Термическая обработка стали (стр. 2 из 4)

Свойства стали со структурой мартенсита, троостита, сорбита или перлита.

Рассмотрим сначала свойства структур эвтектоидной стали.

Рис. 4. Диаграмма изменения механических свойств эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита

Мартенсит – самая твердая и самая хрупкая структура.

Твердость мартенсита HB=600-650 (HRC=62-66), а пластические свойства при растяжении (d и y) и ударная вязкость (а_н) близки к нулю. Плотность мартенсита меньше, чем плотность других структур, и составляет 7,75 г/см³. В связи с увеличением объема стали при мартенситном превращении возникают напряжения, особенно при неравномерном охлаждении детали. Мартенсит магнитен и обладает наибольшей способностью сохранять в себе остаточный магнетизм, поэтому заготовки магнитов заливают в мартенсит.

Тростит и сорбит – промежуточные структуры между перлитом и мартенситом, поэтому их свойства будут средними между свойствами перлита и мартенсита. На рис. 4 приведены кривые изменения твердости HB, предела прочности s_в и относительного удлинения d эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита.

Свойства структур неэвтактоидной стали отличаются от свойств тех же структур эвтектоидной стали в зависимости от содержания углерода, однако характер изменения свойств структур от перлита до мартенсита тот же, что и у эвтектоидной стали.

Изучив вопросы теории термической обработки стали, познакомимся с ее видами: отжигом и нормализацией, закалкой и отпуском.

2. Отжиг и нормализация.

После отливки, прокатки и ковки стальные заготовки охлаждаются неравномерно результатом чего является неоднородность структуры и свойств в различных местах заготовок, а также появление внутренних напряжений. Кроме того, при затвердевании отливки получаются неоднородными по составу вследствие ликвации.

Отжиг.

Отжигом называют нагревание и медленное охлаждение стали. Академик А.А. Бочвар дал определение структуры из неравновесного состояния в более равновесное (возврат, или отдых, рекристаллизационный отжиг, или рекристаллизация, отжиг для снятия внутренних напряжений и диффузионный отжиг, или гомогенизация); отжиг второго рода – изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур; к отжигу второго рода относится полный, неполный и изотермический отжиги.

Ниже рассмотрены перечисленные виды отжига применительно к стали.

Возврат (отдых) стали – нагрев до 200 – 400°, для уменьшения или снятия наклепа. При возврате наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решетках у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств.

Рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация) стали происходит при температурах 500 – 550°; отжиг для снятия внутренних напряжений – при температурах 600 – 700°. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения в отливках от неравномерного охлаждения их частей, а также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) при температурах ниже критических. При рекристаллизационном отжиге из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, в результате твердость стали снижается, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются. Для полного снятия внутренних напряжений в стали нужна температура не менее 600°.

Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.

Диффузионный отжиг применяется в тех случаях, когда в стали наблюдается внутрикристаллическая ликвация. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. В результате сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией.

Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога и оплавления зерен. При пережоге кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог в металле устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком.

При диффузионном отжиге обычно зерна слишком укрупняются, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).

Полный отжиг связан с фазовой перекристаллизацией и измельчением зерна при температурах точек А_С1 и А_С2. Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры в готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50° выше температуры линии GSK и медленно охлаждают.

Рис. 5. Крупнозернистая структура доэвтектоидной стали.

После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым.

При отжиге на пластинчатый перлит заготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего при частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10-20° в час.

Отжигом также достигается измельчение зерна. Крупнозернистая структура, например, доэвтектоидной стали (рис. 5), получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (при медленном охлаждении отливок), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). При такой структуре прочность заготовки низка, и структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразным расположением избыточного цементита.

Размельчение зерна связано с перекристаллизацией a-железа в g-железо; при охлаждении и обратном переходе g-железа в a-железо мелкозернистая структура сохраняется.

Таким образом, при отжиге на пластинчатый перлит одновременно обеспечивается мелкозернистая структура.

Неполный отжиг связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки А_С1; он применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.

Рис. 6. Микроструктура зернистого перлита (X500)

Отжиг на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей, с целью повышения пластичности и вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки А_С1 и выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже Ar₁ и выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите (рис. 6).

Свойство зернистого перлита существенно отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали. В которой весь цементит (как эвтектоидный, так и избыточный) получается в виде глобулей.

Рис. 7. Схема изотермического отжига и изотермической закалки.

При изотермическом отжиге после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А₁ (рис. 7) и выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время и повышает производительность. Например, обыкновенный отжыг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический – всего 4-7 ч. Схема изотермического отжига приведена на рис. 7.

Нормализация. При нормализации сталь охлаждается не в печи, как при отжиге, а на воздухе в цехе. Нагревание ведется до полной перекристаллизации (на 30-50° выше точек Ас₃ и А_ст), в результате сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность стали после нормализации выше, чем после отжига.

Структура низкоуглеродистой стали после нормализации феррито-перлитная, такая же, как и после отжига, а у средне- и высокоуглеродистой стали – сорбитная; нормализация может заменить для первой – отжиг, а для второй – закалку с высоким отпуском. Часто нормализацией подготавливают сталь для закалки. Термическую обработку некоторых марок углеродистой и легированных сталей заканчивают нормализацией.

3. Закалка и отпуск.

Цель закалки и отпуска стали – улучшение ее свойств.

Закалка с отпуском нужна для очень многих деталей и изделий. Она основана на перекристаллизации стали при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при этой температуре для завершения закалки следует быстрое охлаждение. Таким путем предотвращают превращение аустенита в перлит.