Изменение структуры и свойств металлов вызванное термической обработкой

Большинство применяемых в производстве металлов подвергаются термической обработке.

Сущность термической обработки заключается в тепловых операциях — нагреве до определенной температуры, выдержке и последующем охлаждении металла (сплава), осуществляемых для изменения его структуры и создания в нем необходимых физических, механических и других свойств.

В процессе термической обработки в металле происходят превращения, в результате которых повышаются прочностные свойства, износостойкость металла, придается ему требуемая высокая или низкая твердость и хорошая обрабатываемость инструментом на металлорежущих станках.

Основными видами термической обработки стали, чугуна и цветных сплавов являются отжиг, нормализация , отпуск и закалка.

В развитии термической обработки большую роль сыграли работы Д. К. Чернова, положившие начало изучению превращений, происходящих в металле при переходе температуры через критические точки, и выяснению влияния структуры на прочностные свойства стали.

Ученый обнаружил критические точки (точки Чернова), которые обозначил символами а, в, с, Д. К. Чернов следующим образом охарактеризовал значение аи: «Сталь как бы тверда ни была, будучи нагрета ниже точки а не принимает закалки, как быстро ее ни охлаждали; напротив того, она становится значительно мягче и легче обрабатывается пилою. Как только температура стали возвысилась до точки в, масса стали быстро переходит из зернистой (или вообще говоря кристаллической ) в аморфное воскообразное состояние»

По современной терминологии точка а Чернова заключает в себе весь промежуток (на диаграмме железо-углерод ) от точки А_с, до точки Ас.

Точка в — температура рекристаллизации аустенита, обусловленная внутренним наклепом. Точка с характеризует окончание плавления стали.

Превращения в стали при нагреве (образование аустенита).

Нагрев стали при термической обработке в большинстве случаев применяют для получения структуры аустенита.

Как известно, структура доэвтектоидной стали с содержанием углерода менее 0,8% при нагреве до температуры A_Cl состоит из зерен перлита и феррита. В точке A_C1 начинается фазовая перекристаллизация перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от температур A_C1 до А_Сз избыточный феррит растворяется в аустените и при достижении температуры Ас_п(соответствует линии GSE на диаграмме состояния железо-углерод) превращения заканчиваются. Выше точки А_Сз структура стали состоит только из аустенита.

Таким же образом происходят превращения при нагреве заэвтектойдной стали, но с той лишь разницей, что выше температуры A_C1 в аустените начинает растворяться избыточный цементит. Выше точки А_ст структура состоит только из аустенита.

По окончании превращений, после того как весь перлит перейдет в аустенит, структура стали имеет большое количество мелких аустенитных зерен. На скорость процесса образования аустенита и выравнивание его концентрации влияет ряд факторов. С повышением температуры эти процессы ускоряются. Легирующие элементы в стали-хром, вольфрам, молибден и др.- замедляют процесс образования аустенита.

Аустенит неоднороден по химическому составу, В тех местах, где были пластинки цементита, аустенит богаче углеродом, а где пластинки феррита — беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава зерен аустенита сталь нагревают немного выше верхней критической точки А_Сз и выдерживают некоторое время при этой температуре. При дальнейшем повышении температуры мелкие зерна аустенита начинают соединяться между собой, и чем выше температура нагрева, тем интенсивнее увеличиваются размеры зерен. В стали различают три вида зерен: начальные, действительные и природные.

Под начальным зерном аустенита подразумевают размер зерна в момент окончания превращения перлита в аустенит.

Действительное зерно аустенита — это зерно, полученное в данных конкретных условиях нагрева. Величина такого зерна зависит от метода выплавки стали и вида последнего нагрева под закалку или отжиг. Величину действительного зерна можно регулировать режимами термической обработки.

Природное (наследственное) зерно характеризуется способностью к росту зерна аустенита. В сталях даже одинакового химического состава зерно аустенита может расти с различной скоростью. Это зависит от свойств стали данной плавки. В связи с этим стали делятся на мелкозернистые и крупнозернистые. У мелкозернистых сталей мелкое зерно сохраняется при температуре 950-1000°С, а у крупнозернистых сталей зерно начинает быстро расти даже при нагреве немного выше 800°С.

Превращения в стали при охлаждении (распад   аустенита).

Аустенит является устойчивым только при температуре выше 723°С (точка А_Г1 ). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния, ниже точки А_r1,  аустенит становится неустойчивым — начинается его превращение.

Если эвтектоидную углеродистую сталь с содержанием углерода 0,8% начать медленно охлаждать, то при температуре, соответствующей линии PSK, аустенит превратится в перлит, т. е. в механическую смесь феррита и цементита. Этот процесс также подчиняется законам кристаллизации.

Изучение процесса превращения аустенита в перлит экспериментально проводится не при непрерывном охлаждении, а при постоянной температуре, т. е. в изотермических условиях. Делается это следующим образом: образцы исследуемой стали нагревают до температуры выше А_С3 и после выдержки, необходимой для полного нагрева, быстро переносят в ванну, температура которой ниже A_Cl . Таким образом, превращение аустенита в перлит происходит во время нахождения стального образца в этой ванне.

При медленном охлаждении произойдет превращение аустенита в перлит.

При большой скорости охлаждения переохлажденный аустенит полностью превратится в сорбит.

Наконец, при наибольших скоростях охлаждения, в стали получается только мартенсит. Такое охлаждение вызывает закалку.

Наименьшую из скоростей охлаждения, при которой в закаливаемой стали из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Величина имеет важное практическое значение в процессе термической обработки. Чтобы закалить сталь, ее необходимо охлаждать со скоростью, не меньшей, чем критическая.

Продуктами распада аустенита, являются мартенсит, троостит и сорбит.

Мартенсит — в закаленной стали представляет собой твердый раствор углерода в решетке α-железо, т. е. в объемно-центрированной тетрагональной кристаллической решетке. Углерод находится в центре грани. Микроструктура мартенсита характеризуется игольчатостью и высокой твердостью (HRC 64-65), высоким пределом прочности, большой хрупкостью и магнитными свойствами. Мартенсит в закаленной стали является неустойчивой структурой (метастабильной), поэтому при отпуске из него выделяется углерод и образуются зерна цементита. Это приводит к получению структуры троостита или сорбита отпуска.

Троостит — представляет собой смесь цементита и феррита. Он менее хрупок и тверд, чем мартенсит (его твердость HRC 40-45). Троостит отпуска является весьма ценной структурой для деталей, работающих при переменной нагрузке, как например пружин, рессор и т. д.

Сорбит -это смесь, состоящая из феррита и мелких зерен цементита. Сорбит отпуска имеет твердость HRC 30-40. Он отличается высоким пределом упругости при достаточной ударной вязкости. Поэтому сорбитообразную структуру используют для деталей, подвергаемых переменным нагрузкам.