Металловедение

141

При втором превращении (нагрев при температуре 200-300° С) про-

должается распад мартенсита, в результате которого содержание углерода в нем снижается. Кроме того, одновременно происходит распад остаточного ау-

стенита с превращением его в нижний бейнит. Таким образом, после второго превращения в твердом растворе содержится небольшое количество углерода и в связи с этим тетрагональность решетки незначительна. Преобладающее значение имеет распад остаточного аустенита (превращающегося в ниж-

ний бейнит), поэтому при втором превращении проис-

ходит расширение стали (рис. 93).

Третье превращение (нагрев при температуре 300-

400° С) характеризуется вновь сокращением длины (рис. 93) и полным распадом α-твердого раствора (мартенсита). При этом происходит превращение цементита из пластинчатого в мелкозернистый. В результате третьего превращения образуется наиболее мелкая феррито-цементитная смесь,

т. е. троостит отпуска.

При четвертом превращении (нагрев при температуре 400-600° С) происходит ук-

рупнение (коагуляция) зернистых частиц це-

ментита с образованием структуры сорбита отпуска. Укрупнение происходит путем рас-

творения мелких частиц цементита, после-

дующей диффузии углерода и выделения его на поверхности более крупных частиц цементита. При этом не происходит никаких превращений, связанных с изменением состава и кристаллической структуры феррита и цементита.

Изменение структуры при нагреве (отпуске) вызывает изменение и меха-

нических свойств закаленной стали. С повышением температуры отпуска твер-

142

дость и прочность понижаются, а пластичность и вязкость повышаются (рис.

94).

В результате отпуска (распада мартенсита) образуются структуры троо-

стита и сорбита. Такие же структуры получаются и в результате изотермиче-

ского распада переохлажденного аустенита. Между трооститом и сорбитом,

полученными в результате распада мартенсита, и трооститом и сорбитом, по-

лученными в результате изотермического распада переохлажденного аустенита имеется разница в их внутреннем строении и в механических свойствах. Це-

ментит в троостите и сорбите, полученных в результате изотермического рас-

пада переохлажденного аустенита, образуется в виде пластин (пластинчатое строение), а при распаде мартенсита - в виде зерен (зернистое строение). На твердость и прочность форма цементита не оказывает заметного влияния, но пластичность и вязкость стали с зернистым строением более высокие, чем пла-

стичность и вязкость стали с пластинчатым строением.

Прочность феррито-цементитных смесей (перлита, сорбита, троостита)

объясняется наличием включений цементита, которые препятствуют переме-

щению дислокаций при действии внешних сил. Чем больше включений цемен-

тита и чем они меньше по размеру, тем сильнее они препятствуют перемеще-

нию дислокаций. Поэтому троостит, в котором частицы цементита наиболее мелкие, обладает большей твердостью (прочностью) по сравнению с сорбитом,

а перлит, содержащий наиболее крупные включения цементита, имеет наи-

меньшую прочность (твердость).

143

Глава VIII

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ СТАЛИ

§ 1. Классификация видов термической обработки

Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, тер-

момеханическую и химико-термическую. Собственно термическая обработка -

термическое воздействие на сталь, термомеханическая - сочетание термическо-

го воздействия и пластической деформации, химико-термическая - сочетание термического и химического воздействия.

Собственно термическая обработка, в зависимости от структурного со-

стояния, получаемого в результате ее применения, подразделяется на отжиг

(первого и второго рода), закалку и отпуск.

§ 2. Отжиг стали

Отжигом называется процесс термической обработки - нагрев стали до определенной температуры и последующее, как правило, медленное охлажде-

ние с целью получения более равновесной структуры.

Отжиг первого рода. К первому роду относят виды отжига, в процессе которых фазовые (полиморфные) превращения отсутствуют, а если они и про-

текают, то не оказывают решающего влияния на конечную структуру. Разли-

чают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный,

рекристаллизационный и уменьшающий напряжения.

Гомогенизационный отжиг. Этот отжиг применяется для выравнивания химической неоднородности (путем диффузии) зерен твердого раствора, т. е.

