Превращения в стали при охлаждении

Основы теории термической обработки стали

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств материала за счет изменения его структуры.

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современном производстве способов получения необходимых свойств металла. Она может быть как промежуточной для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., так и окончательной – для получения заданного уровня физико – механических свойств материала готовых деталей.

Любой вид термической обработки может быть представлен графиком в координатах температура t и время t (рис. 3.1).

Термическая обработка стали основана на превращениях, протекающих в ней при нагреве и охлаждении.

Превращения в стали при нагреве

При нагреве стали до температуры 727⁰С в ней ни каких превращений не происходит (рис. 3.2). При температуре 727⁰С перлит П, состоящий из смеси чередующихся пластинок феррита Ф и цементита Ц, превращается в аустенит А – твердый раствор углерода в Fе_g.

Рисунок 3.1. График термической обработки

Рис. 3.2. Нижний левый угол диаграмм железо - углерод

В чистом виде аустенитное превращение идет в стали эвтектоидного состава (С = 0,8%). Превращение развивается путем образования зародышей аустенита и их роста. Образование аустенита основано на двух элементарных процессах: полиморфного превращения Fе_a в Fе_g и растворения цементита в аустените (рис. 3.3).

а) б) в) г)

Рис. 3.3. Схема структурных изменений в эвтектоидной стали при нагреве:

а– перлитная структура; б – образование зародышей аустенита; в – неоднородный аустенит; г – однородный аустенит

Отпуск

Сталь после закалки имеет высокую прочность и твердость, но низкую вязкость. Для повышения вязкости закаленной стали, снижения остаточных напряжений, получения нужного комплекса механических свойств проводят ее отпуск.

Отпуском называется процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры не выше линии А₁ (727⁰С), выдержке и охлаждении (не важно с какой скоростью, но чаще на воздухе).

Применяют три вида отпуска (рис. 3.8).

При низком отпуске закаленную сталь нагревают до 150 – 250⁰С. Структура стали после низкого отпуска – мартенсит отпуска. Сталь с такой структурой имеет высокую твердость и износостойкость. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации, поверхностной закалки и т.д.

При среднем отпуске закаленную сталь нагревают до 350 – 450⁰С. Структура стали после среднего отпуска – троостит отпуска с зернистым строением цементита. Сталь с такой структурой обладает высокой упругостью и прочностью при достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.

Высокий отпуск проводят при 450 – 650⁰С. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Такая структура обеспечивает хорошее сочетание свойств – достаточную прочность, вязкость и пластичность. Применяют высокий отпуск для среднеуглеродистых конструкционных сталей, детали из которых подвергаются воздействию высоких напряжений и ударным нагрузкам.

Термическая обработка, состоящая из закалки с высоким отпуском, улучшая общий комплекс механических свойств, называется улучшением.

В качестве примера на рис. 3.9 и 3.10 приведена информация, иллюстрирующая влияние вида термической обработки на свойства и структуру углеродистой стали 40.

При закалке доэвтектоидные стали нагревают на 30 – 50⁰С выше линии А₃ (полная закалка), эвтектоидную и заэвтектоидные стали – на 30 – 50⁰С выше линии А₁ (неполная закалка) (рис.3.8) Указанные температуры нагрева стали при закалке являются оптимальными. Они обеспечивают получение структур с максимально высокой прочностью и твердостью.

Для обеспечения необходимой скорости охлаждения применяют различные охлаждающие среды: воду, минеральное масло и др.

При выборе сталей для деталей машин учитывают такие свойства, как закаливаемость и прокаливаемость.

Закаливаемость – способность стали принимать закалку т.е. приобретать при закалке детали высокую твердость. Закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (С £ 0,2%) практически не закаливаются, т. е. при закалке их твердость не повышается. С увеличением содержания углерода твердость закаленной стали повышается.

Прокаливаемость характеризуется глубиной проникновения закаленной зоны. За глубину принято считать расстояние от поверхности детали до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Несквозная прокаливаемость обусловлена тем, что при закалке деталь охлаждается быстрее с поверхности и медленнее в сердцевине: у поверхности скорость охлаждения максимальная, а в центре – минимальная. При сквозной прокаливаемости по сечению изделий механические свойства одинаковы, при несквозной – разные, в сердцевине наблюдается снижение прочности и твердости.

Углеродистые стали характеризуются невысокой прокаливаемостью. Для эвтектоидной стали (С = 0,8%) прокаливаемость (охлаждение в воде) составляет 10 – 12мм. Высокую пркаливаемость имеют легированные и высоколегированные стали.

