Термическая обработка – обработка сталей и сплавов, которая заключается в нагреве, выдержке и охлаждении.

Термическая обработка проводится с целью изменения структуры и свойств материалов. После термической обработки можно получить требуемый комплекс механических свойств. Термической обработке подвергаются как заготовки, образцы, так и готовые детали.

Любая термическая обработка включает в себя три стадии:

1. Нагрев до определенной температуры.

2. Выдержка.

3. Охлаждение с определенной скоростью.

Первая стадия нагрева зависит от состава сплава, от вида термической обработки, в сталях – от содержания углерода.

Стадия выдержки зависит от величины сечения и размеров детали, которая подвергается термической обработке.

Третья стадия охлаждения зависит от вида термической обработки, среды охлаждения и количественно оценивается скоростью охлаждения V_охл .

Режимы термической обработки можно представить графически в координатах температура – время.

В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие при нагреве и охлаждении сталей и сплавов. Превращения в сталях характеризуются критическими температурами, которые определяются по диаграмме состояния железо – углерод.

Критические температуры стали.

Каждая сталь независимо от содержания углерода имеет две критические температуры.

Нижняя критическая температура:

Определяется по линии PSK диаграммы Fe – C. Равна 727^оС.

Эта температура одинакова для до- и заэвтектоидных сталей и обозначается: А_с1.

Верхняя критическая температура:

Для доэвтектоидных сталей определяется по линии GS диаграммы Fe – C.

Обозначается А_с3.

Для заэвтектоидных сталей определяется по линии SE диаграммы Fe – C.

Обозначается А_сm.

Эти температуры будут необходимы для определения всех видов термической обработки, так как определяют стадию нагрева.

Прежде чем рассматривать основные виды термической обработки, необходимо изучить превращения в структуре стали в процессе нагрева и охлаждения.

ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ.

При нагреве стали выше критических температур с образованием аустенита исходной структурой является механическая смесь феррита и цементита - перлит. Превращение можно проследить на примере эвтектоидной стали с содержанием углерода 0,8%.

Превращение перлита в аустенит происходит в соответствии с общими закономерностями фазового превращения в твердом состоянии. Во-первых, движущей силой превращения является стремление системы достичь минимума свободой энергии (рис.9.1).

Рис. 9.1. Изменение свободной энергии аустенита и перлита.

Зародыши новой фазы - аустенита - образуются на межфазных поверхностях раздела феррита и цементита. Переход перлита в аустенит состоит из двух элементарных процессов: полиморфного превращения Fe_α → Fe_γ и растворения в γ-железе углерода. Скорость образования аустенита зависит от разности свободных энергий аустенита и перлита и скорости диффузии атомов углерода, необходимых для образования аустенита.

а)	б)	в)	г)

Рис. 10.2. Схема превращений эвтектоидной стали при нагреве:

а )- исходная перлитная структура; б )- перлит с зародышами аустенита;

в )- аустенит с остатками цементита и растворение цементита;

г )- однородный аустенит

Важной структурной характеристикой нагретой стали является величина зерна аустенита. От размера зерна аустенита зависят механические свойства изделия. Особенно чувствительна к размеру аустенитного зерна ударная вязкость, которая заметно падает с укрупнением зерна.

С увеличением температуры нагрева зерно аустенита склонно к росту, поэтому при выборе режимов термической обработки важно правильно определить оптимальную температуру нагрева.

ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

Аустенит является устойчивым только при температурах выше А_с1. При охлаждении стали ниже критических температур аустенит становится неустойчивым и начинается превращение аустенита в перлит (перлитное превращение). Рассмотрим это превращение на примере эвтектоидной стали.

Чем ниже температура превращения, тем больше степень переохлаждения аустенита и тем быстрее будет происходить превращение аустенита в перлит.

С другой стороны такое превращение носит диффузионный характер и связано с перераспределением углерода, причем чем ниже температура, тем медленнее идет процесс диффузии. Такое противоположное действие обоих факторов (переохлаждения аустенита и диффузии углерода) приводит к тому, что с понижением температуры скорость превращения возрастает, достигает максимума, а затем скорость превращения убывает.

Перлит растет из отдельных центров в виде пластин (рис.9.3). Зародышем перлитных пластин обычно является цементит (рис.9.3, а), зарождение которого облегчено на границе аустенитных зерен. При утолщении цементитной пластины вблизи нее аустенит обедняется углеродом и создаются условия для зарождения путем полиморфного γ → α превращения ферритных пластин, примыкающих к цементитной пластине (рис.9.3,б).

При утолщении же ферритной пластины (малое содержание углерода) он оттесняется в аустенит, в результате чего создаются благоприятные условия для появления новых цементитных пластин. Кроме бокового (рис..9.3,а, б, в) при превращении А → П имеет место и торцевой рост пластин феррита и цементита (рис.9.3,г, д).

а	б	в
г	д

Рис. 9.3. Схема зарождения и роста перлитных колоний.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита образуются разные структуры феррито-цементитной смеси. Рассмотрим структуры, образующиеся при диффузионном превращении аустенита.

При температуре 650-700 °С образуется собственно перлит. При перлитном превращении ведущей фазой является цементит. В результате образования пластинок цементита соседние участки аустенита обедняются углеродом, что в свою очередь приводит к образованию пластинок феррита.

При увеличении переохлаждения увеличивается количество зародышей новой фазы. Естественно, что с ростом числа чередующихся пластин феррита и цементита уменьшаются их размеры и расстояния между ними (рис.9.4). Другими словами, с понижением температуры растет дисперсность (степень измельчения) продуктов распада аустенита. Под степенью дисперсности понимают расстояние между соседними пластинками феррита и цементита. При температуре 600-650 °С образуется структура сорбит, а при 550-600 °С - тростит.

Рис. 9.4. Схемы феррито-цементитных структур:

а - перлит; б - сорбит; в - тростит

Перлит, сорбит, тростит являются структурами одной природы - механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности. С увеличением степени дисперсности пластин цементита растет твердость и прочность стали. Перлит, сорбит и тростит называют перлитными структурами.

Перлитное превращение с образованием структур перлита, сорбита и троостита носит диффузионный характер и происходит в сталях при невысоких скоростях охлаждения.

Если скорость охлаждения велика, то диффузионное перераспределение углерода невозможно и процесс превращения аустенита носит бездиффузионный характер. При этом меняется только тип решетки γ на α, а весь углерод, содержащийся в аустените, остается в решетке феррита, несмотря на то, что в феррите при комнатной температуре может содержаться только 0,006% С. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в α – железе. Такая структура называется мартенсит.