Классификация. Превращения в металлах и сплавах при нагреве и охлаждении.

Основы термической обработки металлов и сплавов.

Общие сведения. Термической обработкой стали и других конструкционных материалов называется технологический процесс тепловой обработки заготовок, деталей машин и инструмента, в результате которой изменяется микроструктура материала, а вместе с ней механические, физико-химические и технологические свойства. Процессы термической обработки конструкционных материалов связаны с аллотропными превращениями (полиморфизмом), а также с изменением химического состава материала изделия.

Термической обработке подвергают заготовки, поковки, штамповки, а также готовые детали и инструмент для придания им необходимых свойств: твердости, прочности, износостойкости, упругости, снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости.

Сущность термической обработки заключается в нагреве металла до температуры, которая несколько выше или ниже критических температур, выдержке при этих температурах и быстром или медленном охлаждении. В процессе охлаждения в структуре металла происходят аллотропные изменения, вследствие которых резко изменяются механические свойства. При быстром охлаждении увеличиваются твердость, износостойкость, упругость и т. д., при медленном охлаждении — пластичность, ударная вязкость, обрабатываемость. Кроме того, существует термическая обработка, связанная с изменением химического состава материала изделия, так называемая химико-термическая обработка.

В зависимости от способа нагрева и глубины прогрева аллотропные превращения происходят по всему сечению или только в поверхностных слоях обрабатываемых деталей. При нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с определенной скоростью микроструктура деталей меняется по всему сечению.

Изменение химического состава в поверхностных слоях обрабатываемых деталей сопровождается их упрочнением или изменением других свойств.

Существуют следующие способы термической обработки сталей:

· объемная термическая обработка сталей, производимая с целью изменения микроструктуры металлических сплавов, находящихся в твердом состоянии, и придания им необходимых свойств по всему объему обрабатываемых деталей (закалка, отпуск, отжиг, нормализация);

· поверхностная термическая обработка стали, вызывающая изменение структуры и свойств лишь в поверхностном слое изделия;

· химико-термическая обработка, заключающаяся в нагреве металлических изделий вместе с веществами, способными менять состав и структуру, главным образом поверхностного слоя обрабатываемого изделия;

· электротермическая обработка, производимая с помощью индукционного нагрева токами высокой частоты, а также путем контактного нагрева и нагрева в электролитах;

· термомеханическая обработка, связанная с нагревом изделий подвергающихся, например, прокатке, волочению и подобным операциям, с целью устранения наклепа, вызванного пластическими деформациями.

Превращения в стали при нагревании. Превращения в стали при нагревании связаны с достижением сплавами критических температур, при которых происходят фазовые превращения.

В системе железоуглеродистых сплавов приняты следующие обозначения критических температур: температура линии PSK (см. рис. 3.6) обозначается А₁ (727 °С), температура линии МО — А₂ (768 °С), температура линии GOS — А₃ (727 … 911 °С), температура линии ES — А_m (727 … 1 147 °С). Чтобы отличить критическую температуру, полученную при охлаждении, от критической температуры, полученной при нагревании, перед цифровым индексом при охлаждении ставят букву r (Аr₁, Аr₂), а при нагревании — с (Ас₁, Ас₂).

Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диаграммой Fe— Fe₃C может завершиться при температуре 727 °С

(Ас₁) при медленном нагревании. Скорость превращения перлита в аустенит находится в прямой зависимости от содержания в стали углерода.

При температуре 768 °С (точка Кюри — Ас₂) стали теряют свои магнитные свойства.

Окончание процесса превращения характеризуется образованием аустенита и исчезновением перлита.

При нагревании сталей с содержанием углерода менее 0,8 %, т. е. доэвтектоидных, с исходной структурой, состоящей из феррита и перлита, происходят следующие структурные превращения. При температуре 727 °С происходит превращение перлита в аустенит. При этом сохраняется двухфазная структура — из аустенита и феррита. При дальнейшем нагревании происходит превращение феррита в аустенит, которое заканчивается при достижении критической температуры Ас₃, т. е. на линии GOS.

У заэвтектоидных сталей при нагреве выше температуры Ас₁ происходит растворение цеменита в аустените (в соответствии с линией SE), которое заканчивается при критической температуре Ас_m, т. е. на линии SE.

