Превращения в стали при равновесном нагреве и охлаждении.

На диаграмме состояний железо—углерод стали занимают область до 2,14% С. Для того чтобы при термообработке стали реализо­вать возможности, предоставляемые аллотропическими превращениями, ее следует нагревать до температур, при которых происходят эти превращения и обусловленные ими очень важные структурно-фазовые изменения. Сталь нагревают в специальных термических печах с пламенным или электрическим обогревом. Первое превращение стали происходит при тем­пературе около 727 °С. Оно состоит в превра­щении феррито-цементитной смеси (перлит) в аустенит, являющийся твер­дым раствором внедрения углерода в γ-Fe, содержащий при этой температу­ре 0,8% С независимо от количества последнего в обрабатываемой стали.Температура превращения перлит—аустенит (П—А) является первой критической точкой (обозначают Ас¹). При этой температуре, вследствие аллотропического превращения a-Fe -> γ-Fe, образуется более равновесная, чем перлит, фаза аустенита, обладающая меньшим запасом свободной энер­гии. В ней растворяется весь находившийся в перлите углерод. При нагреве стали до точки Ac1 после определенной вы­держки сталь приобретает равновесный двухфазный состав соот­ветственно: Ф_0,02 + П 0,8 → Фо,о2 + A o,8 (доэвтектоидная сталь) или По_,8 + Ц б,б7—> А о,8 + Ц б,б7 (заэвтектоидная сталь). При этом в феррите содержится около 0,02% С (точка Р), в аустените — 0,8% С (точка S), в цементите — 6,67% С. При дальнейшем повышении температуры поддержание равновесия между образовавшимися фазами обеспечивается диффузионными измене­ниями их химического состава. Так, в доэвтектоидных сталях составы фер­рита и аустенита изменяются соответственно по линиям PG и SG (т. е. в них фактически происходит растворение Ф в А). В заэвтектоидных сталях равновесие между аустенитом и цементитом с ростом температуры поддерживается за счет растворения Ц в А, приводяще­го к обогащению аустенита углеродом (вплоть до 2,14% С в точке Е) и уменьшению количества цементита. На линиях SG и SE находятся критические температуры, при которых сталь приобретает равновесную однофазную структуру аустенита. Точки, лежащие на линии SG, принято обозначать Ас₃, а на линии SE — АСт. При дальнейшем на­греве доэвтектоидных сталей, начиная с температур, равных Ас₃ + (30—50) °С, наблюдается заметный рост зерна аустенита, приводящий к снижению прочности термически обработанной стали. В заэвтектоидных сталях это неблагоприятное явление происходит, начиная с температур нагрева Ac1 + (30—50) °С. В связи с изложенным температуры нагрева стали при термической об­работке обычно ограничиваются вышеуказанными величинами. В соответствии с режимом термообработки после нагрева и выдержки стали при заданной, зависящей от содержания углерода температуре следует процесс охлаждения аустенита. По достижении определенной температуры (точки на линии SG) аустенит начнет распадаться (А -» Ф + А) и сталь снова будет состоять из двух фаз (Ф + А). Данный процесс протекает равновесно, если их химический состав изменяется соответственно по линиям PG и SG. Достигаемая при охлаждении критическая температура, соответствую­щая началу выпадения феррита из аустенита, обозначается критической точ­кой Агз. Ее величина зависит от содержания углерода в стали. Когда температура достигнет изотермы PSK, равновесный фазовый со­став стали будет представлен ферритом и аустенитом, содержащими соот ветственно 0,02 и 0,8% С. При температуре, обозначаемой критической точкой Аr_1, аустенит пре­вращается в перлит. Заметим, что феррит и цементит перлита, образующего­ся при распаде аустенита, имеют форму чередующихся пластинок.. Таким образом, при равновесном охлаждении получается исходный рав­новесный структурно-фазовый состав доэвтектоидной стали: Ф + П. Аустенит заэвтектоидной стали после равновесного охлаждения пре­вращается в исходную смесь перлита и цементита (П + Ц). При этом начиная с температур, лежащих на линии SE, из него будет выделяться избыточный углерод в виде вторичного цементита, а при температуре Аr1, он по уже зна­комой реакции превратится в перлит: А о,8 -> Фо,о2 + Цб,б7 (и сталь приобретает свою исходную равновесную заэвтектоидную структуру: П + Ц).

