Классификация видов термической обработки

Для изменения свойств сплава, возникающих вследствие термической обработки, необходимо, чтобы в сплаве в ре­зультате термической обработки произошли остающиеся изменения, обусловленные в первую очередь фазовыми превращениями.

Все виды термической обработки можно разделить на четыре основные группы.

Первая группа. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пласти­ческая деформация создает наклеп — искажение кристаллической решетки. При затвердевании — не успевают протекать диффузион­ные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказы­вается неоднород-

ным. Быстрое охлаждение или неравномерное приложение напряжений делает неравномерным распределение упру­гой деформации. Неустойчивое состояние при комнатной темпера­туре сохраняется долго, так как теплового движения атомов при комнатной температуре недостаточно для перехода в устойчивое состояние.

Нагрев (увеличение тепловой подвижности атомов) приводит к тому, что процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической ре­шетки, рекристаллизация, диффузия), достигают заметных ско­ростей.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его и более устойчивое со­стояние, называется отжигом.

Если в сплавах при нагреве происходит фазовое превращение (аллотропическое превращение, растворение второй фазы и т. д.), то нагрев выше некоторой критической температуры вызывает изменение в строении сплава. При последующем охлаждении произойдет обратное превращение. Если охлаждение достаточно медленное, то превращение будет полное, и фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию.

Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых пре­вращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг назы­ваетсяотжигом первого рода. Если у сплава есть фазовое превра­щение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусло­вленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с после­дующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется как отжиг второго рода или фазовая пере­кристаллизация.

Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) пре­вращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой. Во многих случаях закалка не фиксирует совсем (или фиксирует не полностью) состояние сплава, устойчивое при высоких температурах. Поэтому предельный случай закалки, когда состо­яние сплава, характерное для вы-

соких температур, фиксируется, называется истинной закалкой, в отличие от закалки в более широком смысле, когда фиксируется не состояние сплава при высокой тем­пературе, а некоторая его стадия структурного превращения, при которой в сплаве не достигнуто еще равновесное состояние.

Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхно­стный) нагрев.

Между закалкой и отжигом второго рода есть общее. И в том, и в другом случае сплав нагревается выше температуры фазового превращения, и окончательное строение приобретает в результате превращения при последующем охлаждении. Однако между обоими видами имеется и принципиальная разница.При отжиге второго рода цель охлаждения — приближение сплава к равновесному состоянию, поэтому охлаждение проводят медленно. При закалке охлаждение быстрое, чтобы отдалить структурное состояниесплава от равно­весного.

Третья группа. Состояние закаленного сплава харак­теризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий под­вижность атомов, способствует этим превращениям. При повышении температуры закаленный сплав все больше приближается к равновес­ному состоянию. Такая обработка, т. е. нагрев закаленного сплава, нониже температурыравновесных фазовых превращений,называется отпуском. И при отжиге первого рода, как и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не было фазовых превращений, а для отпуска — предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск — вторичная операция, осуществляемая всегда после за­калки. Отпуск иногда называют старением. В одних случаях ста­рением называют длительный низкотемпературный нагрев, объеди­няя при этом отжиг 1 рода и отпуск, в других — нагрев закаленной стали называют отпуском, а нагрев закаленных сплавов цветных металлов — старением. Сейчас рекомендуют такое разграничение отпуска и старения: отпуск — это нагрев закаленного сплава, имею­щего фазовые превращения; старение — это нагрев закаленного сплава, не имеющего фазовых превращений. В этом случае закален­ное

состояние характеризуется пересыщением твердого раствора. Да­дим краткое определение основных видов термической обработки.

Отжиг — термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.

Закалка — термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым ох­лаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

Отпуск — термическая операция, состоящая в нагреве зака­ленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.

Кроме этих основных видов термической обработки, имеются еще два принципиально отличных способа, представляющих сочетание термической обработки с металлургией или механической техноло­гией.

Способность металлов растворять различные элементы позволяет при повышенных температурах атомам вещества, окружающего поверхность металла, диффундировать внутрь него, создавая поверх­ностный слой измененного состава. При этой обработке изменяется не только состав, но и структура поверхностных слоев, а иногда серд­цевины. Такая обработка называется химико-термической обработ­кой (ХТО). К этому виду химико-термической обработки относится как бы обратный процесс — удаление элементов путем подбора соот­ветствующих сред. Диффузионная подвижность неметаллов (С, N, О, Н, В) отлична от подвижности металлов, поэ­тому химико-термическую обработку подразделяют на диффузион­ное насыщение неметаллами и металлами.

