Основные теоретические представления

Целью термической обработки стали, является изменение свойств путем изменения ее фазового состава и структуры. Термическая обработка стали, заключается в нагреве выше или ниже критических точек стали, выдержке её в нагретом состоянии и последующем охлаждении с заданной скоростью. В зависимости от условий охлаждения из аустенитного состояния возможно образование различных фазовых и структурных составляющих.

При небольших скоростях охлаждения развивается диффузионное аустенито-перлитное превращение, продуктами которого являются двухфазные структурные составляющие: перлит, сорбит, троостит, представляющие собой феррито-цементитные смеси различной степени дисперсности образующих их кристаллов. Наибольшей степенью дисперсности (наименьшим размером кристаллов) и, как следствие, наиболее высоким уровнем механических свойств обладает троостит. Наименьшую степень дисперсности имеет перлит. Твердость перлита HRC 10, сорбита HRC 25, троостита HRC 40. Феррито-цементитные смеси (перлит, сорбит, троостит), полученные в результате диффузионного превращения аустенита, имеют пластинчатое строение. После обычного травления с использованием универсального реактива – 4%-ного раствора азотной, кислоты в этиловом спирте, при наблюдении в световой микроскоп при увеличении более 500 раз пластинчатый перлит выглядит в виде чередующихся светлых пластин феррита и цементита, причем ширина цементитных пластин приблизительно в 7 раз меньше ширины пластин феррита. При уменьшении разрешающей способности микроскопа в связи со слиянием растравленных границ между ферритом и цементитом, последний выглядит в виде темных пластин, поэтому очень часто на схеме микроструктуры перлит изображают в виде чередующихся светлых пластин феррита и темных пластин цементита. При совсем малых увеличениях перлит наблюдается в виде зерен серого цвета. Двухфазное пластинчатое строение троостита не выявляется при увеличениях светового микроскопа, эта структурная составляющая наблюдается в виде зерен темного цвета. Различие в строении сорбита и троостита отчетливо обнаруживается при исследовании с помощью электронного микроскопа.

Равновесная структура стали, соответствующая диаграмме состояния железо-цементит, формируется в результате отжига, заключающегося в нагреве стали выше критических точек, выдержке в нагретом состоянии и последующем медленном (вместе с печью) охлаждении. Такой отжиг с фазовой перекристаллизацией называют отжигом 2-го рода в отличие от отжига 1-го рода без фазовой перекристаллизации. В зависимости от степени полноты перекристаллизации стали различают полный отжиг (нагрев выше линии GSE на 30-50°С в однофазную область аустенита) или неполный (нагрев выше линии PSK на 30-50°С в двухфазные области: аусгенит + феррит и аусгенит + вторичный цементит соответственно для до- и заэвтектоидной стали). В результате полного отжига доэвтектоидная сталь приобретает мелкозернистую равновесную структуру феррита и перлита с высокой пластичностью и вязкостью. Для заэвтектоидных сталей полный отжиг с нагревом выше линии SE (точка А_cm), как правило, не производится, так как при этом вторичный цементит выделяется в виде сплошной сетки по границам зерен. Сталь с такой структурой обладает повышенной хрупкостью, d также большей склонностью к деформациям и трещинам при закалке.

Разновидностями отжига 2-го рода являются также отжиг на зернистый перлит - нагрев выше точки А_С! на 10-30°С, выдержка при этой температуре и последующее медленное охлаждение (от 740-760 до 620-680°С со скоростью порядка 30-50°С/ч) и нормализационный отжиг (нормализация) - нагрев доэвтектоидной стали на 30-50°С выше точки А_сз и заэвтектоидной - на 30-50°С выше точки А_cm, выдержка при этой температуре и последующее ускоренное охлаждение на спокойном воздухе.

Отжигу на зернистый перлит могут подвергаться эвтектоидная, до- и заэвтектоидные стали. Установлено, что однородный (гомогенный) аустенит при охлаждении превращается в пластинчатый перлит, неоднородный аустенит – в зернистый перлит, представляющий собой при наблюдении в микроскоп светлые округлой формы цементитные включения на белом фоне феррита. Температура нагрева при отжиге на зернистый перлит не обеспечивает полную гомогенизацию аустенита. В стали сохраняются микрообъемы аустенита с повышенным содержанием углерода – не растворившиеся полностью при нагреве частицы цементита, которые и служат центрами кристаллизации цементита глобулярной формы. Зернистый перлит по сравнению с пластинчатым обладает несколько пониженной твердостью, но более высокими значениями характеристик пластичности, а также меньшей склонностью к образованию трещин и деформаций при закалке.

