Превращения в стали при охлаждении

Аустенит устойчив только при температуре 727°С. При охлаждении стали,

предварительно нагретой до аустенитного состояния, аустенит становится

неустойчивым – начинается его превращение.

При медленном понижении температуры получается грубая смесь феррита и

цементита, которая называется перлитом. Распад аустенита с образованием

перлита является диффузионным процессом.

Если сталь нагретую до состояния аустенита охлаждать с большой скоростью, то

будет переохлаждение аустенита с его распадом и образованием мелкозернистой

ферритно-цементитной смеси. Чем больше скорость охлаждения, тем мельче

ферритно-цементитная смесь. Образующиеся более мелкие, по сравнению с

перлитом, структуры, имеют повышенную твердость и свое особое название.

При охлаждении стали на воздухе аустенит распадается с образованием сорбита

. Его образование начинается при 600°С и заканчивается при 500°С. Сталь, в

которой преобладает структура сорбита, обладает высокой прочностью и

пластичностью.

При еще более низких температурах – 500-200°С – образуется троостит,

обладающий еще большей дисперсностью. Сталь со структурой троостита имеет

повышенную твердость, достаточную прочность, вязкость и пластичность.

По своему строению перлит, сорбит и троостит очень сходны. Все они являются

механическими смесями феррита и цементита и отличаются лишь размерами

пластинок феррита и цементита.

В случае очень высокой скорости охлаждения (в воде) удается полностью подавить

диффузионные процессы, происходит только бездиффузионное превращение, которое

называется мартенситом. Мартенсит отличается от сорбита и троостита и

по структуре и по свойствам. Он представляет собой твердый раствор углерода в

-железе, имеет игольчатое строение, обладает высокой твердостью, низкой

пластичностью. Особенность его структуры объясняется тем, что при резком

охлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора аустенита в виде

частичек цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и

троостита. Происходит только перестройка решетки

-железа в решетку

-железа. Атомы углерода остаются в решетке

-железа (мартенсита) и поэтому сильно ее искажают.

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. 44).

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.

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 процессов, происходящих в ней при медленном охлаждении. После закалки структура стали находится в неравновесном состоянии, не свойственной ей при нормальной температуре.

Отпуск закаленной стали – термическая обработка, существляемая после ее закалки. При отпуске сталь нагревается до температуры ниже нижней критической точки, выдерживается и охлаждается, как правило, на воздухе, в воде 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 в воде.

Для установления режимов термической обработки необходимо знать температуры, при которых в стали происходят превращения. Такие температуры называются критическими и обозначаются буквой А с индексами (например, А1, А2 А3 и др.). Если рассматривается про­цесс нагревания, то к индексу добавляется буква «с», если охлаждение – буква «r». Семейство критических точек, соответствующих линии SE диаграммы Fe-Fe3C и при нагреве и при охлаждении обозначается индексом «ст» (рис. 45).

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;

– нагрев закаленных сталей до определенных температур, изменяющих их структуру и свойства.