Основы термической обработки

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 А_ст цементит полностью рас­творяется в аустените. Следовательно, выше температур А_ст 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 (Fe_α). 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.