Превращение при отжиге

Цель любого процесса термической обработки состоит в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующим охлаж­дением вызвать требуемое изменение строения металла и получить заданные свойства. Если охлаждение ведется медленно, то превра­щение аустенита в смесь перлита и феррита пройдет достаточно полно вследствие развития диффузионных процессов, и фазовый сос­тав будет соответствовать равновесному состоянию. Например, струк­тура, состоящая из крупных зерен феррита и перлита, какая часто бывает после литья и ковки, в результате термической обработки будет состоять из мелких зерен феррита и перлита (альбом, рис. 1). Основой для изучения термической обра­ботки стали является диаграмма железо-углерод (рис. 1).

Общепринятые обозначения критических точек:

Ас₁ – соответствует линии РSК,

Ас₃ – соответствует линии GS,

Ас_m – соответствует линии ES.

Отжиг является термической обработкой, цель которой получить структуру металла в равновесном состоянии и заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении с печью со ско­ростью 20-30°С/ч.

Вследствие медленного охлаждения сталь приобретает структу­ру, близкую к равновесию. Следовательно, после отжига углеродис­той стали получаются структуры, указанные на диаграмме железо-углерод (альбом, рис. 1):

доэвтектоидная сталь – феррит + перлит,

эвтектоидная сталь – перлит,

заэвтектоидная сталь – перлит + цементит.

Различают отжиг 1-го и 2-го рода.

Отжиг 1-го рода. Отжиг 1-го рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, возникшие при предыдущей обработке, причем, его проведение не обусловлено фазовыми превращениями.

В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают следующие разновидности отжига 1-го рода:

- гомогенизационный отжиг;

- рекристаллизационный и дорекристаллизационный отжиги;

- отжиг, уменьшающий напряжения.

Основные параметры отжига 1-го рода: температура нагрева и время выдержки. Скорости нагревания и охлаждения имеют подчиненное значение.

Рисунок 1 - Левая часть диаграммы железо-углерод. Указана температура нагрева при разных видах термической обработки

Гомогенизирущий (диффузионный) отжиг заключается в нагреве стали до 1100-1200°С (0,90-0,95)Т_пл, но ниже точки солидуса, длительной выдержке при указан­ной температуре (8-12 ч) и последующем медленном охлаждении. Применяется для устранения дендритной и зональной неоднородностей по хими­ческому составу (ликвации) в литых заготовках. Применяется для устранения дендритной и зональной неоднородностей по хими­ческому составу (ликвации) в литых заготовках.

При длительной выдержке в области высоких температур наблю­дается интенсивный рост зерна, приводящий к снижению механичес­ких свойств. Для исправления структуры и улучшения свойств тре­буется дополнительная термическая обработка (обычно нормализа­ция или полный отжиг).

Гомогенизационному отжигу подвергаютлегированные стали; углеродистые стали такому виду отжига обычно не подвергают, так как в них при нагреве под горячую обработку давлением, из-за быстрой диффузии углерода в аустените, дендритная ликвация успевает исчезнуть.

Рекристаллизационный отжиг применяется для снятия наклепа и восстановления пластичности металла после холодной деформации, главным процессом которого является рекристаллизация. Дорекристаллизационный отжиг – это термическая обработка деформированного металла или сплава, при которой главным процессом является возврат. При рекристаллизационном отжиге изделия нагревают до температуры выше t_рек.; при дорекристаллизационном отжиге – выше t_возвр..

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в металлах при данных видах отжига.

Как уже отмечалось ранее, холодная пластическая деформация вызывает в металлах и сплавах образование текстуры деформации и наклеп, связанный с резким увеличением дефектов кристаллического строения.Это приводит металл в состояние с повышенной свободной энергией. В связи с этим, состояние деформированного металла термодинамически не устойчиво. При нагреве наклепанного металла в нем протекают процессы возврата и рекристаллизации, изменяющие его свойства обратно тому, как они изменялись при холодной пластической деформации: показатели сопротивления деформированию (пределы прочности и текучести, твердость) уменьшаются, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) возрастают.

Процессы возврата (отдых и полигонизация) протекают при нагреве до сравнительно низких температур (ниже 0,2-0,3 Т_пл). На первой стадии возврата – отдыхе, происходит уменьшение концентрации точечных дефектов (вакансий и межузельных атомов) и перераспределение дислокаций без образования новых субзерен. На второй стадии возврата – полигонизации, происходит дробление (фрагментация) деформированных кристаллов на субзерна (полигоны) с границами, представляющими собой дислокационные стенки (рис. 1).

в)

Рисунок 1 – Схема формирования (а, б) и общий вид (в) дробления деформированных кристаллов на полигоны

При прохождении процессов возврата еще не наблюдается заметных изменений структуры металла, видимой в световом микроскопе, по сравнению с деформированным состоянием. При этом механические свойства (НВ, σ_в, δ) остаются без изменений или изменяются незначительно (рис. 2).

