Основные виды термической обработки стали

По диаграмме состояния можно определить, склонен ли данный сплав к восприятию термообработки и в каком температурном диапазоне следует её проводить. Для того, чтобы термическая обработка была эффективной, необходимо, чтобы она привела к изменению свойств, обусловленному фазовыми превращениями.

Согласно диаграмме состояния (рис. 2.1,а) все сплавы в твердом состоянии никаких превращений при нагреве и охлаждении не претерпевают, поэтому и подвергать их термообработке нет смысла. Диаграмма, представленная на рисунке 2.1, а, показывает, что во всех сплавах, лежащих правее точки F, при нагреве происходит растворение избыточной фазы (компонента В) в a-твердом растворе, и при достаточно быстром охлаждении (закалке) может быть зафиксирован пересыщенный твёрдый раствор. Последующий нагрев до температур ниже линии ECD (отпуск) вызовет выделение фазы В из твёрдого раствора. Избыточная фаза может выделиться из закалённого раствора и без отпуска, во время вылёживания при комнатной температуре. Этот процесс называется старением. Закалка с последующим отпуском или старением, например алюминиевых сплавов, приводит к существенному изменению свойств. При этом наиболее эффективно термическая обработка влияет на структуру и свойства сплава, соответствующего точке D (рис. 2.1,б).

Рис. 2.1. Диаграммы состояния

Все сплавы, претерпевшие аллотропические превращения (рис. 2.1,в), могут быть подвергнуты термической обработке. При нагреве до температуры выше эвтектоидной (t _эвт) α-фаза превращается в γ-фазу. Последующее охлаждение определяет вид термообработки – отжиг (медленное охлаждение) или закалку (быстрое охлаждение). После отжига структура сплава будет равновесной, после закалки – неравновесной. Если закаленный сплав подвергнуть отпуску (нагреву до температуры ниже эвтектоидной), его структура будет приближена к равновесной. Соответственно изменяются и свойства.

Основой для термической обработки стали является часть диаграммы состояния Fе-C, относящаяся к концентрациям углерода до 2,14% и температуре ниже линии солидуса (рис. 2.2).

Рис. 2.2. «Стальной» участок диаграммы Fe-C

На этом участке диаграммы приведены общепринятые обозначения критических точек. Их обозначают буквой А с цифрой в зависимости от номера критической точки. Нижняя критическая точка А ₁ (точка а Чернова) лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенита в перлит. Верхняя критическая точка А ₃ (точка в Чернова) лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения феррита или цементита из аустенита при охлаждении или концу их растворения при нагреве.

Чтобы отличить критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении, к букве А приписывают соответственную с или r. Таким образом, критические точки А ₁ и А ₃ при нагреве обозначают Ас ₁ и Ас ₃, а при охлаждении – Аr ₁ и Аr ₃ (критическую точку Ас ₃ для заэвтектоидных сталей часто обозначают А _ст).

Ниже приводится определение и характеристика основных видов термической обработки стали.

Отжигом называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве стали выше критической точки Ас ₃ с последующим медленным охлаждением. В результате отжига в стали формируется близкая к равновесной структура: перлит + феррит (доэвтектоидная сталь), перлит (эвтектоидная), перлит + цементит (заэвтектоидная). Такой отжиг называется полным. Основное назначение отжига – улучшить обрабатываемость резанием за счёт снижения твёрдости стали.

Если отжиг проводят при температуре выше Ас ₁, но ниже Ас ₃, то полной перекристаллизации не произойдёт (часть избыточного феррита или цементита не растворится в аустените при нагреве). Такая термическая операция называется неполным отжигом.

Медленное охлаждение при отжиге проводят вместе с печью.

Если после нагрева выше Ас ₃ провести охлаждение на воздухе, то сталь будет приведена в состояние с заметным отклонением от равновесного. Такая термическая операция называется нормализацией. Свойства стали после нормализации будут промежуточными между свойствами отожжённой и закаленной сталей.

Закалкой называется нагрев стали выше критической точки Ас ₁ или Ас ₃ (как при отжиге) с последующим быстрым охлаждением. В результате закалки переохлаждённый аустенит превращается в мартенсит (пересыщенный твёрдый раствор углерода с искажённой решёткой α-железа). Как и отжиг, закалка может быть полной (нагрев выше точки Ас ₃) и неполной (нагрев выше Ас ₁). Мартенсит имеет высокую твёрдость, хрупкость, постоянно находится под воздействием остаточных закалочных напряжений.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температуры ниже точки Ас₁. При отпуске мартенсит превращается в более равновесную структуру – ферритокарбидную смесь.

Таким образом, при термической обработке, в зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения, в стали протекают четыре основных превращения, а именно: превращение перлита в аустенит при нагреве, распад аустенита на ферритоцементитную смесь при медленном охлаждении, превращение переохлаждённого аустенита в мартенсит при быстром охлаждении, превращение мартенсита в ферритокарбидную смесь при отпуске. Рассмотрим более углублённо эти превращения в эвтектоидной стали.