В последнее время применение получает обработка, в которой в едином технологическом процессе сочетаются деформация и струк­турные превращения. Такая обработка получила название дефор­мационно-термическая. В зависимости от того, когда осуществляется пластическая деформация до или после превращения, деформационно-термическую обработку разделяют на термомеханическую обработку ТМО (деформация осу­ществляется до превращения) и механико-термическую обработку МТО (деформация осуществляется после превращения). Таким об­разом, к трем основным видам термической обработки (отжиг, закалка, отпуск) должны быть добавлены две сложные обработки:

химико-термическая обработка — нагрев сплава в соответству­ющих химических реагентах для изменения состава и структуры по­верхностных слоев:

деформационно-термическая обработка — деформация и после­дующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа.

10.3. Основные виды термической обработки стали

Если основой при рассмотрении термической обработки сплавов является соответствующая диаграмма состояния, то, очевидно, что ос­новой для изучения термической обработки стали является диаграмма железо — углерод. Поскольку мы рассматриваем термическую об­работку стали, то нам интересны только сплавы с концентрацией до 2 % С и соответственно область на диаграмме железо—углерод с концентрацией углерода до 2 % (точнее до 2,14 % С).

Естественно, что верхней температурной границей при термиче­ской обработке является линия солидуса, поэтому процессы первич­ной кристаллизации и, следовательно, верхняя часть диаграммы для нас в данном случае не имеют большого значения.

Участок диаграммы железо-углерод, который мы будем рассматривать, изображен на рис.48.

Приведем общепринятые обозначения критических точек.

Критические точки обозначаются буквой А.

 

Рис.48. «Стальной» участок диаграммы Fe-C

Нижняя критическая точка, обозначаемая А₁, лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенит ↔ перлит. Верхняя кри­тическая точка А₃, лежит на линии GSЕ и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита (вторичного) в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с, в первом случае и r — во втором.

Следовательно, критическая точка превращения аустенита в пер­лит обозначается Аr₁, а перлит в аустенит Ас₁, начало выделения феррита из аустенита обозначается Аr₃; конец растворения феррита в аустените Ас₃. Начало выделения вторичного цементита из аусте­нита обозначается также Аr₃, а конец растворения вторичного це­ментита в аустените — Ас₃ .

Ниже дана характеристика основных видов термической обработки стали в соответствии с выше приведенной классификацией.

Отжиг — фазовая перекристаллизация, заключающаяся в на­греве выше Ас₃ с последующим медленным охлаждением. При на­греве выше Ас₁, но ниже Ас₃ полная перекристаллизация не произой­дет; такая термическая обработка называется неполным отжигом. При отжиге состояние стали приближается к структуре равновес­ному; структура стали после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит.

Если после нагрева выше Ас₃ провести охлаждение на воздухе, то это будет первым шагом к отклонению от практически равновес­ного структурного состояния. Такая термическая операция назы­вается нормализацией.

Закалка — нагрев выше критической точки Ас₃ с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит рас­падается на феррит + цементит при Аr₁. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температу­рах. Феррито-цементитная смесь по мере снижения Аr₁ становится все более мелко дисперсной и твердой. Если же скорость охлажде­ния была так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение цементита и феррита не произошло, то и распада твердого раствора не происходит, а аустенит (γ-твердый раствор) превращается в мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе). Неполная закалка — термическая операция, при которой нагрев про­водят до

температуры лежащей выше Ас₁, но ниже Ас₃ и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цемен­тит).

Отпуск — нагрев закаленной стали ниже Ас₁и последующее медленноеохлаждение.

Для стали возможны различные виды химико-термической об­работки в зависимости от элемента, диффундирующего в сталь. Насыщение стали углеродом называется цементацией, азотом — азотированном, алюминием — алитированием, хромом — хроми­рованием и т. д.

Термомеханическая обработка стали — нагрев до аустенитного состояния, деформация стали в аустенитном состоянии (в стабильном состоянии — выше Ас₃ или в нестабильном переохлажденном состоянии) и окончательное охлаждение с проте­кающим при этом превращением наклепанного аустенита.

10.4. Четыре основных превращения в стали

При изучении кристаллизации мы видели, что этот процесс превращения жидкости в твердое вещество и наоборот совершается вследствие большей устойчивости одного или другого состояния.

Фазовые превращения, которые совершаются в стали, также выз­ваны тем, что вследствие изменившихся условий, например темпера­туры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое. Этим и вызываются превращения, протекающие в стали.