Однако, начиная с определенной температуры (t^н_рек)при нагреве холоднодеформированного металла в его структуре наблюдается образо­вание новых равноосных, мелких зерен (рис. 2). Процесс образования и роста новых округлых равноосных зерен вместо волокнистой структуры называют первичной рекристаллизацией. Сле­дует отметить, что новые равноосные зерна отличаются от старых более совершенным внутренним стро­ением и резко пониженной плотностью дислокаций. Образование таких зерен приводит к снижению твердости и прочности металла и повышению пластичности (рис. 2). Движущей силой процесса первичной рекристаллизации является разница свободных энергий деформированного материала и материала в равновесном состоянии. Установлено, что температура начала рекристаллизации (t^н_рек) для чистых метал­лов составляет примерно 0,4 Т_пл,, а для сплавов – (0,7-0,75) Т_пл.. Таким образом, наличие примесей является важным фактором, определяющим температуру рекристаллизации.

Рисунок 2 – Влияние температуры нагрева на механические свойства и структуру холоднодеформированного металла. Схема строения зерен в процессе возврата (а), при первичной (б, в) и собирательной (г) рекристаллизации

При дальнейшем повышении температуры наблюдается рост одних рекристаллизованных зерен за счет других (рис. 2). Такой процесс называется собирательной рекристаллизацией. Он происходит за счет снижения поверхностной энергии, т. к. рост зерен приводит к уменьшению площади границ. При этом структура и свойства металла приближаются к состоянию, характерному для недеформированного состояния. Такая термическая обработка получила название рекристаллизационного отжига.

Таким образом, холодная пластическая деформация вызывает в металлах и сплавах текстуру деформации и наклеп, связанный с резким увеличением дефектов кристаллического строения.Рекристаллизационный отжиг частично или полностью устраняют данные дефекты.

Температура рекристаллизации имеет большое значение при выборе температуры деформации металлов и сплавов. В зависимости от соотношения температуры проведения деформации и температуры рекристаллизации металла различают холодную и горячую деформации.

Холодной называют такую деформацию, которую проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации. Следовательно, холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) метал­ла.

Горячей называют такую деформацию, которую проводят при темпе­ратуре выше температуры рекристаллизации. В этом случае образовавшийся наклеп устраняется процессом рекристаллизации и упрочнение (наклеп) металла не наблюдается.

Отжиг, уменьшающий напряжения – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация зональных остаточных напряжений, возникающих от предыдущих обработок: литье, сварка и т. д.

Остаточные напряжения при отжиге уменьшаются двумя путями:

1. Нагревают изделие для уменьшения σ_т металла. В этом случае остаточные напряжения становятся выше предела текучести σ_т металла; он пластически деформируется, снижая остаточные напряжения. Затем изделие охлаждают. Предел текучести σ_т металла повышается, а остаточные напряжения остаются на низком уровне.

2. Используют временные перегрузки изделия. В результате ползучести при напряжениях, меньших σ_т, остаточные напряжения уменьшаются.

Отжиг 2-го рода. Отжиг 2-го рода основан на использовании диффузионных (нормальных) фазовых превращений при охлаждении металлов и сплавов.

Принципиальную возможность применения к сплаву от­жига 2-го рода можно установить по диаграмме состояния. Практически целесообразность отжига 2-го рода опре­деляется тем, насколько сильно структурные изменения вли­яют на свойства металла или сплава. Основные параметры отжига 2-го рода являются: температура нагрева, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения.

Различают следующие основные разновидности отжига 2-го рода сталей:

- полный;

- неполный;

- сфероидизирующий;

- нормализационный отжиг (нормализация);

- изотермический.

Полный отжиг: нагрев доэвтектоидной стали на 30-50°С выше Ас₃ и эвтектоидной стали на 20-40°С выше Ас₁ (рис. 3) + выдержка при этой температуре для полного прогрева металла и завершения фазовых превращений + медленное охлаждение с печью. Сопровождается полной фазовой пере­кристаллизацией (Ф « А), обеспечивает получение равновесной структуры (перлит + феррит или перлит), отвечающей максимальной пластичности и низкой твердости.

Скорость нагрева при термической обработке зависит от хими­ческого состава, формы и размеров изделий. Чем сложнее форма, больше размер изделия, выше содержание углерода и легирующих эле­ментов, уменьшающих теплопроводность, тем медленнее следует наг­ревать сталь, чтобы избежать возникновения трещин за счет терми­ческих напряжений, образующихся вследствие разности температур внутренних и наружных слоев детали или заготовки.