Для более полного понимания процессов структурных преобразований рассмотрим диаграмму изотермического превращения перлита в аустенит при нагревании (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит при нагревании: t — температура; τ — время; А — аустенит; П — перлит; Ц — цементит; v₁ и v₂ — скорости нагрева; Ас₁ — критическая температура (эвтектоид)

Так как перлит — это смесь цементита и феррита в соотношении примерно 1: 6, то при нагревании на границе раздела феррита и цементита образуются зерна аустенита. При последующем нагревании происходят растворение цементита в аустените и дальнейший рост зерен аустенита. С ростом зерен аустенита происходит постепенное увеличение массовой доли углерода в аустените. Скорость нагрева также влияет на превращение перлита в аустенит. На диаграмме лучами v₁ и v₂ графически изображены различные скорости нагрева. Чем меньше скорость нагрева, тем при более низких температурах происходит весь процесс фазовых превращений.

Важной характеристикой стали является склонность к росту зерна аустенита при нагревании. При росте зерна при незначительном перегреве выше критической точки сталь считается наследственно крупнозернистой. Если же зерно начинает расти при большем перегреве — наследственно мелкозернистой. На рост зерна большое влияние оказывают различные примеси, попадающие в сталь в процессе плавки. Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой.

Зернистость влияет на механические свойства сталей. Мелкозернистая сталь обладает значительно большей ударной вязкостью, чем крупнозернистая, поэтому при термической обработке сталей этот фактор следует учитывать.

Действительная величина зерна — это размер зерна при обычных температурных условиях после определенного типа термообработки. Для определения величины зерна принята стандартная шкала. В ГОСТ 5639—82* представлена шкала для оценки величины зерна по десятибалльной системе (рис. 2).

Рис. 2. Стандартная шкала зернистости стали (100x): 1—10 — баллы зерна

Величину зерна определяют при стократном увеличении методом сравнения со стандартной шкалой. Для определения зернистости сталь должна быть нагрета до температуры 930 °С. Если при этой температуре номер зерна 1 — 4, то это сталь наследственно крупнозернистая. Стали, у которых номер зерна 5 — 8 и более, — наследственно мелкозернистые. Легирующие элементы (ванадий, вольфрам, молибден, титан и др.) способствуют образованию наследственно мелкозернистой макроструктуры. Такая сталь при высоких температурах хорошо поддается любому виду обработки деформированием (прокатка, ковка, штамповка и др.). Укрупнения зерна и снижения механических свойств при этом не происходит. Как правило, большинство легированных сталей, а также спокойные стали — наследственно мелкозернистые. Все кипящие стали — наследственно крупнозернистые, имеют низкую ударную вязкость и высокую хладноломкость.

Превращения в стали при охлаждении. При охлаждении сталей с аустенитной структурой могут происходить различные превращения, зависящие от скорости охлаждения. Рассмотрим диаграмму изотермического превращения аустенита в перлит (рис. 3). Кривые превращения аустенита имеют С-образную характеристику и показывают, что скорость превращений неодинакова. Максимальная скорость превращения соответствует охлаждению ниже Ас₁ (727 °С) на 170 °С. Кривые начала и конца превращений смещены вправо и соответствуют наибольшей устойчивости.

Рис. 3. Диаграмма изотермического превращения аустенита в перлит при охлаждении: t — температура; τ — время; А — аустенит; П — перлит; Б — бейнит; М — мартенсит; А_ост — остаточный аустенит; Т — троостит; Ф — феррит; Ц — цементит; С — сорбит; v₁ и v₂ — скорости охлаждения; М_н и М_к — соответственно температуры начала и конца мартенситного превращения; А_п — половинчатый аустенит; v_кр — критическая скорость

Левая кривая на диаграмме соответствует границе начала превращений, правая кривая показывает конец превращения аустенита. Превращение аустенита в перлит носит диффузионный характер.

Скорость диффузии зависит от степени переохлаждения или от скорости охлаждения. Продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение, определены как перлит, сорбит и троостит и различаются степенью дисперсности. Но если перлит — это равновесная структура, то сорбит и троостит — неравновесные структуры, в них содержание углерода больше или меньше 0,8 %. Существует еще промежуточное (бейнитное) превращение в области температур 500 … 350 °С. При большей степени переохлаждения (до 230 °С) аустенит находится в неустойчивом состоянии, диффузионные процессы отсутствуют, образуется перенасыщенный углеродом твердый раствор.

