Основы термической обработки

Термическая обработка (ТО) – это технологический процесс, включающий нагрев стали до определенной температуры, выдержку во времени при этой температуре и последующее охлаждение с определенной скоростью. ТО обеспечивает получение различных структур и свойств без изменения химического состава стали.

При нагреве и охлаждении стали в области определенных температур происходит изменение ее структуры, а, следовательно, и свойств. Изменение структуры стали связано с полиморфным превращением железа Fe_α ↔ Fe_γ, а также с изменением растворимости углерода в железе при разных температурах.

Температуры, при которых происходят структурные превращения, называются критическими температурами (критическими точками). Впервые критические точки железа были определены в 1868 г. Д. К. Черновым. В 1888 г. французский ученый Флорис Осмонд предложил критические точки для стали обозначать буквой А (от франц. arrete – «остановка») с соответствующим превращению индексом.

В системе железоуглеродистых сплавов приняты следующие обозначения критических температур (рис. 6.1):

- А₁ (Ас₁ – при нагревании ставится индекс «с» от фр. choffage – «нагрев», Аr₁ – при охлаждении ставят индкс «r» от фр. refroidissment – «охлаждение») – температуры перлитно – аустенитного превращения П↔А, соответствующие лини PSK диаграммы состояния «железо – цементит»;

- А₃ (Ас₃, Аr₃) – температуры перехода феррита в аустенит и обратно Ф↔А (линия GS);

- А_m (Ас_m, Ar_m) – температуры растворения или образования вторичного цементита А↔А+Ц_II (линия SE).

При равновесном, т.е. достаточно медленном нагреве и охлаждении, структура стали в этих точках изменяется в соответствии с диаграммой состояния «железо – цементит».

Любой процесс термообработки может быть описан графиком в координатах «температура – время», включающем стадии нагрева, выдержки и охлаждения. При термообработке протекают фазовые превращения, которые определяют вид термической обработки.

Температура нагрева стали зависит от положения ее критических точек и выбирается по диаграмме состояния Fe – Fe₃С в зависимости от вида термической обработки. На рис. 6.1 показаны интервалы температур нагрева для различных видов термообработки.

Время нагрева до заданной температуры зависит, главным образом, от химического состава стали и толщины наиболее массивного сечения детали (в среднем 10 с на каждый миллиметр сечения).

Рис. 6.1. Нижняя «стальная» часть диаграммы Fe – Fe₃C с интервалами

температур нагрева для различных видов термообработки

Скорость охлаждения определяется по диаграммам изотермического распада аустенита, которые показывают кинетику превращения аустенита при разных температурах и влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость превращения в другие структуры. Эти диаграммы строят на основе экспериментальных данных в координатах «температура превращения – время» (рис. 6.2). Причем, для уменьшения ширины диаграммы, время откладывают на логарифмической шкале.

Рис. 6.2. Диаграмма изотермического распада аустенита стали 40 с

различными скоростями охлаждения V₁…V₅: 1 – линия начала

превращения аустенита в феррит; 2 – начало превращения аустенита

в перлит; 3 – кривая конца превращения аустенита в перлит; М_н и М_к –

линии начала и конца мартенситного превращения соответственно;

V_кр – критическая скорость закалки

На диаграмме нанесены линии, которые называют С – образными кривыми. Линия 1 указывает время начала превращения переохлажденного аустенита, а линия 3 – конец его превращения. У диаграмм доэвтектоидных сталей имеется промежуточная линия 2, левее которой из аустенита выделяется избыточная фаза – феррит. В области диаграммы, расположенной слева от линии 1, существует переохлажденный аустенит А_п. Между линиями 1 и 3 находится область, в которой происходят превращения, а правее линии 3 – область, в которой существуют продукты превращения аустенита. Устойчивость аустенита зависит от степени переохлаждения. Наименьшей устойчивостью (около 1 с) аустенит обладает при температурах, близких к 550 °С. При повышении или понижении температуры устойчивость аустенита возрастает.

Превращение аустенита в температурном интервале А₁ — М_н называют перлитным. При этих температурах в результате распада аустенита образуются пластинчатые структуры перлитного типа, т. е. структуры, состоящие из смеси кристаллов феррита и цементита.

Строение перлитной структуры зависит от температуры превращения. С увеличением степени переохлаждения уменьшается размер образующихся кристаллов, т. е. возрастает дисперсность ферритно-цементитной смеси. Степень переохлаждения аустенита тем больше, чем выше скорость охлаждения. Если векторы скоростей охлаждения V₁…V₅ нанести на диаграмму, то точки их пересечения с С-образными кривыми будут характеризовать начало и конец превращений.

Дисперсность перлитных структур оценивают межпластиночным расстоянием Δ₀, равным средней суммарной толщине соседних пластинок феррита и цементита.

Если превращения происходят со скоростями охлаждения V₁ и V₂ при температурах выше 650…700 °С, образуется перлит – структура, состоящая из относительно грубой смеси кристаллов феррита и цементита с межпластиночным расстоянием 0,5…1,0 мкм. Увеличение скорости охлаждения до V₃ обеспечивает превращение при температуре около 600 °С, что дает межпластиночное расстояние 0,25…0,30 мкм. Такую перлитоподобную структуру называют сорбитом. При температуре близкой к 550 °С (скорость V₄) образуется структура с межпластиночным расстоянием 0,10… 0,20 мкм, называемая трооститом.

С увеличением дисперсности структур перлитного типа возрастают прочность и твердость стали.

На диаграмме (рис. 6.2) имеется горизонтальная область мартенситного превращения, которое интенсивно протекает при непрерывном охлаждении стали в интервале температур от М_н до М_к. Для получения мартенситной структуры углеродистые стали необходимо очень быстро и непрерывно охлаждать, чтобы переохлажденный аустенит А_п сохранился до температуры М_н. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных структур, т.е. предотвратить попадание вектора скорости охлаждения в область перлитных превращений аустенита между С–образными кривыми.

Диаграммы изотермического распада аустенита позволяют определить минимальную скорость охлаждения, называемую критической скоростью закалки — V_кр (рис. 6.2), при которой аустенит превращается в особую неравновесную фазу – мартенсит. Эту структуру получают при охлаждении стали со скоростью выше критической, например, V_5.