ЛЕКЦИЯ 9
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ
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 Vохл .
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 727оС.
Эта температура одинакова для до- и заэвтектоидных сталей и обозначается: Ас1.
Верхняя критическая температура:
Для доэвтектоидных сталей определяется по линии GS диаграммы Fe – C.
Обозначается Ас3.
Для заэвтектоидных сталей определяется по линии SE диаграммы Fe – C.
Обозначается Асm.
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 Feα → Feγ 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.