16.Диаграмма состояния железо-углерод дает представление о строении железоуглеродистых сплавов- сталей и чугунов. Содержание углерода в диаграмме Fe — С (цементит) ограничивается 6,67%, так как при этой концентрации образуется химическое соединение — карбид железа (Fe₃C) или цементит, который и является вторым компонен­том данной диаграммы. Система Fe—Fe₃C метастабильная. Образование цементита вместо гра­фита дает меньший выигрыш свободной энергии, но кинетическое образова­ние карбида железа более вероятно.

Точка А (1539 °С) отвечает температуре плавления железа, точка D (1500 °С) — температуре плавления цементита, точки N (1392 °С) и G (910 °С) соответствуют полиморфному превращению Fe а ↔ Fe r. Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния следующая: В — 0,51% С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с 8-ферритом (Fe _{δ ( С)} ) и аустенитом (Fe γ(C)), при перитектиче-ской реакции и при 1499 °С; Н— 0,1% С в 8-феррите при 1490 °С; J — 0,16% С — в аустените-перитектике при 1490 °С; Е — 2,14% С предельное содержание в аустените при 1147 °С; S — 0,8% С в аустените при реакции эвтектоидного превращения 727 °С; Р — 0,02% С — предельное содержание в феррите (Fe а(C)) при 727 °С.

Линии диаграммы состояния Fe—Fe₃C имеют следующие обозначения: АВ (линия ликвидуса) указывает температуру начала кристаллизации 5-фер-рита из жидкого сплава; ВС (линия ликвидуса) — температуру начала кри­сталлизации аустенита (А) из жидкого сплава; CD (линия ликвидуса) —нача­ло кристаллизации первичного цементита (Fe₃C) из жидкого сплава, следова­тельно, вся линия ликвидуса — ABCD.

Теперь рассмотрим линию солидуса АН, которая является температур­ной границей области жидкого сплава и кристаллов 8-феррита; HJB — линия перитектической реакции — Ж_в + Ф_н 1490 °С Aj, т. е. жидкий расплав состава В взаимодействует с кристаллами δ-феррита состава Н с образовани­ем аустенита состава J.