Полный отжиг применяется для смягчения стали перед обработ­кой резанием, для снятия напряжений и устранения пороков струк­туры. Например, при литье и сварке образуется крупнозернистая структура с игольчатым ферритом и пониженными механическими свойствами, которая получила название видманштеттовой, при горячей пластической деформа­ции наблюдается неоднородное распределение феррита вокруг зерен перлита, что резко снижает прочность стали; при большой степени холодной пластической дефор­мации образуется строчечная структура, которая ведет к анизотропии, т. е. различию свойств металла вдоль и поперек волокон.

Неполный отжиг: отличается от полного нагревом доэвтектоидной стали выше Ас₁, но ниже Ас₃ (рис. 3) + выдержка + охлаждение с печью. Полной фазовой пере­кристаллизации не происходит, обеспечивается только частичная перекристаллизация стали вследствие превращения перлита в аустенит при вышеуказанном нагреве, следовательно, устранить дефекты структуры, связанные с нежелательным размером и формой зерна, невозможно.

Неполный отжиг для доэвтектоидной стали применяется для сня­тия напряжений и улучшения обрабатываемости и позволяет экономить тепловую энергию.

Заэвтектоидная сталь не отжигается по режиму полного отжига с нагревом выше Ас_m, так как при медленном охлаждении выделя­ется грубая сетка вторичного цементита, которая ухудшает механи­ческие свойства стали. Для заэвтектоидной стали применяется не­полный отжиг. При нагреве до Ас₁ + (30...50)°С в аустените остает­ся большое число нерастворившихся включений цементита перлита, которые способствуют образованию зернистого перлита при охлажде­нии. Инструментальная сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, наилучшей обрабатываемостью резанием и менее склонна к перегреву при закалке.

Сфероидизирующий отжиг: нагрев заэвтектоидной стали выше Ас₁, но ниже А_сm (рис. 3) + выдержка + охлаждение с печью. Приводит к разрушению и сфероидизации цементитной сетки по границам зерен в заэвтектоидной стали и снижению ее твердости.

Рисунок 3 – Температура нагрева стали при отжигах 2-го рода: 1 – полный отжиг; 2 – неполный отжиг; 3 – сфероидизирующий отжиг; 4 – нормализационный отжиг (нормализация)

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали до Ас₃ + (30...50)°С и выдержке при этой температуре. Затем деталь быстро переносится в печь или ванну с жидкой разогретой солью или рас­плавленным свинцом с температурой 690...700°С (ниже Ас₁) и выдерживается до полного распада аустенита. Последующее охлаждение производится на воздухе.

Так как аустенит распадается в печи или в ванне при постоян­ной температуре, то получается более однородная структура. Меха­нические свойства при изотермическом отжиге получаются почти та­кими же, как и при полном отжиге. Преимущество изотермического отжига – в сокращении продолжительности отжига почти вдвое за счет этапа охлаждения и получении более однородной структуры и свойств по сечению изделия.

Изотермическое превращение аустенита доэвтектоидной стали описывается диаграммой (рис. 2в).

Линия 1 – начало превращения переохлажденного аустенита с образованием феррита.

Линии 2, 3 – начало и конец превращения переохлажденного аустенита с образованием ферритоцементитной смеси (перлита).

Линии М_н и М_к – начало и конец мартенситного превращения (А ® М).

Рис. 2. Схема термообработки доэвтектоидной стали: а) левая часть диаграммы железо-углерод; в) диаграмма изотермического превращения аустенита; V1 – отжиг при непрерывном охлаждении; V2 – охлаждение при изотермическом отжиге; V3 –охлаждение при нормализации.

На диаграмме показаны скорости охлаждения V, соответствую­щие различным видам термической обработки. Критическая скорость закалки V_кр. является граничной скоростью охлаждения между диф­фузионным и бездиффузионным превращениями переохлажденного аусте­нита.

Нормализация (нормализационный отжиг) заключается в нагреве доэвтектоидной стали до Ас₃ + (40...50)°С, заэвтектоидной – до Ас₁ + (50...60)°С (рис. 2). После выдержки охлаждение производится на воздухе.

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах по сравнению с отжигом, что оп­ределяет различные свойства отожженной и нормализованной стали. Чем выше степень переохлаждения аустенита, т.е. ниже его темпера­тура распада, тем мельче получается зерно в металле и дисперснее пластинки феррито-цементитной смеси, выше твердость, прочность, но ниже пластичность стали. После нормализационного отжига сталь имеет структуру сорбит (см. атлас микроструктур); твердость стали с такой структурой несколько выше, чем со структурой перлит.

Нормализация вызывает фазовую перекристаллизацию, поэтому способствует устранению пороков структуры, измельчению зерна. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вто­ричного цементита, так как при ускоренном охлаждении он не успева­ет образоваться по границам зерен.