Иногда после закалки стали в средах с комнатной температурой проводят обработку ее холодом. Это вызывается тем, что в закаленных при комнатной температуре сталях присутствует некоторое количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит, снижая твердость и износостойкость материала, может привести к изменению размеров у деталей при эксплуатации при низких температурах из – за самопроизвольного образования мартенсита из аустенита. При обработке холодом закаленную сталь охлаждают ниже 0⁰С до температур конца мартенситного превращения М_к (обычно не ниже -75⁰С) в специальных камерах. Обработку холодом проводят сразу после закалки во избежание стабилизации аустенита.

Рост аустенитного зерна в сторону Ф намного больше, чем в сторону Ц. Поэтому к моменту исчезновения Ф всегда остается не полностью растворенный Ц. Образовавшийся аустенит - неоднородный, так как в нем имеются цементитные включения. Необходимо дополнительное время (выдержка) для устранения неоднородности аустенита.

В доэвтектоидных сталях (С < 0,8%) выше температуры 727⁰С (линия А_С1 ) структура состоит из аустенита и феррита, в заэвтектоидных (С > 0,8%) – из аустенита и цементита (рис. 3.2). По мере нагрева до температур соответствующих линиям А₃ и А_Сm происходит постепенное растворение феррита или цементита в аустените. Начальные зерна аустенита всегда имеют малые размеры. При дальнейшем нагреве зерна аустенита растут, и при высоких температурах может произойти перегрев стали, признаком которого является образование крупнозернистой структуры. При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются (рис. 3.4).

Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размеров зерен существенно зависят механические свойства металла. Так, ударная вязкость мелкозернистой стали может в несколько раз превышать ударную вязкость крупнозернистой стали той же марки. Перегрев может быть исправлен повторным нагревом стали

Рис. 3. 4. Схема изменения размеров зерен перлита в зависимости от температуры нагрева аустенита

до более низкой температуры. При нагреве до еще более высоких температур, чем при перегреве, может возникнуть пережог стали.

Пережог характеризуется окислением и частичным оплавлением границ зерен. Металл становится очень хрупким. Исправить этот дефект невозможно, и металл подлежит переплавке.

При назначении режимов термической обработки следует учитывать также, что нагрев сопровождается взаимодействием поверхности металла с газовой средой. Это может привести к обезуглероживанию поверхностного слоя и образованию окалины. При этом прочность и твердость поверхности детали машины снижается, изменяются ее размеры, ухудшается поверхность.

Превращения в стали при охлаждении

В углеродистых сталях при охлаждении может происходить превращение аустенита в перлит и мартенсит. При очень медленном охлаждении (обычно вместе с печью) стали эвтектоидного состава при температуре 727⁰С аустенит превращается в перлит. Превращение аустенита в перлит сопровождается полиморфным превращением Fе_g в Fе_a и образованием смеси чередующихся пластинок феррита и цементита.

При образовании из аустенита перлита ведущей фазой является цементит (в зерне аустенита всегда имеются зоны обогащенные

Рис. 3.5. Влияние содержания углерода в стали на температуру начала М_н и конца М_к мартенситного превращения

Разновидностью отжига II рода является нормализация. При нормализации доэвтектоидные стали нагревают на 30 – 50⁰С выше линии А₃, а эвтектоидную и заэвтектоидные стали на 30 – 50⁰С выше линии А_сm (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Температуры нагрева стали при нормализации

Охлаждение металла после нагрева проводят на спокойном воздухе. В результате нормализации достигается тот же эффект, что и при полном и неполном отжиге. Однако из – за большой скорости охлаждения перлит имеет более тонкое строение (выше дисперсность пластинок феррита и цементита – структура сорбит). Поэтому сталь нормализованная имеет несколько более высокую твердость и прочность по сравнению с отожженной.

Нормализация, по сравнению с отжигом, более экономичная операция, так как не требуется охлаждения вместе с печью.

Закалка

Закалкой называется процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и охлаждении с большой скоростью с целью получения неравновесной структуры (мартенсита). В результате закалки повышается прочность и твердость, и понижается пластичность стали.

Закалка относится к окончательным видам термической обработки, и ее применяют обычно для готовых деталей машин.

Отжиг II рода применяют для сплавов, претерпевающих при нагреве и охлаждении фазовые превращения (сталь относится к таким сплавам).

