Характеристика основных структур, получаемых при термообработке, и их свойства

Мартенсит (сокращенно М) - пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе (  -Fe) той же концентрации, что и у исходного аустенита.

Мартенсит - структура твердая, хрупкая, напряженная, неустойчивая. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода,

например: при С = 0,1% твердость М HRC 30 (HB 286);

при C = 0,7%, М HRC 65 (HB 671).

Мартенсит имеет наибольший удельный объем (т.е. наименьшую плотность), зависящий от содержания углерода (максимальный у эвтектоидной стали). Увеличение удельного объема вызывает внутренние напряжения, приводящие к деформациям или даже разрушению (закалочным деформациям и трещинам).

Троостит, сорбит, перлит (Т, С и П) - образующиеся из аустенита структуры, являются феррито - цементитными (Ф+Ц) смесями, имеющими сходное пластинчатое строение. Эти структуры отличаются друг от друга степенью дисперсности (измельченностью) пластинок цементита и феррита. Более тонкое строение (дисперсность) у троостита, более грубое - у перлита. Увеличение дисперсности повышает прочностные характеристики и твердость, но уменьшает пластические свойства стали.

Твердость троостита Т 350 - 500 НВ;

Твердость сорбита С 250 - 350 НВ;

Твердость перлита П 150 - 250 НВ;

В сталях на практике не бывает четкой границы между этими структурами.

Основные операции термической обработки

Термическая обработка (сокращенно ТО) подразделяется на предварительную и окончательную.

Предварительная обработка - отжиг и нормализация, применяется часто при подготовке структуры стали для последующей обработки (давлением, резанием и т.д.)

В качестве окончательной обработки применяют, как правило, закалку с последующим отпуском.

Иногда отжиг и, чаще, нормализация могут быть окончательной операцией, если эти операции дают нужные механические свойства по условиям работы детали.

Режим любой ТО можно представить схематически в координатах “температура (T) - время ( t )” (рис.4).

Рис. 3. Температуры нагрева при термической обработке стали

Для большинства марок стали численное значение температуры нагрева T_н определяется положением критических точек A_с1 (т.е. по линии PSK) и A_с3 (линия GS) :

для доэвтектоидных сталей T_н = A_с3 + (30 …50);

для заэвтектоидных сталей T_н = A_с1+ (30 …50)

Нагрев ниже A _с3 для доэвтектоидных сталей нежелателен, т.к. сохраняется часть феррита.

Для заэвтектоидных сталей целесообразен нагрев ниже A_ст (линия SЕ), т.к. при этом сохраняется цементит, повышающий твердость и износостойкость стали. Нагрев выше A_ст , являясь менее экономичным, дает после закалки крупноигольчатый мартенсит без цементита, с повышенным количеством остаточного аустенита - структуры менее твердой, но хрупкую за счет грубой структуры мартенсита.

T Закалка, отжиг или

нормализация

Т_н

A_с1 , A_с3 или A_ст Отпуск:

T_выс высокий

T_ср средний

Т_низ низкий

t , время

Структуры: М Т С П М структуры отпуска

Рис.4. Схема термической обработки

T_н - температура нагрева стали для закалки, отжига или нормализации;

T_выс ,T_ср ,T_низ - температуры нагрева закаленной стали для отпуска.

Нагрев производится обычно в газовой среде (атмосфера печи), реже в расплавленных солях, металлах.

Продолжительность нагрева складывается из времени нагрева детали до нужной температуры и времени выдержки .

Время выдержки зависит от многих факторов. Обычно для углеродистой стали это время исчисляется по максимальному сечению детали: 1 - 1,5 мин/мм по размеру наибольшего сечения. Например, если продолговатая деталь имеет толщину в самом большом поперечном сечении 10 мм, то его нужно прогревать 10 - 15 мин.

Отжиг - термическая операция, заключающаяся в нагреве металла до температур выше линии GSK в диаграмме системы "железо-углерод" ( то есть выше А_с1), обеспечивающих нужные превращения, выдержке при этих температурах и медленном охлаждении (обычно вместе с печью или в песке). После отжига получаются равновесные структуры: Ф+П; П; П+ Ц. В зависимости от температуры нагрева отжиг имеет несколько разновидностей, применяющихся при определенных условиях. Полный отжиг достигается нагревом выше верхних критических температур, при неполном отжиге деталь нагревают выше нижних критических температур.

Нормализация - термическая операция, заключающаяся в нагреве стали выше линий GS и SE, выдержке при этих температурах и охлаждение на воздухе. Назначение нормализации:

а) для доэвтектоидных сталей - получение однородной мелкозернистой структуры (иногда вместо отжига в малоуглеродистых сталях);

б) в заэвтектоидных сталях - уничтожение вредной цементитной сетки.

Закалка - термическая операция, заключающаяся в нагреве стали до температур выше линии GSK, выдержке при этих температурах и охлаждении со скоростью, обеспечивающей получение мартенсита..

Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки.

При охлаждении со скоростью ниже критической образуются ферритно-цементитные смеси.

НВ

700

М а р т е н с и т

600

Т р о о с т о м а р т е н с и т

закалки отпуска

500

Т р о о с т и т

закалки отпуска

400

С о р б и т

закалки отпуска

300