уменьшения микроликвации в фасонных стальных отливках и в слитках глав-

ным образом легированной стали. В связи со своим назначением сделать сталь однородной (гомогенной) этот отжиг иначе называют гомогенизацией.

144

Практически слитки нагревают до 1100-1200° С, выдерживают при этой температуре 8-15 ч, а затем медленно охлаждают до 200-250° С. Процесс отжи-

га продолжается около 80-100 ч.

Рекристаллизационный отжиг. Рекристаллизационному отжигу подвер-

гают сталь, деформированную в холодном состоянии (см. гл. II). Возникающий в процессе деформации наклеп стали может достигнуть такой большой величи-

ны, что сталь становится упрочненной и мало пластичной и дальнейшая де-

формация ее становится невозможной.

Для возвращения стали пластичности и возможности дальнейшей ее де-

формации и проводят рекристаллизационный отжиг.

При нагреве холодно-деформированной стали до температуры 400-450° С

изменений в строении стали не происходит, механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При нагреве до более высокой температуры механические свойства стали резко из-

меняются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается.

При этом происходят изменения и в строении стали. Вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными.

Рекристаллизация начинается с по-

явления зародышей на границах деформи-

рованных зерен. В дальнейшем зародыши растут за счет деформированных зерен, в

связи с чем происходит образование новых зерен до полного исчезновения деформи-

рованной структуры.

На рис. 95 приведена кривая зависи-

мости предела прочности технического железа от температуры нагрева после наклепа и схемы изменения микроструктуры.

145

Под температурой рекристаллизации подразумевается температура, при которой в металлах, подвергнутых деформации в холодном состоянии, начина-

ется образование новых зерен.

А. А. Бочвар установил зависимость между температурой ре-

кристаллизации и температурой плавления металлов, которая характеризуется следующей формулой: Трекр = 0,4Тпл, где Трекр и Тпл - соответственно температу-

ры рекристаллизации и плавления по абсолютной шкале.

Формула Бочвара действительна для чистых металлов и больших степе-

ней деформации.

Температура рекристаллизации железа - 450° С, меди - 270° С, молибдена

-900° С, а такого металла, как свинец, минус 30° С.

Всвязи с тем что при температуре рекристаллизации процесс образова-

ния новых зерен происходит очень медленно, практически холоднодеформиро-

ванные металлы и сплавы нагревают до более высокой температуры, например углеродистую сталь до 600-700° С, медь до 500-700° С. Эти температуры и яв-

ляются температурами рекристаллизационного отжига.

В зависимости от степени деформации величина зерна стали после рекри-

сталлизации получается различной. При определенной степени деформации

(для стали в преледах 7-15%) после рекристаллизации получаются зерна очень большой величины. Такая степень деформации называется критической степе-

нью деформации.

Для избежания сильного роста зерна при рекристаллизации деформацию стали заканчивают со степенью обжатия, большей критической степени дефор-

мации, или проводят отжиг с полной фазовой перекристаллизацией.

Отжиг, уменьшающий напряжения. Это нагрев стали до температуры

200-700° С (чаще до 350-600° С) и последующее охлаждение с целью уменьше-

ния внутренних напряжений после технологических операций (отливка, сварка,

обработка резанием и др).

146

Отжиг второго рода. К отжигу второго рода относят виды, при которых фазовые (полиморфные) превращения определяют их целевое назначение. Раз-

личают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный,

изотермический, нормализацион-ный (нормализация).

Полный отжиг. Этому виду отжига подвергают доэвтектоидную сталь с целью создания мелкозернистости, понижения твердости и повышения пла-

стичности, снятия внутренних напряжений.

При полном отжиге доэвтектоид-

ную сталь нагревают до температуры на

20-30° выше крити-

ческой точки Ас3, т.

е. на 20-30° С выше линии GS диаграммы

железо - цементит [Ас3 + (20-30°)] (см. рис. 73).

При нагреве до такой температуры крупная исходная феррито-перлитная структура превращается в мелкую структуру аустенита (твердого раствора уг-

лерода в γ-железе). При последующем медленном охлаждении (обычно со ско-

ростью 100-200° в час до 500° С и далее на воздухе) из мелкозернистого аусте-

нита образуется мелкая феррито-перлитная структура (рис. 96). При полном отжиге происходит измельчение феррито-перлитных зерен доэвтектоидной стали.

