают мартенсит мелко- игольчатый и крупноигольчатый. В случаях наличия очень мелких игл неразличимых под микроскопом при обычно применяемых увеличениях
– 500…600), мартенсит называют бесструктурным. Такая структура характерна для правильно закаленной стали. Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо охлаждать очень быстро и непрерывно, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных структур. При непрерывном охлаждении время устойчивости аустенита в 1,5 раза больше, чем при изотермическом превращении. Следовательно, наложение кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита дает лишь качественную характеристику превращений при непрерывном охлаждении. Поэтому для получения объективной картины превращений аустенита при непрерывном охлаждении необходимо пользоваться термокинетическими диаграммами (рис. 70), которые строятся в тех же координатах, что и диаграммы изотермических превращений. Рис. 69. Микроструктура мартенсита Рис. 68. Кристаллическая ячейка мартенсита
– атомы железа – атом углерода
111 При определенных скоростях охлаждения (например V 3 ) начавшееся превращение аустенита в троостит приостанавливается и при дальнейшем охлаждении не- распавшийся аустенит ниже линии н превращается в мартенсит. Экспериментально построенные термокинетические диаграммы дают возможность определить критическую скорость закалки КР, при которой аустенит превращается только в мартенсит. Термо- кинетические диаграммы имеют важнейшее значение для технологии термической обработки, так как дают возможность прогнозировать виды фазовых превращений и возможные структуры сталей в зависимости от скорости ее охлаждения, что непосредственно связано с физико-механическими и эксплуатационными свойствами обрабатываемых изделий. 5.3.3. Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита В интервале температур (промежуточном между перлитными мартенситным превращениями) от изгиба С-кривой (550 С) до критической точки М н (см. рис. 67) аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом от имени амер. металлурга Э. Бейна (E. Bein; 1891 –1974)], представляющих двухфазную смесь кристаллов пересыщенного углеродом феррита и цементита. На начальном этапе превращения углерод перераспределяется в переохлажденном аустените с образованием обогащенных и обедненных участков. Участки обедненного углеродом аустенита претерпевают мартенситное - превращение, а из участков, обогащенных углеродом, выделяется цементит. При этом аустенит обедняется углеродом, и происходит мартенситное бездиффузионное превращение. Стечением времени при постоянной температуре изотермической выдержки образовавшийся мартенсит диффузионным путем превращается в феррит- но-цементитную смесь. Ферритная фаза является пересыщенным твердым раствором Fe (C). Обогащенный углеродом аустенит, обладая высокой устойчивостью, часто не претерпевает превращения и сохраняется как остаточный аусте- Рис. 70. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита штриховые линии) и термокинетическая диаграмма (сплошные линии) эвтекто- идной сталинит. Следовательно, в результате промежуточного превращения структура стали в самом общем случае состоит из феррита, пересыщенного углеродом частиц цементита и остаточного аустенита. Вся эта смесь имеет очень высокую дисперсность, которую при обычных увеличениях микроскопа различить невозможно. В зависимости от температуры изотермической выдержки, при которой образовался бейнит, различаются два его вида верхний и нижний. Бейнит, образовавшийся при температуре 400…550 С (немного ниже изгиба С-кривой) называется верхним. Он имеет перистое строение, пониженную прочность (из-за сохранения нераспавшегося аустенита, низкие пластичность и вязкость. Твердость верхнего бейнита составляет примерно 450 НВ. Если бейнит образовался при температуре чуть выше на 50…100 С) температуры мартенситного превращения, то он относится к нижнему имеет игольчатое строение, очень похожее настроение мартенсита обладает значительной твердостью (550 НВ), имеет достаточно высокие вязкость и пластичность. |
Скачать 3.25 Mb.