Линия ECF (линия солидуса) соответствует кристаллизации из жидкой фазы ледебурита — эвтектики: Ж_с 1147ºС Л(А_Р + Fe₃C)-ледебурит итак, линия солидуса AHJECF. Линия PSK эвтектоидного превращения: Аs 727ºС Фр+Fe3C- перлит при охлаждении идет распад аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида (перлит). У Fe_а(C) и Fe_δ(C) один и тот же тип кристаллической решетки — ОЦК, твердый раствор внедрения углерода в Fe8(C) называют высокотемператур­ным ферритом. Fe _γ (C) имеет решетку ГЦК, твердый раствор внедрения угле­рода в Fe _γ(C). По своим свойствам феррит достаточно мягок и пластичен (НВ 650—1300; σ в = 300 МПа; δ= 30%), магнитен до 768 °С (линия МО); аустенит (НВ 2000—2500; δ = 40—50%) не магнитен. Цементит (Fe₃C) тверд, но очень хрупок (НВ > 8000), имеет сложную орторомбическую кристаллическую решетку, это химическое соединение железа с углеродом. В системе (Fe—С) имеются две большие группы сплавов: стали и чугуны. Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С; сплавы с большим содержанием углерода называют чугунами. Сталь, содер­жащую 0,8% С, называют эвтектоидной. Если в стали углерода менее 0,8%, то ее называют доэвтектоидной, а при содержании углерода более 0,8%, но < 2,14% С — заэвтектоидной. Структура доэвтектоидной стали (рис. 4.2, а) состоит из феррита (светлая составляющая) и перлита, структура эвтектоидной сталисостоит только из перлита; структура заэвтектоидной сталисостоит из перлита (темная составляющая) и цементита вторичного (светлая составляющая в виде сетки). Перлит имеет пластинчатое строение, кристаллы цементита перемежа­ются с кристаллами феррита. Эвтектоидную смесь, состоящую из феррита и цементита, называют перлитом. Необходимо помнить, что в реакции эвтек­тоидного превращения нет жидкой фазы и ее можно записать в следующем виде: Fe _γ(C)₀,₈ 727 ºС Fe_а(C) _0,02 + Fe₃C - перлит. Механические свойства перлита: НВ 1800, σ_в = 800 МПа, 5 =10%. Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Чугун, содержащий углерода больше 2,14%, но меньше 4,3%, на­зывают доэвтектическим. Чугун, содержащий 4,3% С, называют эвтектиче­ским, а при содержании углерода более 4,3%, но менее 6,67% — заэвтектическим. Доэвтектический чугунимеет структуру перлита, леде­бурита (перлит + цементит) и вторичного цементита. Эвтектический чугун состоит только из ледебурита ( перлит + цементит). заэвтектический чугун состоит из первичного цементита, имеющего форму пластин, и ледебурита ( перлит + цементит).

17.Общие положения термической обработки.Под термической обработкой понимают комплекс операций нагрева и охлаждения сплава, осуществляемых по определенному режиму с целью изменения его строения и получения заданных свойств. Основу термической обработки составляет изменение структурно фазового состава и дислокационной структуры сплава, Которое может быть достигнуто путем использования таких ключевых факторов, как наличие в нем аллотропических превращений или зависящей от температуры ограниченной взаимной растворимости компонентов. основой технологии термической обработки, является ее режим. Он включает в себя следующие элементы: температуру нагрева, скорость нагрева до заданной температуры, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения. Конкретные величины, характеризующие каждый из элементов режима термообработки, зависят от хим.состава обрабатываемого сплава, размера детали и целевого назначения выполняемого вида термообработки. От темпер.нагрева зависит характерпроисходящих в сплаве превращений и сама возможность получения после термообработки требуемой структуры. Она выбирается в зависимости от химического состава сплава и цели производимой термообработки. Скорость нагрева выбирается таким образом, чтобы обеспечить минимальные потери времени на нагрев. И в то же время ее величина дожна исключить возникновение в обрабатываемой детали опасных термических напряжений, могущих привести к короблению и растрескиванию детали, что наблюдается при слишком быстром нагреве. Скорость нагрева зависит от теплопроводности обрабатываемого сплава, которая, в свою очередь, определяется его химическим составом. Время выдержки детали по достижению заданной температуры должно быть достаточным для ее прогрева от поверхности до сердцевины в наибольшем сечении, а также для полного завершения в сплаве тех, имеющих диффузионный характер структурно- фазовых превращений, которые должны происходить в нем при заданной тепературе. Скорость охлаждения при термической обработке является очень важным элементом режима, от которого зависят особенности приобретаемой сплавом фазовой и дислокационной структуры. Она должна быть достаточной для протекания в сплаве необходимых превращений, но не слишком большой во избежание опасных термических и фазовых напряжений, могущих вызвать растрескивание или деформацию детали.

