Основы термической обработки

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.

Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин и инструменты.

Основными видами термической обработки являются отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей.

Отжиг– термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной. Отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.

Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретного вида отжига. Скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика и лежит в пределах 30…200 °С/ч.

Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии – полиморфные превращения твердых растворов, распад твердого раствора по эвтектоидной реакции, переменная растворимость и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии. Затем его быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при снижении температуры.

Отпуск и старение– термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение, а термин «старение» - применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием. При этом температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения обычно не влияет на структуру и свойства сплавов.

Поскольку термообработка связана с изменением температуры, необходимо рассмотреть, какие процессы протекают в материалах при нагреве и охлаждении.

2.1.1. Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния

Принято температуры равновесных превращений, совершающихся в железе и сталях в твердом состоянии, обозначать буквой А с соответствующим индексом. Температуры фазовых равновесий указаны на диаграмме состояния Fe – Fe₃C, поэтому обозначения связаны с линиями этой диаграммы (рисунок 2.1).

Эвтектоидную температуру (линия PSK) обозначают А₁, температуру магнитного превращения – А₂ (линия МО), температуру линии GS – А₃, температуру полиморфного превращения Fe_g ® Fe_a (линия NJ) – А₄, температуру линии SE – А_m.

Вследствие гистерезиса температуры превращений при нагреве всегда выше соответствующих температур при охлаждении, поэтому введена дополнительная индексация: при нагреве – индекс c, при охлаждении – индекс r. Магнитное превращение не имеет гистерезиса.

Рассмотрим превращения, происходящие при нагреве в сталях с исходной равновесной структурой.

При нагреве до температуры А_С1 происходит растворение в феррите некоторого количества цементита в соответствии с линией предельной растворимости PQ (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. Обозначения температур фазовых превращений в сталях

При достижении температуры А_С1 в сталях начинается превращение перлита в аустенит. Кристаллы аустенита зарождаются преимущественно на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2. Схема зарождения и роста кристаллов аустенита при температуре А_С1

Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного a ® g - перехода и растворения в g-Fe кристаллов цементита. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, поэтому по завершении превращения аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется некоторое время.

Поскольку в каждой перлитной колонии имеется несколько центров кристаллизации аустенита, превращение при температуре А_С1 сопровождается измельчением зерна стали. Число зарождающихся при температуре А_С1 кристаллов аустенита возрастает с увеличением дисперсности перлита и скорости нагрева. В стали эвтектоидного состава перекристаллизация заканчивается после завершения превращения перлита в аустенит. В доэвтектоидных сталях при нагреве от А_С1 до А_С3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит, а в заэвтектоидных сталях при нагреве от А_С1 до А_Сm – растворение избыточного цементита в аустените.

Оба процесса сопровождаются диффузией углерода, приводящей к выравниванию концентрации и небольшому укрупнению зерен аустенита.

Повышение температуры стали в однофазной аустенитной области приводит к дальнейшему росту зерен аустенита – происходит процесс собирательной рекристаллизации.

Стали, имеющие грубую крупнозернистую структуру вследствие высокотемпературных нагревов, называют перегретыми. Перегрев исправляется повторной аустенизацией с нагревом до более низкой температуры.

2.1.2. Превращения переохлажденного аустенита

Увеличивая скорость охлаждения стали или, вводя в сталь легирующие элементы, можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, т. е. понизить температуру его превращения. От степени переохлаждения аустенита зависят механизм и кинетика превращения и, соответственно, структура и свойства продуктов превращения.

В технологических процессах термической обработки распад аустенита происходит в условиях непрерывного охлаждения или изотермически (при постоянной температуре).

Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяют на два типа:

1) диффузионные – перлитное и промежуточное (бейнитное);

2) бездиффузионное – мартенситное.

Кинетику диффузионных превращений удобнее изучать в изотермических условиях.

Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость превращения представляют графически в виде диаграмм. Эти диаграммы строят в координатах температура превращения – время. Обычно время откладывают на логарифмической шкале (рисунок 2.3).

Диаграммы строят на основе экспериментальных данных. Образцы сталей, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой средой, имеющей температуру ниже равновесной температуры превращения, и выдерживают до завершения превращения. При этом фиксируют изменение какого-либо свойства, чтобы определить время начала и конца превращения.

При температурах, меньших точки Кюри, следят за изменением магнитных свойств стали, так как они наиболее резко изменяются – аустенит парамагнитен, а продукты превращения ферромагнитны.

Рисунок 2. 3. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали

Основные закономерности перлитного превращения рассмотрим на примере эвтектоидной стали.

Изотермический распад аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от А_r1 (720 °С) до М_н (220…250 °С), где М_н – температура начала мартенситного превращения. Мартенситное превращение в эвтектоидной стали при постоянной температуре ниже точки М_н не происходит.

