На диаграмме применяют лагорифмическую шкалу времени, чтобы можно было показать и быстро протекающие процессы и медленно протекающие (от секунд до суток).
Левый максимум на диаграмме показывает время до начала распада аустенита при разных температурах, правый- время до конца распада.
Горизонтальная линия Мн - начало мартенситного превращения.
На диаграмму с некоторыми допущениями могут быть нанесены скорости охлаждения.
Выше температуры максимальной устойчивости аустенита (относительно малые скорости охлаждения) получаются структуры перлит, сорбит и тростит. Образование их происходит в мягком пластичном аустените. Поэтому напряжения при образовании новых фаз (феррита и цементита) очень малы и перлитные участки получаются округленной формы, но цементит в них пластичный.
Ниже температуры минимальной устойчивости распад аустенита протекает в упругой среде, и выделение феррита и цементита сопровождается возникновением значительных напряжений. В таких условиях новой фазе легче расти игольчатой или пластинчатой форм очень малых размеров из-за малой скорости диффузии.
Структура эта называется бейнитом или промежуточной структурой и в рассматриваемой стали может получится только при изотермической выдержке. Различают верхний и нижний бейнит. Верхний бейнит образуется при температурах чуть ниже перегиба кривых и имеет твердость около 450НВ,
нижний образуется чуть выше начала образования мартенсита (Мн) и имеет твердость около 550НВ. Если скорость охлаждения достаточно велика и проходит левее максимума, то образуется структура закалки (М+Аост.).
Скорость охлаждения касательная к максимуму называется верхней критической скоростью закалки(Yвкз).
Верхняя критическая скорость закалки - такая минимальная скорость охлаждения, при которой полностью подавляется диффузия, и не выделяются феррит и цементит.
Если скорость охлаждения проходит между максимами распада, то получается структура состоящая из мартенсита и тростита. Такая структура после закалки нежелательна (из-за понижения твердости) и получается, обычно, при недостаточно быстром переносе стали из печи в закалочный бак.
Диаграммы распада аустенита для сталей различного состава приводятся в справочниках. По ним можно определить тип получаемой структуры при различных скоростях охлаждения, критическую скорость закалки, что чрезвычайно важно при назначении режима термической обработки.
В заключение отметим, что в легированных сталях скорость распада аустенита замедляется за счет уменьшения скорости диффузии, кривые распада сдвигаются вправо, что позволяет получить мартенсит при меньших скоростях охлаждения.
1.8. Превращения при нагреве мартенсита
(при отпуске закаленной стали)
Мартенсит при нагреве распадается на феррито-цементитную смесь. Это превращение протекает в несколько этапов и зависит от температуры нагрева.
При температурах 150-2000 уменьшается степень искаженности решетки мартенсита (тетрогональность решетки) за счет уменьшения в ней углерода, который начинает выделяться в виде карбида близкого по составу к Fe2C. Этот карбид еще недостаточно обособлен, и его решетка тесно связана с решеткой мартенсита. Такая структура называется мартенситом отпуска.
При 200-3000 мартенсит еще более теряет свою тетрогональность, карбиды более обосабливаются. Остаточный аустенит (в высокоуглеродистых сталях) также начинает распадаться на феррит и карбиды. Такую структуру называют бейнитом отпуска (в отличие от бейнита получаемого в изотермических условиях).
При 300-4000 выделяются очень дисперсные карбиды Fe3C и существенно снижаются внутренние напряжения. Такая структура называется тростит отпуска.
При температурах выше 4000 происходит постепенное укрупнение цементита и феррита, однако, размеры их остаются все равно значительно меньше, чем при медленном охлаждении стали. Такая структура обладает хорошим сочетанием твердости, прочности и вязкости, и называется сорбитом отпуска.
Процессы происходящие при нагреве мартенсита для стали У8 графически показаны на рис.8.
В легированных сталях при нагреве мартенсита указанные температурные интервалы могут существенно смещаться в сторону более высоких температур. В некоторых сталях при этом могут выделяться кроме цементита специальные карбиды и нитриды (например,VC,VNи т.п.).
