Влияние различных видов термической обработки на свойства конструкционной стали.

    Термическая обработка проводится для изменения свойств стали (прочности, твердости, пластичности, вязкости). Эти свойства зависят от структуры стали после термической обработки.

    После отжига, отпуска, нормализации (отпуск с охлаждением на воздухе) структура стали состоит из пластичного феррита и цементита, обладающего высокой твердостью и хрупкостью. Включения карбидов оказывают упрочняющее действие на стали. При малом числе цементитных включений стали пластичны и имеют невысокую твердость. Измельчение частиц цементита при термической обработке приводит к упрочнению стали. При укреплении частиц цементита увеличивается способность стали к пластической деформации.

    Повышение температуры отпуска закаленных изделий, ведущее к укрупнению цементитных частиц, снижает прочность. Прочность снижается при уменьшении скорости охлаждения в процессе закалки или повышении температуры из термического распада.

    После закалки структура стали состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Твердость определяется твердостью мартенсита и его количеством. Пластичность закаленной стали зависит не только от содержания мартенсита, но и от его дисперсности (размера игл). Для обеспечения высокого комплекса механических свойств стремятся получить после закалки мелкоигольчатую структуру, что достигается при мелкозернистой структуре аустенита до превращения.

     Твердость стали зависит от температуры изотермического распада аустенита. Чем ниже температура изотермического распада аустенита, тем выше дисперсность перлитных фаз и вследствие этого выше твердость стали.

     Заключительной операцией термической обработки является отпуск. При отпуске стальное изделие приобретает свои окончательные свойства. Чем выше температура отпуска, тем ниже прочность и выше пластичность стали. Наибольшая пластичность соответствует отпуску при температуре 600—650°С.

     Свойства стали после закалки и высокого отпуска оказываются выше по сравнению с отожженной или нормализованной сталью.

     Двойная термическая обработка, состоящая в закалке с последующим высоким отпуском, ведущая к существенному улучшению общего комплекса механических свойств, называется улучшением и является основным видом термической обработки конструкционных сталей.

Термической обработкой называют совокупность операций нагрева, выдержки и последующего охлаждения изделий из металлов и сплавов. Задача термической обработки – путем нагрева и охлаждения вызвать требуемые изменения структуры и как следствие свойств. Наиболее распространенными видами термической обработки являются отжиг, нормализация и закалка с отпуском.

Режимы термических обработок характеризуются следующими параметрами: временем (скоростью) нагрева τ_н  до требуемой температуры t_mp.н, временем выдержки τ_в и временем охлаждения τ_о (охлаждение с заданной скоростью снижения температуры).

Скорость нагревания зависит от химического состава стали исходного состояния и сложности конфигурации изделия. Требуемая температура нагрева в основном определяется на основании диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

 Выдержка при температуре нагрева должна обеспечивать полный прогрев изделия по всему объему для завершения фазовых превращений, растворения карбидов и выравнивания температуры и химического состава во всех сечениях. Условия (скорость) охлаждения при каждом виде термической обработки различны.

 Изделия несложных конфигураций из углеродистых и малолегированных сталей с низким углеродом можно нагревать относительно быстро: загружать изделия в предварительно нагретую до требуемой температуры печь. В этом случае общее время нагревания и выдержки при заданной температуре обычно исчисляют из расчета 1 минута на 1мм толщины в наибольшем сечении изделия из углеродистых сталей. Для малоуглеродистых легированных сталей в связи с их пониженной теплопроводностью* это время увеличивается на 25…40 % .

 Традиционными видами термической обработки изделий из конструкционных и инструментальных сталей являются отжиг, нормализация, закалка в сочетании с тем или иным вида отпуска.

Отжиг

Отжигом называют вид термической обработки, заключающейся в нагреве выше критических температур с последующим медленным охлаждением (обычно вместе с выключенной печью).

В зависимости от температуры нагрева отжиг подразделяют на полный (нагрев выше верхней критической температуры) и неполный (выше нижней критической температуры). Доэвтектоидные стали подвергают обычно только полному отжигу (нагрев на 30…50^оС выше А_С3), заэвтектоидные стали – неполному (нагрев на 50…70^оС выше А_С1).

                                Нормализация

Нормализацией называют вид термической обработки, включающей нагрев выше верхних критических точек доэвтектоидных сталей на 30…50^оС, заэвтектоидных – 50…70^оС с последующим охлаждением на воздухе.

Микроструктура доэвтектоидных сталей перлитного класса после нормализации по фазовому составу получается такой же, как и после отжига, только более мелкозернистой вследствие ускоренного охлаждения на воздухе. Это способствует повышению твердости и прочности нормализованных сталей (по сравнению с отожженными) примерно на 10…15%.

                                             Закалка

Закалкой называют вид термической обработки, заключающейся в нагреве сталей выше критических температур с последующим охлаждением со скоростями больше критических или критическими. При этом аустенит превращается в мартенсит, представляющий собой пересыщенный раствор углерода в тетрагональной α-решетке.

Указанные скорости охлаждения обеспечиваются применением соответствующих охлаждающих сред.

Закалку подразделяют на полную (нагрев на 30…50^оС для доэвтектоидных и на 50…70^оС для заэвтектоидных сталей выше верхних критических температур) и неполную (нагрев на 30…50^оС или на 50…70^оС соответственно выше нижней критической температуры).

Закалка, вследствие больших остаточных напряжений в закаленных изделиях, высокой хрупкости мартенсита, не является окончательной термической обработкой. Поэтому закаленные изделия подвергают дополнительной термической обработке, называемой отпуском.

                          Отпуск закаленных сталей

Отпуском называют вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленных сталей до температур, не превышающих А_СI.

По температуре нагрева отпуск подразделяют на:

- низкотемпературный (НТО) – до 200 (250) ^оС;

- среднетемпературный (СТО) – 350…450 (480) ^оС;

- высокотемпературный (ВТО) – 500…650 (680) ^оС.

Закалка с высокотемпературным отпуском называется термическим улучшением (или просто улучшением).

Температура, время выдержки и скорость охлаждения после отпуска выбирается в зависимости от характера и назначения изделия, химического состава стали и требований к свойствам.