Термической обработкой называется процесс нагрева сплавов до определенной температуры, выдержки при этой температуре и охлаждения с определенной скоростью, с целью изменения их структуры, а следовательно, и их свойств; прочности, твердости, износоустойчивости, лучшей обрабатываемости и др.
На результат термической обработки оказывают влияние следующие факторы: время (скорость) нагревания, температура нагревания, время (продолжительность) выдержки, время (скорость) охлаждения.
Таким образом, основными факторами термической обработки являются температура и время Если термическая обработка состоит только из одной операции, то она называется простой, а если из нескольких операций - сложной.
В практике машиностроения условно различают первичную и вторичную термические обработки. Назначение первичной термической обработки заключается в подготовке структуры к механической или окончательной термической обработки. Например, для улучшения обрабатываемости при резании стали, особенно с повышенным содержанием углерода, предварительно подвергают нормализации, высокому отпуску или отжигу, перед азотированием стальных деталей закалке и отпуску.
|
|
Вторичная термическая обработка применяется к деталям после механической обработки, литья или обработки давлением с целью получения необходимой структуры, а следовательно, и определенных свойств стали.
Для того, чтобы правильно решать вопросы термической обработки необходимо иметь представление о фазовых и структурных превращениях, которые протекают при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью
Превращения при нагревании. Общие представления об этих првращениях получены в лабораторных работах № 3 и 4 при изучении диаграммы. особенно ее левой части, относящейся к сталям (рис 6.1), При нагреве эвтектоидной стати (0,8% С) несколько выше критической точки Аr1 перлит превращается в аустенит (Ау). При нагревании доэвтектоидной стали, например, содержащей 0,4% С, выше точки Аr1 перлит превращается в Ау и образуется двухфазная структура (аустенит, содержащий 0,8% С и феррит). При дальнейшем нагревании феррит будет растворяться в Ау, уменьшая в нем количество углерода, а при достижении критической точки Аr3 феррит полностью растворится в аустените с концентрацией углерода 0.4%.
Рис. 6.1. Диаграмма состояния железо-цементит (левая часть)
Аналогично протекает превращение заэвтектоидной стали, содержащей 1,5% С. При температуре несколько выше Аr1 перлит превращается в Ау, содержащий 0,8% С. При дальнейшем нагревании в аустените будет растеряться цементит. При этом концентрация углерода в аустените будет увеличиваться. При достижении температуры Аст цементит полностью растворяется в аустените. Следовательно, выше температур Аст будет только аустенит, содержание углерода в котором соответствует его содержанию в стали, т.е. 1,5%.
|
|
Зерно аустенита. Его величина определяет размер действительного зерна, т.е. зерна структур распада аустенита, которые наблюдаются под микроскопом после термообработки.
От размера зерна зависят механические свойства стали. Чем оно мельче, тем выше прочность, пластичность и вязкость, ниже порог хладноломкости и меньше склонность к хрупкому разрушению. Поэтому в большинстве случаев термообработка стали связана с получением определенной величины зерна аустенита. На его величину влияют: форма и величина зерен цементита в перлите, скорость и температура нагрева. Чем мельче цементит в перлите, тем мельче начальное зерно аустенита. Чем выше скорость нагрева, тем мельче зерно аустенита, так как скорость образования зародышей выше, чем скорость их роста. В момент образования аустенита величина зерна его очень мала, но при увеличении температуры выше критической и выдержке она быстро растет. Вот почему при нагреве нужно правильно выбрать скорость, температуру нагрева и выдержку
Превращения в стали при охлаждении. При охлаждении стали превращения в ней связаны с превращением аустенита в новые структуры. Вид структур зависит от химического состава и скорости охлаждения, Аустенит устойчив только выше линии GSE (рис. 6.1). При медленном охлаждении доэвтектоидных сталей ниже температур Ас3 из аустенита будет выделяться феррит, а у заэвтектоидных сталей ниже температуры Аст будет выделяться цементит. При достижении температур Ac1 (линия РК, рис. 6.1) аустенит будет содержать 0,8% С. Следовательно, при дальнейшем медленном охлаждении он будет превращаться в перлит. В конечном результате структура доэвтектоидных сталей будет состоять из феррита и перлита, эвтектоидной - из перлита и заэвтектоидных - из цементита и перлита. С увеличением скорости охлаждения критическая точка Ас1 т.е. температура, при которой происходит превращение аустенита в феррито-цементитную смесь, понижается, при этом цементит в этой смеси становится мельче.
Если переохладить аустенит до 600-650°С (для эвтектоидной стали], то образуется более мелкая, чем перлит, феррито-цементитная структура, называемая сорбитом закалки. Для получения такой структуры нужно охладить сталь со скоростью 10°С/с. Сорбит тверже, чем перлит, его твердость около 30 HRC. Еще более мелкая феррито-перлитная смесь образуется при переохлаждении аустенита до 500-550°С, которая называется трооститом закалки.
Для получения троостита нужно переохладить сталь со скоростью 70°С/с. Твердость троостита выше сорбита и составляет около 40 HRC. Если скорость охлаждения увеличить до 150°С/с, то аустенит при температуре 230°С превращается в новую структуру, называемую мартенситом.
Мартенсит является перенасыщенным твердым раствором внедрения углерода в α- железе (Feα). Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода; в стали с 0,6-0,7 % С твердость мартенсита 65 HRC. Однако с повышением в мартенсите содержания углерода возрастает склонность его к хрупкому разрушению Структура мартенсита присуща закаленным сталям.