2. Технология термической обработки стали
2.1. Режим термической обработки стали
Режим термической обработки включает в себя следующие составляющие: скорость нагрева, температуру нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения.
Скорость нагрева выбирается в зависимости от теплопроводности стали (химического состава) и формы детали. Если теплопроводность стали высокая, то и скорость нагрева может быть больше. При этом следует иметь в виду, что у большинства легированных сталей теплопроводность ниже, чем у углеродистых, и быстрый нагрев может привести в них к возникновению напряжений и трещин. Заготовки или детали простой формы по той же причине можно греть быстрее, чем сложной.
Температура нагрева зависит от состава стали и вида термообработки. Для углеродистых сталей она может быть определенна по диаграмме Fe3C, для легированных приводится в справочниках. Отметим, что для каждой стали при определенном виде термообработки эта температура величина постоянная.
Продолжительность выдержки зависит главным образом от размеров деталей и условий нагрева. При нагреве деталей в газовых или электрических печах выдержка обычно назначается из расчета 1,5-2 мин. на 1мм максимальной толщины детали (при условии что детали в печи не соприкасаются друг с другом). При нагреве в жидких средах (например, в соляных ваннах), где условия теплообмена очень высоки, продолжительность выдержки берется
10-15 сек. на 1мм толщины.
Скорость охлаждения обычно задают охлаждающей средой (охлаждение в печи, на воздухе, в масле, в воде, в специальных средах).
Режим термической обработки удобно задавать графиком в координатах температура-время (см.рис.9).
2.2. Отжиг стали
Отжигом называют вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении.
В процессе отливки, прокатки или ковки стальные заготовки охлаждаются неравномерно, что приводит к неоднородности структуры и свойств, возникновению внутренних напряжений. При затвердевании отливок кроме того возможно появление внутри кристаллитной ликвации (химической неоднородности по сечению зерна). В сварных соединениях также наблюдаются неоднородности структуры, свойств и внутренние напряжения.
Для устранения различного рода структурных неоднородностей проводят отжиг.
Различают несколько видов отжига различающихся по технологии выполнения и цели. Для измельчения зерна перегретой стали, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием применяют полный, неполный, изотермический отжиги и отжиг на зернистый перлит. Для уменьшения внутреннего напряжения, снижения твердости, повышения пластичности и изменения формы зерен холоднодеформированного металла применяют рекристаллизационный отжиг. Для устранения внутрикристаллитной ликвации в легированных сталях - высокотемпературный диффузионный отжиг.
Температурные интервалы основных видов отжига для углеродистых сталей представлены на рис.10.
Полный отжиг проводится для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Температура нагрева на 30-500 выше А3, т.е. структуру полностью переводят в аустенитное состояние. После выдержки сталь медленно охлаждают в печи. Скорость охлаждения углеродистых сталей 100-150 0/час, легированных - 30-40 0/час. Структура стали после полного отжига получается феррито-перлитная, т.е. такая, как по диаграмме Fe-C.
Неполный отжиг проводят практически для инструментальных заэвтектоидных сталей, только в том случае, если в структуре нет цементита по границам зерен (сетка цементита). Если есть сетка цементита, то для ее устранения применяют нормализацию, что будет рассмотрено ниже. Температура нагрева на 30-500 выше А1 (750-7800). При нагреве структура будет состоять из аустенита и цементита, после медленного охлаждения из перлита и цементита.
Изотермический отжиг проводят с той же целью, что и полный, но время на его проведение требуется меньше (см.рис.11). После нагрева до температуры на 30-500 выше А1, выдержке для выравнивания температуры по сечению, сталь подстуживают немного ниже А1 (650-7000) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита на феррит и перлит, дальнейшее охлаждение с любой скоростью.
В отличие от других видов отжига здесь распад аустенита проходит не при непрерывном охлаждении, а в изотермических условиях (при постоянной температуре). Проводить такой отжиг проще, т.к. контролировать температуру легче, чем скорость охлаждения.
Изотермический отжиг обычно применяют для легированных сталей обладающих высокой устойчивостью аустенита (кривая изотермического распада сильно сдвинута вправо). Такой отжиг можно применять только для мелких заготовок, у которых температура по сечению выравнивается сравнительно быстро.