18.Классификация видов термической обработки.Существует несколько видов термической обработки, такие как отжиг, нормализация, и закалка. Важным видом термообработки. Выполненном после закалки, является отпуск. Наиболее распространенной разновидностью отжига явл.обыкновенный отжиг. Который производится с целью умягчить сталь перед механической обработкой и подготовить ее структуру к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска. этому отжигу подвергаются имеющие неблагоприятную грубозернистую структуру литые заготовки, а также заготовки, прошедшие ковку, штамповку и др.виды обработки давлением, также нуждающиеся в исправлении структуры. Диффузионный отжиг, является разновидностью отжига, применяемого с целью устранения в легированной стали дендритной ликвации. Рекристаллизационныйотжиг. Этот вид отжига производится с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла. Нормализацияособенностями режима этого вида термообработки является температура нагрева и охлаждение на спокойном воздухе.Закалка. Предпологает такую термообработку,при которой сталь приобретает неравновесную структуру, что прежде всего выражается в повышении твердости стали. Отпуск стали.Отпуском называется операция нагрева закаленной стали для уменьшения имеющихся в ней остаточных напряжений и придания ей комплекса механических и других свойств. Которые необходимы для долголетней эксплуатации изделия. Бывают три вида отпуска: низкотемпературныйотпуск производится при температуре 150-180 С, а для легированных сталей до-250 С. В этом случае при низкой интенсивности диффузионных процессов в мартенсите происходит только начальная стадия к его переходу в равновесное состояние. Среднетемпературныйотпуск производится при температуре от350-450 С. При таком нагреве завершается распад мартенсита. Приводящий к образованию нормальных по составу и внутреннему строению феррита и цементита. Высокотемпературныйотпуск осуществляется при 500-650 С. При таких условиях нагрева при усилившихся диффузионных процессах происходит образование более крупных, чем у зерен феррита и цементита, сопровождающееся дальнейшим снижением плотности дислокаций и практически полным устранением остаточных напряжений.

19.ОТЖИГ I РОДА. Этот вид отжига в зависимости от температурных условий выполнения устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную пред­шествующими обработками. Характерная особенность этого отжига со­стоит в том. что устранение неоднородности происходит независимо от того, протекают ли в сплавах при этой, обработке фазовые превращения или нет, поэтому отжиг 1 рода можно производить при температурах вы­ше или ниже температур фазовых превращений.Гомогенизация (диффузионный отжиг). Диффузионный отжиг применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали, обра­батываемой давлением, к хрупкому разрушению, к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и тонкие внутренние трещины, наблюдаемые, в изломе в виде белых овальных пятен).Дендритная ликвация понижает пластичность и вязкость легированной стали, поэтому не только слитки, но и крупные отливки нередко подвер­гают гомогенизации.Рекристаллизационный отжиг.Под рекристаллизационным отжигом по­нимают нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекри­сталлизации, выдержку при этой температуре с последующим охлажде­нием. Этот вид отжига применяют перед или после холодной обработки давлением и как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования. Температура отжига для Достижения рекристаллизации по всему объе­му и сокращения времени процесса превышает температуру порога рекри­сталлизации. Отжиг для снятияостаточных напряжений.Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и д. р., в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за не­равномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т. п. возникли остаточные напряжения. Остаточные напряжения могут вызвать изменение размеров, коробле­ние и поводку изделия в процессе его обработки (например, резанием), экс­плуатации или хранении. При резании за счет удаления части металла про­исходит нарушение равновесия остаточных напряжений, влекущих за собой деформацию изделия. Изменение размеров в процессе хранения связано с перераспределением остаточных напряжений при их релаксации. Остаточные напряжения снимаются и при проведении других видов от­жига, например рскристаллизационного, с фазовой нерекристаллизацией, а также при отпуске (особенно высоком) закаленной стали.Отжиг II РОДА (ФАЗОВАЯ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ).Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас₃ или Ас₁ выдержке и последующем, как правило медленном, охлаждении, в результате которого фазовые превращения приводят к достижению прак­тически равновесного структурного (фазового) состояния. Отжиг в промышленности в большинстве случаев является подготови­тельной термической обработкой. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат. Понижая прочность и твердость, отжиг улучшает обработку реза­нием средне и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая вну­тренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, он способ­ствует повышению пластичности ивязкости по сравнению с соответствую­щими характеристиками, полученными после литья, ковки и прокатки. Отжиг в некоторых случаях, например, для многих крупных отливок, является окончательной термической обработкой, так как после него в из­делиях практически отсутствуют остаточные напряжения и их деформация, оказывается минимальной.Различают следующие виды отжига: полный, изотермический и не­полный.Полный отжиг. Этот вид отжига заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30 — 50^сС выше температуры, соответствующей точке Ас₃, вы­держке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении .При этом отжиге происходит полная фазовая перекристалли­зация стали.При нагреве до температуры выше точки Ас₃ на 30 —50°С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, и поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность, а также возможность достижения высоких свойств после окончательной термической обработки. Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки Ас₃ вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Время нагрева и про­должительность выдержки при заданной температуре зависят от типа на­гревательной печи, способа укладки изделий в печь, высоты садки, типа полуфабриката, (лист, сортовой прокат и т. д.).Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при малых степенях переохлаждения, чтобы избежать образования излишне дисперсной ферритно-карбидной структуры и свой­ственной ей более высокой твердости. Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохла­жденного аустенита, а следовательно, От состава стали. Чем больше устой­чивость аустенита в области температур перлитного превращения, тем.Изотермический отжиг. Вэтом случае сталь обычно легиро­ванную нагревают, как и для полного отжига, исравнительно быстро охлаждают и назначают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаж­дение на воздухе.Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием, чистоту поверхности иуменьшает деформации при последующей термической и химико-термической обработке.Этот отжиг используют для поковок (шестерни, валы, муфты ит. д.) идругих заготовок небольших размеров.Неполный отжиг.Этот отжиг отличается от полного тем, что сталь на­гревают до более низкой температуры. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют для улучше­ния обрабатываемости резанием.Для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг.