Рассматривая структурные превращения в стали, мы, прежде всего, должны указать, что основными являются три структуры, а переход их из одной в другую характеризуют основные превра­щения.

Укажем эти структуры:

аустенит (А) — твердый раствор углерода в γ-железе Fe_γ (С);

мартенсит (М) — пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе Fe_α (С);

перлит (П) — эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида Fe_α + Fe₃С (ничтожно малой равновесной раст­воримостью углерода в феррите пренебрегаем).

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения.

I. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки Ас₁, выше температуры стабильного равновесия аустенит—перлит; при этих температурах из трех основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит:

Fe_α + Fe₃С → Fe_γ (С) или П → А

II. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже А₁:

Fe_γ (С) → Fe_α + Fe₃С или А → П

III. Превращение аустенита в мартенсит:

Fe_γ (С) → Fe_α (С) или А →М

Это превращение наблюдается ниже температуры метастабильного равновесия аустенит—мартенсит (Т_о). При Т_о более устойчи­вой фазой является перлит, однако работа, необходимая для обра­зования мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита, поэтому ниже Т_о образование перлита (феррито-карбидной смеси) из аустенита может произойти только в результате превра­щения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.

Таким образом, аустенито-мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.

IV. Превращение мартенсита в перлит, точнее, в феррито-карбидную смесь:

Fe_α (С) → Fe_γ + Fe₃С или М →П.

Оно происходит при всех температурах, так как при всех темпе­ратурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита (точнее феррито-карбидной смеси).

 

10.5. Образование аустенита

Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диаграм­мой состояния Fе—С может совершиться лишь при очень медленном нагреве. При обычных условиях нагрева превращение запаздывает и получается перенагрев, т. е. превращение происходит лишь при температурах, несколько более высоких, чем указано на диаграмме Fe—C.

Перенагретый выше критической точки перлит с различной ско­ростью в зависимости от степени перенагрева превращается в ау­стенит.

На рис. 49 приведены данные, показывающие время превращения перлита в аустенит для стали, содержащей 0,86 % С, при разных температурах (в зависимости от степени перенагрева). Расположение кривых показывает, что чем выше температура, тем быстрее (т. е. за меньший отрезок времени) протекает превращение.

Например, при 780 °С превращение перлит + аустенит завер­шится за 2 мин. а при 740 °С — за 8 мин.

 

Рис. 49.Превращения перлита (П) в аустенит (А) при постоянной темпера­туре

 

Диаграмма, приведенная на рис. 49, дана в координатах темпе­ратура — время, поэтому на нее можно нанести кривые нагрева.

Луч соответствует нагреву стали с какой-то определенной ско­ростью v₂. Он пересекает линии начала и конца превращения в то­чках а" и b". Следовательно, при непрерывном нагреве со скоростью v₂ мы зафиксируем превращение, протекающее в интервале темпера­тур от точки а" до точки b". Если нагрев был более медленным, то луч v₁ пересекает кривые превращения при более низких температурах (точки а' и b'), и превращение произойдет тоже при более низ­ких температурах.

Кривые начала и конца превращения, асимптотически прибли­жаясь к горизонтали А₁ пересекут ее в бесконечности. Нагрев с бес­конечно малой скоростью пересечет горизонталь А₁ в бесконечности, где сливаются кривые начала и конца превращения и где превраще­ние перлита в аустенит произойдет в одной «точке», т. е. при посто­янной температуре. Это, очевидно, и будет случай равновесного превращения — по диаграмме Fe—С. Реальные превращения, в от­личие от равновесных, протекают при температуре выше А₁ и не при одной температуре, а в интервале температур, лежащем тем выше, чем быстрее нагреваем сталь.

Окончание процесса превращения характеризуется образова­нием аустенита и исчезновением перлита. Однако этот вновь образо-­

вавшийся аустенит даже в объеме одного зерна неоднороден. В тех местах, в которых ранее были пластинки (или зерна) перлитного це­ментита, содержание углерода больше, чем в тех местах, где зале­гали пластинки феррита. Поэтому только что образовавшийся аусте­нит неоднороден.

Для получения однородного по составу (гомогенного) аустенита при нагреве требуется не только перейти через точку окончания перлитно-аустенитного превращения, но и перегреть сталь выше этой точки или дать выдержку для завершения диффузионных процессов внутри аустенитного зерна.

Скорость гомогенизации аустенита в значительной степени опре­деляется исходной структурой стали — степенью дисперсности це­ментита и его формой. Чем мельче частицы цементита и, следова­тельно, больше их суммарная поверхность, тем быстрее происходят описанные превращения.