На диаграмме (рисунок 2.3) нанесены две линии, имеющие форму буквы «С» - С-образные кривые. Линия 1 указывает время начала превращения переохлажденного аустенита, линия 2 – конца превращения. Между линиями 1 и 2 находится область, в которой происходит превращение. Правее линии 2 находится область, в которой существуют продукты превращения аустенита. Превращение аустенита при температурах в интервале А_r1–550 °С называют перлитным, а превращение при температурах в интервале 550 °С – М_н – промежуточным.

Центры кристаллизации перлитных колоний возникают преимущественно на границах зерен аустенита, при этом перлитные колонии растут во все стороны (рисунок 2.4).

При перлитном превращении полиморфный переход g ® a сопровождается перераспределением углерода. Для образования цементита необходимо перемещение атомов углерода на расстояния, значительно больше межатомных расстояний.

Строение перлитной структуры от температуры превращения. С увеличением степени переохлаждения, в соответствии с общими законами кристаллизации, уменьшается размер образующихся кристаллов, т. е. возрастает дисперсность ферритно-цементитной смеси.

Рисунок 2.4. Схема роста перлитных колоний

Дисперсность перлитных структур принято оценивать межпластиночным расстоянием, за которое принимают среднюю суммарную толщину соседних пластинок феррита (Ф) и цементита (Ц) (см. рисунок 2.4).

Если превращение происходит при температурах более высоких, чем 650…670 °С, образуется сравнительно грубая смесь кристаллов феррита и цементита с межпластиночным расстоянием 500…700 нм. Такую смесь называют собственно перлитом (П).

Превращение при температуре 640…590 °С дает межпластиночное расстояние 300…400 нм, такую перлитную структуру называют сорбитом (С).

При температуре превращения 580…550 °С межпластиночное расстояние уменьшается до 100…200 нм, такую структуру называют трооститом (Т).

Указанное деление перлитных структур условно, так как дисперсность смесей монотонно увеличивается с понижением температуры превращения.

С увеличением дисперсности структур перлитного типа возрастают прочность и твердость стали. Лучшую пластичность и вязкость имеет структура сорбита.

В интервале температур промежуточного превращения аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом (Б).

Бейнит представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита. Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму.

Превращение в данном участке объема начинается с перераспределения углерода, в результате которого одни зоны зерен аустенита обедняются, а другие обогащаются углеродом.

С уменьшением количества растворенного углерода повышается температура мартенситного превращения, поэтому мартенситное превращение происходит в первую очередь в обедненных углеродом зонах g-твердого раствора.

В зонах твердого раствора, обогащенных углеродом, происходит выделение мелких (в виде коротких палочек) кристаллов цементита, а по мере обеднения аустенита углеродом также развивается мартенситное превращение.

Аустенит к моменту полиморфного превращения не полностью освобождается от избыточного углерода, поэтому кристаллы феррита, имеющие форму очень тонких пластин, несколько пересыщены углеродом.

Бейнит, образовавшийся при температуре 400…550 °С называют верхним, он имеет перистое строение.

Бейнит, образовавшийся при более низких температурах, называют нижним, он имеет пластинчатое строение.

Характерно, что промежуточное превращение не доходит до конца, часть аустенита остается непревращенной. Степень превращения убывает с повышением температуры.

Не превращенный аустенит либо сохраняется, либо превращается в мартенсит, что зависит от состава стали.

Верхний бейнит имеет неблагоприятное сочетание механических свойств.

Пониженная прочность из-за сохранения нераспавшегося аустенита сочетается с низкими пластичностью и вязкостью.

Высокой прочностью и одновременно достаточно высокими пластичностью и вязкостью обладает нижний бейнит, а именно бейнит, полученный при температуре на 50…100 °С выше мартенситной точки М_н.

Изотермическое превращение аустенита в доэвтектоидной и заэвтектоидной сталях (рисунок 2.5) отличается от превращения в эвтектоидной стали тем, что в верхнем интервале температур сначала выделяются избыточные фазы – феррит (в доэвтектоидной стали) или цементит (в заэвтектоидной стали).

Начало выделения избыточного феррита или цементита на диаграмме изотермического распада отмечается дополнительной кривой.

Количество выделяющейся избыточной фаза уменьшается с понижением температуры, и при некоторой степени переохлаждения распад начинается непосредственно с образования эвтектоида, который отличается от перлита иным составом.

а б в

Рисунок 2.5. Диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита: а – доэвтектоидная сталь (0,45 % С); б – эвтектоидная сталь (0,8 % С); в – заэвтектоидная сталь (1,2 % С)

2.1.3. Мартенситное превращение. Структура и свойства мартенсита

Область мартенситного превращения показана на диаграммах изотермического превращения ниже температуры М_н. Мартенситное превращение интенсивно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от М_н до М_к.

Малейшая изотермическая выдержка в этом интервале температур приводит к стабилизации аустенита, т. е. превращение не доходит до конца, и кроме мартенсита в структуре наблюдается так называемый остаточный аустенит.

Аустенит может оставаться в структуре также тогда, когда в углеродистой стали содержится больше 0,6 % С и охлаждение ведут только до 0 °С (рисунок 2.6).

Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо очень быстро и непрерывно охлаждать, применяя для этого холодную (лучше соленую) воду. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных и бейнитных структур.