Нормализация доэвтектоидной стали, как и полный отжиг, вызывает полную перекристаллизацию стали, но охлаждение при этом производится с несколько повышенной скоростью, в связи, с чем перлит становится более дисперсным, тонкопластинчатым и несколько уменьшается размер зерен феррита и перлита. При этом незначительно увеличиваются твердость, характеристики прочности и уровень внутренних напряжений. Поэтому крупные детали и слитки целесообразно подвергать полному отжигу. Для заэвтектоидных сталей нормализацию применяют с целью устранения сетки вторичного цементита. Растворенный при нагреве стали, выше точки А_cmваустените вторичный цементит при последующем ускоренном охлаждении не успевает выделиться в виде сплошной сетки по границам зерен аустенита.

При больших скоростях охлаждения, превышающих так называемую критическую скорость закалки (определяемую как касательную к кривой начала диффузионного превращения аустенита на термокинетической диаграмме), происходит сдвиговое бездиффузионное мартенситное превращение, лежащее в основе закалки. Последняя заключается в нагреве стали выше критических точек, выдержке в нагретом состоянии и последующем быстром охлаждении с закритической скоростью. В результате закалки формируется однофазная структурная составляющая –мартенсит, представляющий собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе и имеющий объемноцентрированную тетрагональную кристаллическую решетку. В связи со сдвиговым характером мартенситного превращения содержание углерода в мартенсите равно содержанию углерода в исходном аустените. Мартенсит имеет характер­ное игольчатое строение, обычно с определенной ориентировкой игл (под углами 60 и 120°). Удельный объем мартенсита больше, чем аустенита. Поэтому по мере образования мартенсита аустенит испытывает возрастающее всестороннее сжатие, и на определенной стадии развитие мартенситного превращения прекращается. В связи с этим в структуре стали наряду с мартенситом, имеется небольшое количество так называемого остаточного аустенита. Его количество в сталях с содержанием углерода более 0,6% может быть значительным в связи с тем, что температура конца мартенситного превращения М_к этих сталей лежит ниже нормальной (комнатной).

Различают полную (нагрев выше линии GSE на 30-50°С в однофазную область аустенита) или неполную (нагрев выше линии PSK на 30-50°с в двухфазные области: аустенит + феррит или аустенит + цементит соответственно для до- и заэвтектоидной спали) закалку.

На практике для повышения твердости, прочности применяют полную закалку доэвтектоидной стали и неполную для заэвтектоидной. В последнем случае не происходит растворение вторичного цементита в аустените, рост аустенитного зерна, значительное пересыщение мартенсита углеродом, формирование структуры крупноигольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита (30% и более), снижающего твердость стали. При охлаждении со скоростью ниже критической возможно получение смешанной структуры, состоящей из продуктов перлитного и мартенситного превращений (троостита и мартенсита). Их соотношение можно оценить, используя методы количественной металлографии.

Рис. 1.Термокинетическая диаграмма превращения аустенита эвтектоидной стали

Поскольку условия охлаждения стали из аустенитного состояния определяют образование различных структурных составляющих, то, наложив кривые охлаждения на термокинетическую диаграмму (диаграмму превращения аустенита при непрерывном охлаждении), можно оценить вероятное структурное состояние (рис.1).

В случае охлаждения со скоростью V₆, превышающей критическую скорость закалки V_KP, образуется мартенсит. Если же скорость охлаждения V₅ меньше V_KP, но больше V₄, то структура является смешанной, состоящей из мартенсита и троостита.

Полученная в результате закалки мартенситная структура обладает значительным уровнем остаточных напряжений, высокой твердостью, прочностью и хрупкостью. Поэтому для снижения остаточных напряжений закаленную сталь подвергают отпуску, заключающемуся в нагреве закаленной стали ниже критической точки А_с1, выдержке при этой температуре и последующем (обычно на воздухе) охлаждении. Неравновесная однофазная структура мартенсита постепенно переходит в более равновесное структурное состояние мартенсита отпуска (при низком отпуске 150-250°С), троостита отпуска (при среднем отпуске 350-450°С), сорбита отпуска (при высоком отпуске 550-650°С).

Мартенсит отпуска представляет собой слабо пересыщенный (С~0,25%) твердый раствор внедрения углерода в α-железе с когерентными его решетке выделениями е-карбида переменного состава, обладающий большей способностью к травлению по сравнению с мартенситом. Наличие карбидной фазы в мартенсите отпуска выявляется методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Образуемые при отпуске феррито-цементитные смеси – троостит отпуска и сорбит отпуска – имеют зернистое строение в связи с округлой формой частиц карбидной фазы в отличие от имеющих пластинчатое строение троостита и сорбита, образуемых в результате диффузионного превращения переохлажденного аустенита. Строение высокодисперсной смеси троостита практически не выявляется при микроструктурном исследовании вследствие высокой дисперсности кристаллов. Распад мартенсита на феррито-цементитную смесь происходит внутри кристаллов мартенсита, и в ряде случаев игольчатый характер структуры сохраняется до высоких температур отпуска, при нагреве выше 550-600°С игольчатая ориентировка исчезает.