Мартенситное превращение в стали имеет три особенности. Вопервых, мартенситное превращение имеет бездиффузионный характер. Во-вторых, кристаллы мартенсита ориентированы. Третья особенность заключается в том, что мартенситное превращение происходит при непрерывном охлаждении в интервале определенных температур для каждой стали. Температуру начала мартенситного превращения называют мартенситной точкой и обозначают М_н, а температуру окончания обозначают М_к. Положение точек М_н и М_к на диаграмме зависит от количества углерода в стали и присутствия легирующих элементов. Как правило, большое содержание углерода и наличие легирующих элементов понижают положение точек.

Наложим на диаграмму графики скоростей охлаждения и изобразим схему влияния скорости охлаждения на температуру превращений аустенита. Из диаграмм видим, что чем больше скорость охлаждения, тем дисперснее получаемая структура. При небольшой скорости v₁ образуется перлит, при большей скорости v₂ — сорбит и еще большей v_кр — троостит. При скорости охлаждения, большей, чем v_кр, часть аустенита превращается в мартенсит. Минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до точки М_н и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. Этот процесс превращения в мартенсит имеет большое практическое значение и положен в основу термической обработки.

Перлитное превращение в стали применяют в процессе отжига; мартенситное — при закалке; промежуточное — при изотермической закалке.

Механические свойства стали со структурами перлита, сорбита и троостита зависят от степени понижения температуры распада и дисперсности ферритно-цементитной структуры. При этом твердость, пределы прочности, текучести и выносливости возрастают.

Структура мартенсита имеет более высокую твердость и прочность, а также зависит от содержания углерода в стали. Отрицательным фактором мартенситной структуры является повышенная хрупкость. Как уже говорилось, легирующие элементы влияют на положение точек М_н и М_к и соответственно влияют на практическую скорость закалки, обычно в сторону уменьшения.

Режим термической обработки. Процесс термической обработки с целью изменения структуры и механических свойств состоит из операций нагрева изделия, выдержки при данной температуре и охлаждения с определенной скоростью. Параметрами технологического процесса термической обработки будут максимальная температура нагрева сплава, время выдержки при данной температуре и скорости нагрева и охлаждения.

Нагрев стали — это одна из основных операций термической обработки, от которой зависят фазовые и структурные превращения, изменения физических и механических свойств, поэтому режим нагрева является определяющим для получения конкретных характеристик сплава. В практике различают технически возможную и технически допустимую скорости нагрева для каждой детали или партии деталей.

Технически возможная скорость нагрева зависит от способа нагрева, типа нагревательных устройств, формы и расположения изделий, массы одновременно нагреваемых деталей и других факторов.

Технически допустимая, или технологическая, скорость нагрева зависит от химического состава сплава, структуры, конфигурации изделия и интервала температур, при которых ведется нагрев. Время выдержки — это время, необходимое для полного выравнивания температур по всему объему изделий и соответственно для завершения всех фазовых и структурных превращений.

Охлаждение — это завершающий процесс, осуществляемый с целью получения нужной структуры с необходимыми механическими свойствами.

В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие основные виды термической обработки: отжиг, нормализация и закалка с последующим отпуском.

Рис. 4. Микроструктуры, полученные в результате нагрева и охлаждения стали марки 40 с различной скоростью: 1 — перлит + феррит; 2 — аустенит; 3 — мартенсит; 4 — троостит; 5 — сорбит; 6 — феррит + перлит

На рис. 4 представлены микроструктуры, полученные в результате нагрева и охлаждения стали марки 40 с различной скоростью. Характеристика этих микроструктур рассмотрена в табл. 1.

Контрольные вопросы:

1.Что такое термическая обработка сплавов?

2. В чем заключается сущность термической обработки?

3. Какие существуют способы термической обработки сталей?

4. Какие превращения происходят в доэвтектоидных сталях при нагревании?

5. Какие превращения происходят в заэвтектоидных сталях при нагревании?

6. Как влияет зернистость на механические свойства стали?

7. Какие процессы положены в основу термической обработки?