Мартенсит (М) представляет собой неравновесную фазу – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (~5000 м/с).

Рисунок 2.6. Зависимость температур начала и окончания мартенситного превращения от содержания углерода в стали

Росту кристаллов мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7. Схема образования мартенситных пластин в одном аустенитном зерне

Академик Г.В. Курдюмов дал классическое определение мартенситному превращению: «…Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные».

В процессе мартенситного превращения углерод остается в твердом растворе, искажая кристаллическую решетку a-железа.

Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку.

На рисунке 2.8 крестиками показаны возможные места расположения атомов углерода.

Чем больше углерода было в аустените, тем большее число мест в элементарных ячейках мартенсита будет занято углеродом, и тем большими окажутся средние искажения кристаллической решетки.

Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворенного в нем углерода.

Рисунок 2.8. Тетрагональная ячейка кристаллической решетки мартенсита

На рисунке 2.9 показано влияние углерода на твердость мартенсита. По аналогичной кривой изменяется и временное сопротивление сталей.

Мартенсит имеет очень высокую твердость, равную или превышающую HRC_э 60, при содержании углерода, более 0,4 %. С увеличением содержания углерода возрастает хрупкость мартенсита.

Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объема. Весьма сильно изменяются и другие физические свойства.

Рисунок 2.9. Зависимость твердости мартенсита сталей от содержания углерода

2.1.4. Превращения в закаленных сталях при нагреве

В результате закалки сталей чаще всего получают структуру мартенсита с некоторым количеством остаточного аустенита.

При нагреве (отпуске) такой закаленной стали происходит несколько процессов:

1) распад мартенсита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов;

2) распад остаточного аустенита;

3) карбидное превращение;

4) коагуляция карбидов;

5) уменьшение несовершенства кристаллического строения и остаточных напряжений.

Фазовые превращения при отпуске принято разделять на три превращения в зависимости от изменения удельного объема стали. На рисунке2.10 схематично показано изменение длины закаленного образца углеродистой стали при отпуске.

Первое превращение происходит в интервале температур 80…200 °С, второе – 200…260 °С, третье – 260…380 °С.

Рисунок 2.10. Схема изменения длины цилиндрического образца стали с содержанием углерода более 0,6 % при отпуске

При первом превращении из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного e-карбида, имеющего гексагональную кристаллическую решетку и состав, близкий к Fe₂C. Превращение с очень малой скоростью идет и без нагрева. Уменьшение количества растворенного углерода снижает тетрагональность мартенсита – длина образца уменьшается.

При втором превращении одновременно происходит несколько процессов: продолжается распад мартенсита, распадается остаточный аустенит и начинается карбидное превращение. В мартенсите остается около 0,2 % растворенного углерода.

Распад аустенита происходит по бейнитному механизму и образуется смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. Начинается превращение e-карбида в цементит. При большом количестве исходного остаточного аустенита длина образца увеличивается.

При третьем превращении завершается распад мартенсита и карбидное превращение.

Из мартенсита выделяется весь пересыщающий углерод в виде карбидов, тетрагональность кристаллической решетки устраняется и мартенсит переходит в феррит.

В структуре остается только карбид цементитного типа. Оба процесса вызывают увеличение плотности стали – длина образца уменьшается.

Ферритно-карбидная смесь, образовавшаяся в конце третьего превращения, очень дисперсна и имеет примерно такую же твердость, как троостит. Ее называют трооститом отпуска.

Структуру стали, образовавшуюся при температурах первого и второго превращений, называют отпущенным мартенситом.

При более высоких температурах (380..700 °С) происходят изменения формы и размеров карбидов и структуры феррита. Если в интервале температур третьего превращения цементит имеет форму тонких пластин, то с повышением температуры происходит коагуляция – кристаллы цементита укрупняются (более мелкие кристаллы распадаются) и их форма приближается к сфероидальной.

В феррите устраняется высокая плотность дислокаций, созданная фазовым наклепом. Пластинчатые кристаллы феррита укрупняются за счет устранения границ и их форма приближается к равноосной.

Ферритно-карбидную смесь, которая образуется при температуре 450…650 °С, называют сорбитом отпуска. После отпуска при температуре, близкой к температуре А₁, образуется грубая ферритно-карбидная смесь – зернистый перлит.

При нагреве стали с дисперсными структурами перлита или бейнита происходит, коагуляция и сфероидизация карбидов. При отпуске бейнитных структур, помимо этого, происходит выделение карбидов из пересыщенного a-твердого раствора и изменение структуры феррита, как и при отпуске мартенсита.

Контрольные вопросы:

1. Что называется способностью, стали приобретать повышенную твердость при закалке?

2. Какой обработке подвергают сталь ШХ15 для стабилизации размеров подшипников?

3. Чем характеризуется «отдых»?

4. Чем характеризуется «старение»?

5. После охлаждения в какой среде закалочные напряжения меньше?

6. Какова скорость охлаждения углеродистых и легированных сталей?

7. Что такое термическая обработка?

8. Чем отличается перекристаллизация от рекристаллизации?