В зависимости от температуры нагрева различают полный и неполный отжиг (рис. 3.7).

Полному отжигу подвергают доэвтектоидные стали (С < 0,8%С) с целью создания одинаковой мелкозернистой структуры металла во всей партии заготовок, максимального снижения прочности и твердости и повышения пластичности, снятия остаточных напряжений. Сталь нагревают до температуры на 30 – 50⁰С выше линии А₃. При этом неоднородная феррито – перлитная структура превращается в мелкую однородную структуру аустенита. При последующем медленном охлаждении из мелкозернистого аустенита образуется однородная мелкозернистая феррито – перлитная структура, имеющая повышенные пластические свойства.

Неполному отжигу подвергают эвтектоидную и заэвтектоидные стали (С ³ 0,8%С) с целью превращения пластинчатого перлита в зернистый. Сталь нагревают до температуры на 30 – 50⁰С выше линии критических точек А₁. При нагреве происходит превращение перлита в аустенит, а цементит остается, и образуется структура аустенит + цементит. При последующем медленном охлаждении из аустенита образуется феррито – цементитная структура с зернистой формой цементита – зернистый перлит. Исчезает сетка вторичного цементита. Сталь с зернистым цементитом лучше обрабатывается режущим инструментом. Такой отжиг называют также сфероидизацией.

Рис. 3.6. Температуры нагрева стали при отжиге: отжиг I рода (1 – диффузионный, 2 – рекристаллизационный, 3 – отжиг для

снятия остаточных напряжений); отжиг II рода(4 – полный, 5 – неполный)

углеродом, особенно вблизи границ зерен). Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и тем самым обедняет соседние участки углеродом. Поэтому рядом с пластинкой цементита – вдоль нее, появляется пластинка феррита. Структура перлит имеет твердость НВ – 17700-2300МПа.

При повышенных скоростях охлаждения (на воздухе, в масле) стали превращение аустенита в перлит сопровождается увеличением числа зародышей новых зерен. Поэтому количество феррито – цементитных пластинок увеличивается, а их размеры и расстояние между ними уменьшаются, т.е. растет дисперсность продуктов превращения (таб. 3.1).

При охлаждении стали на воздухе образуется структура сорбит с твердостью НВ2300 – 3300МПа, в масле – тростит с твердостью НВ3300 – 4000МПа.

Структуры сорбит, тростит получили название в честь ученых Сорби и Троста.

Перлит, сорбит и тростит являются структурами одной природы – механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности.

Превращение аустенита в перлит происходит не только при непрерывном охлаждении стали, но и в том случае, когда сталь переохлаждают до температур в интервале 727 - 500ºС и выдерживают при постоянной температуре.

Перлитное превращение является диффузионным (аустенит для стали эвтектоидного состава содержит 0,8%С, а образующиеся фазы – феррит – 0,02%С, цементит – 6,67%С).

Таблица 3.1

Степень дисперсности и твердость феррито – цементитных структур

Структура	Охлаждение с аустенитного состояния	Степень дисперсности, мкм	Твердость НВ, МПа
Перлит	С печью	0,60 – 1,00	1700-2300
Сорбит	На воздухе	0,25 – 0,30	2300-3300
Тростит	В масле	0,10 – 0,15	3300-4000

При очень больших скоростях охлаждения (в воде) стали скорости диффузии углерода резко падает (подвижность атомов близка к нулю). В этих условиях, при полиморфном превращении Fe_y в Fe_u, весь углерод, ранее растворенный в решетке аустенита (для эвтектоидной стали 0,8%).

Для эвтектоидной стали оно начинается при 230⁰С и заканчивается при -80⁰С. Чем больше в стали углерода, тем ниже температура точек М_н и М_к (рис. 3.5).

Охлаждение стали до температуры М_к не приводит к полному превращению аустенита в мартенсит. В структуре всегда будет оставаться некоторое количество непревращенного , так называемого остаточного аустенита (А_ост). Обьясняется это тем, что чем больше при превращении образуется мартенсита, тем оставшиеся объемы аустенита испытывают большие напряжения сжатия (удельный объем мартенсита больше, чем аустенита). Эти напряжения тормозят процесс дальнейшего превращения аустенита в мартенсит.

Наличие остаточного аустенита, например, в инструментальных углеродистых сталях, нежелательно, так как это приводит к снижению твердости инструмента.

Минимальное количество А_ост в стали получается при охлаждении ее до температуры М_к.