Основные теоретические представления

Термической обработкой стали называется технологический процесс, состоящий из нагрева стали до определенной температуры, выдерж­ки и последующего охлаждения с заданной скоростью. При термической обработке получают необходимые свой­ства стали, изменяя ее структуру без изменения хими­ческого состава.

Любой режим термической обработки может быть представлен графически в координатах температура - время. Температура нагрева углеродистой стали, ориен­тировочно в зависимости от содержания углерода, вы­бирается по диаграмме железо - цементит (рис. 1), по справочным данным и уточняется экспериментальным путем. Время определяется расчетом, по справочным данным и опытом. Основные виды термической об­работки - отжиг, нормализация, закалка и отпуск. В настоящей работе рассматриваются только отжиг, нормализация и закалка, т.е. те виды термообработки, которые осуществляются за счет превращений аустенита при охлаждении.

Отжигом стали назы­вают термическую обработ­ку, при которой доэвтектоидную сталь нагревают выше критической точки АС3, а заэвтектоидную - выше АС1 на 30...50°С (см. рис. 1) и пос­ле выдержки медленно ох­лаждают в печи. При этом получают наиболее равно­весные структуры: феррит с перлитом, перлит или перлит с цементитом. Основное назначение отжига - перекристаллизация зерна стали, снижение твердости и снятие внутренних напряже­ний.

Нормализацией стали называют нагрев доэвтектоидных сталей выше критической точки АС3, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей - выше крити­ческой точки АСМ на 30...50°С с непродолжительной вы­держкой и последующим охлаждением на воздухе. После нормализации углеродистые стали имеют ту же струк­туру, что и при отжиге, но перлитные смеси получаются более мелкодисперсными, так как распад аустенита происходит при больших степенях переохлаждения. Цель нормализации - перекристаллизация зерна стали, снятие внутренних напряжений, подготовка стали к дальнейшей пластической деформации, механической или термической обработке. Нормализация - дешевый и простой вид термической обработки углеродистых сталей, содержащих менее 0,5...0,6% С, при подготовке их к обработке резанием и может заменять отжиг. В заэвтектоидных сталях нормализация с температуры выше АСМ предназначена для устранения цементитной сетки.

Закалкой называется термообработка, состоящая из нагрева доэвтектоидных сталей выше критической точки АС3, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей выше АС1 на 30...50°С, выдержки при данной температуре и последующего охлаждения со скоростью больше критической (минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая превращение переохлажденного аустенита в мартенсит). При скорости охлаждения больше критической углерод не успевает выделиться из кристаллической решетки (в соответствии с ее перестройкой из g-железа в a-железо), в результате чего образуется однофазный перенасыщенный твердый раствор углерода в a-железе, который получил название мартенсита.

Рис.1.Температурные ин­тервалы термической обработки стали.

При этом наблюдаются значительные искажения пространственной решетки, создается высокая плотность порогов дислокации, нарушается равенство межатомных сил и в стали накапливается значительная внутренняя потенциальная энергия. Сталь приобретает высокую твердость, но ее пластичность при этом падает. В зависимости от температуры нагрева стали различают следующие виды закалок.

Полная закалка - нагрев стали выше критической точки АС3 на 30...50°С с последующим охлаждением со скоростью больше критической. Структура стали при этом состоит из мелкоигольчатого мартенсита, а при со­держании углерода более 0,6%, кроме мартенсита, имеется небольшое количество остаточного аустенита. Пол­ная закалка применяется только для доэвтектоидных сталей.

При нагреве доэвтектоидных сталей между линиями АС1 и АС3 получается структура, состоящая из аустени­та и феррита, и поэтому после закалки в этой области температур структура состоит из мартенсита и феррита. Такая закалка называется неполной. Наличие феррита ведет к снижению твердости закаленной стали и не вызы­вает заметного увеличения ударной вязкости. Подоб­ный технологический процесс термической обработки – брак производства.

Перегрев стали, т.е. нагрев ее до температур, пре­вышающих температуры критической точки АС3 на 150... 200°С, вызывает рост зерен аустенита, что увеличивает склонность стали к появлению деформации и образова­нию трещин при закалке. Структура такой стали сос­тоит из крупноигольчатого мартенсита и обладает пони­женной ударной вязкостью.

Неполная закалка применяется для заэвтектоидных сталей; нагрев стали выше критической точки АС1 на 30...50°С с последующей выдержкой и охлаждением со скоростью больше критической. Структура заэвтектоидной стали после неполной закалки состоит из мартен­сита, вторичного цементита и остаточного аустенита. Цементит обладает высокой твердостью и не снижает твердости закаленной стали; аустенит, наоборот, мягче мартенсита и снижает общую твердость. Закалка заэвтектоидных сталей с температур, превышающих линию АСМ, ведет к получению крупноигольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита. Такая структура создает в стали повышенные внутренние на­пряжения, коробление, трещины и пониженную удар­ную вязкость. Повышение содержания углерода в заэвтектоидных сталях значительно снижает линии начала и конца мартенситных превращений (рис. 2). Конец мартенситного превращения оказывается в области от­рицательных температур, что приводит к увеличению ко­личества остаточного аустенита при закалке.

Охлаждающими средами при закалке стали служат вода, водные растворы солей, щелочей, кислот, масло. В воде закаливают углеродистые стали, содержащие более 0,3% С. При меньшем содержании углерода эти стали практически не закаливают, так как скорость охлаждения стали даже в воде меньше необходимой критичес­кой скорости закалки. Аустенит только частично превращается в мартенсит или в феррито-цементитную смесь. Масло охлаждает металл медленнее, чем вода, и в нем обычно закаливают высокоуглеродистые и легированные стали, которые имеют небольшую критическую скорость закалки.

Рис. 2. Зависимость по­ложения линий мартенситных превращений от концентрации углерода в стали