Причины изменения свойств сплавов при термической обработке

К

ак известно, изменение структуры сплава в большой степени определяется его химическим составом. Но, используя различные технологические приемы, при одинаковом составе можно в широком диапазоне изменять структуру, а значит и свойства. К таким технологическим приемам относится термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов.

Термическая обработка (ТО) наиболее широко применяется на практике, так как оказывает существенное влияние на изменение свойств материалов. С ее помощью изменяют твердость, прочность и пластичность; она влияет на формирование коррозионной стойкости, жаропрочности и многих других свойств. Различные виды ТО представляют собой довольно сложные технологические процессы.

Любая ТО состоит из нагрева и охлаждения с заданной скоростью, а ее характеристика может быть выражена с помощью диаграммы, на одной оси которой откладываются температуры нагрева, а на другой – время. Такие диаграммы (рис. 72) называются графиками ТО.

Изменение свойств в результате ТО целиком и полностью зависит от изменений во внутреннем строении металла или сплава, от изменения его фазового состава, размера и взаимного расположения фаз.

Итак, ТО - совокупность технологических операций, связанных с нагревом, выдержкой и охлаждением для изменения свойств металлов и металлических сплавов в результате изменения их внутреннего строения.

Многообразие операций ТО схематически представлено на рис. 73.

Все операции ТО проводят по заранее разработанной технологии. ТО можно считать эффективной, если достигнутые в результате ее проведения свойства материалов сохраняются длительное время.

ТО может быть как промежуточной операцией, предназначенной для улучшения технологических свойств (облегчения ковки, штамповки, прокатки), так и окончательной – для обеспечения в материале или изделиях требуемого комплекса свойств.

Существование одного металла в нескольких кристаллических формах (в зависимости от температуры и давления) носит название полиморфизма или аллотропии. Различные кристаллические формы одного вещества называют полиморфными или аллотропическими модификациями.

В основе ТО чугуна и стали лежат полиморфные превращения железа, сопровождающиеся перекристаллизацией, и процессы, связанные с изменением растворимости в железе. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях: a- и g-железо. a-железо, имеющее кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку (феррит) устойчиво в двух интервалах температур: ниже 911 ^оС и от 1392 до 1539 ^оС. Высокотемпературную модификацию a-железа обычно обозначают d-железо. В температурном интервале 911 – 1392 ^оС устойчиво g-железо (аустенит), имеющее кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. Так как железо, кроме того, что образует химическое соединение Fe₃C, имеет две аллотропические формы (a и g), то в системе «железо-углерод» существуют различные фазовые состояния железоуглеродистых сплавов в зависимости от состава и температуры.

Диаграмма состояний «железо-углерод» дает ясное представление о строении железоуглеродистых сплавов (рис. 74).

Нагрев. Для чистого железа температура аллотропического превращения составляет 911 ^оС. При наличии углерода она снижается до 723 ^оС (ее обозначают А₁).

Если нагреть железоуглеродистый сплав выше температуры 723 ^оС, то начнется аллотропическое превращение железа: феррит будет заменяться аустенитом. В образующихся кристаллах аустенита будет растворяться цементит. Атомы железа пойдут на построение кристаллической решетки, а атомы углерода разместятся в ее межатомных промежутках. Этот процесс завершится при температуре А₃ (723^о<A₃<911^о), зависящей от количества углерода в сплаве. Если металл очень долго выдерживать при этой температуре или нагревать значительно выше ее, то начнется объединение мелких зерен аустенита в более крупные, многократно превосходящие размерами исходные. Таким образом, в результате нагрева до определенной температуры в металле происходят фазовые превращения. В рассматриваемом случае две фазы (феррит и цементит) заменились одной новой (аустенитом). Выдержка при температуре нагрева необходима для полного завершения фазового превращения, но время ее должно быть ограничено во избежание укрупнения кристаллов образовавшейся фазы.

Охлаждение. При охлаждении протекают процессы, обратные происходящим при нагреве, т.е. имеет место аллотропическое превращение: аустенит заменяется ферритом. При этом из решетки должны выделиться избыточные атомы углерода, которые, соединяясь с атомами железа, образуют цементит, поскольку растворимость углерода в аустените значительно выше, чем в феррите. Эти процессы происходят за счет диффузии атомов, зависящей от температуры и размера атомов (при одинаковой температуре диффузия больше у атомов углерода, размер которых меньше, чем атомов железа). Следовательно, протекание процессов при охлаждении в наибольшей степени зависит от интервала температур (скорости охлаждения). При прочих равных условиях (химический состав стали, температура нагрева) именно скорость охлаждения является фактором, определяющим строение охлажденного металла.

При охлаждении с аустенитом происходит следующее. Если температура ниже 723^оС, аустенит сохраняется некоторое время без видимых внешних изменений. Это инкубационный или скрытый период распада. В зависимости от температуры его длительность меняется от нескольких секунд до 5 - 15 мин. Чем ниже температура, при которой происходит распад аустенита, тем мельче кристаллы вновь образовавшихся фаз. При этом в интервале температур 550 – 723 ^оС образуются ферритоцементитные смеси пластинчатого строения, в интервале 220 – 550 ^оС – смеси игольчатого строения, а при более низких температурах образуется игольчатая однофазная структура, не являющаяся ферритоцементитной смесью.

Протекание распада аустенита изображается с помощью диаграммы, характер которой зависит от состава стали. На рис. 75 приведена диаграмма для стали, содержащей 0,8 % углерода.

Образование различных структур связано с интенсивностью диффузионных процессов при тех или иных температурах. При относительно небольших степенях переохлаждения (до 500 – 550 ^оС) распад аустенита осуществляется за счет диффузии как атомов углерода, так и атомов железа. Этот тип превращения называется перлитным. В результате перлитного превращения образуются смеси феррита с цементитом: перлит, сорбит, троостит. Первая смесь получается при наименьших, а последующие – при увеличивающихся степенях переохлаждения аустенита. Смеси отличаются друг от друга размерами зерен (пластин) и свойствами. Перлит наиболее мягок и пластичен. Зерна троостита мельче, а твердость значительно выше, чем у перлита.

При переохлаждении до 220 – 500 ^оС распад аустенита идет, главным образом, за счет диффузии атомов углерода (диффузионная способность атомов железа резко снижается).

Кристаллическая решетка железа перестраивается почти бездиффузионным путем, поэтому кристаллы сильно измельчаются и приобретают игольчатый вид. Твердость и прочность стали при этом увеличиваются, а пластичность снижается. Такой тип превращения называют бейнитным или промежуточным.

Переохлаждение ниже 200 ^оС приводит к бездиффузионному превращению аустенита в пересыщенный углеродом раствор, называемый мартенситом, а тип превращения – мартенситным. Мартенсит – очень твердая хрупкая игольчатая структура. Таким образом, чем ниже температура, при которой происходит распад аустенита, тем сталь тверже, прочнее, тем ниже ее пластичность.

При нагреве мартенсита выше 250 ^оС образующаяся смесь феррита с цементитом имеет по сравнению с мартенситом значительно меньшую твердость, меньшие пределы прочности и текучести, но более высокую пластичность. Предел упругости достигает максимального значения при нагреве мартенсита до 300^оС. Полученные в результате распада мартенсита смеси феррита с цементитом имеют зернистое строение. Этим они отличаются от аналогичных смесей, полученных при превращении аустенита. Структуры, имеющие зернистое сторение, отличаются лучшим комплексом механических свойств.

Аналогичные процессы могут иметь место и при ТО некоторых других сплавов (меди с бериллием, алюминия с кремнием, титановых, магниевых сплавов и т. д.).