20.Нормализация.Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас₃ на 50°С, а эвтектоидной стали выше А_ст также на 50°С, непродолжитель­ной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений иохлаждении па воздухе.Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке.Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дис­персность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество пер­лита или троостита.Это по­вышает на 10 — 15% прочность и твердость нормализованной средней высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.Нормализация горячекатаной стали повышает ее сопротивление хруп­кому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости ц повышением работы развития трещины.Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую произво­дительность при обработке резанием и получение более чистой поверхно­сти. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию или норма­лизацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства будут в этом случае несколько ниже, но изделия подвергнутся меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке, и вероятность появления трещин практически исключается.Нормализацию с последующим высоким отпуском (600 —650°С) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, так как производительность и трудоемкость этих двух операций выше, чем одного отжига.

22.ОТПУСК.Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Aс₁. выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с опреде­ленной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутрен­ние напряжения, возникающие при закалке. Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение от 600С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обра­тимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500-650С во всех случаях следует охлаждать быстро. Различают три вида отпуска.Низкотемпературный(низкий) отпуск проводят с нагревом до 150-200°С.При этом снижаются внутренние напря­жения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повы­шается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах, высокую износостой­кость. Однако такое изделие не вы­держивает значительных динамических нагрузок.Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и изме­рительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, циани­рование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно 1 — 2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350 —500°С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штам­пов. Такой отпуск обеспечивает высокие предел упругости, предел вынос­ливости и релаксационную стойкость. Структура стали по­сле среднего отпуска — троостит отпуска или троостомартенсит. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.Охлаждение после отпуска при 400-450'С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.Высокотемпературный(высокий) отпускпроводят при 500 —680°С. Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска. Высокий от­пуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение, и особенно ударную вязкость .Термическую обработку, состоящую из закалки и высокою отпуска, назы­вают улучшением.

Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3 — 0,5% С) конструк­ционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу" текучести, пределу выносливости и ударной вязкости.