Заэвтектоидную сталь полному отжигу с нагревом выше Acm (линия SE)

не подвергают, так как при медленном охлаждении после такого нагрева це-

ментит располагается в виде сетки по границам зерен перлита (см. рис. 64, в),

ухудшая механические и другие свойства.

147

Неполный отжиг. Этому виду отжига подвергают заэвтектоидную и эв-

тектоидную сталь с целью превращения пластинчатого перлита и сетки цемен-

тита в структуру зернистого перлита. Заэвтектоидная сталь со структурой зернистого перлита обладает, по сравнению со сталью с пластинчатым перли-

том, лучшей обрабатываемостью на станках в связи с более низкой твердостью

(НВ160-180 для стали с зернистым перлитом и НВ180-250 с пластинчатым пер-

литом).

Для получения зернистого перлита заэвтектоидную сталь нагревают до температуры немного выше точки Ас1 (см. рис. 73) - до 740-780° С. При нагреве до такой температуры происходит превращение в аустенит только перлита, а

цементит остается и образуется структура цементит + аустенит. При после-

дующем медленном охлаждении (со скоростью 20-60° в час до 700-650° С с дальнейшим охлаждением на воздухе) из аустенита образуется феррито-

цементитная структура с зернистой формой цементита - зернистый перлит (рис.

97). В связи с тем что при этом виде отжига получается зернистая (сферои-

дальная) форма цементита, этот отжиг называют сферо-идизирующим. Для об-

легчения образования зернистого перлита нагрев (до 7407800 С) и охлаждение

(до 700-6500 С) повторяют несколько раз. Такой отжиг называют маятниковым или циклическим. Облегчение образования зернистого перлита при маятнико-

вом отжиге достигается тем, что образовавшиеся зерна цементита при первом охлаждении являются дополнительными центрами кристаллизации при втором охлаждении и т. д.

148

Доэвтектоидные стали неполному отжигу подвергают редко. Это объяс-

няется тем, что в свя-

зи с неполной пере-

кристаллизацией

(только одного перли-

та) не происходит из-

мельчения всей струк-

туры (феррит не под-

вергается перекри-

сталлизации), и в ре-

зультате структура и свойства стали полу-

чаются хуже, чем по-

сле полного отжига.

Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием в результате снижения твердости.

Изотермический отжиг. Характерной особенностью изотермического отжига является образование феррито-перлитной структуры из аустенита при постоянной температуре, а не при охлаждении, как при полном отжиге. Поэто-

му в отличие от полного отжига, например, доэвтектоидную сталь нагревают до температуры точки Ас3 + (20-30°) и после выдержки быстро охлаждают до тем-

пературы немного ниже критической точки Аr1 (до 700-680° С) (см. рис. 73).

При этой температуре сталь выдерживают в течение времени, необходимого для полного распада аустенита и образования феррито-перлитной структуры.

От температуры изотермической выдержки сталь охлаждают на воздухе.

149

Изотермический отжиг имеет преимущество по сравнению с полным от-

жигом: сокращается время отжига и получается более однородная структура, но при обработке малых садок металла.

Нормализационный отжиг (нормализация). Нормализацией называют процесс термической обработки - нагрев до температуры выше Ас3 для доэвтек-

тоидной или Acm для заэвтектоидной стали с последующим охлаждением на спокойном воздухе.

При нагреве до температуры нормализации низкоуглеродистых сталей происходят те же процессы, что и при полном отжиге, т. е. измельчение зерен.

Но, кроме того, вследствие охлаждения, более быстрого, чем при отжиге, и по-

лучающегося при этом переохлаждения строение перлита получается более тонким (дисперсным), а его количество большим. Механические свойства при этом оказываются более высокими (повышенная прочность и твердость), чем при более медленном охлаждении (при отжиге).

Нормализация по сравнению с полным и неполным отжигом - более эко-

номичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью. В связи с указанными преимуществами нормализация получила широкое применение вместо полного отжига низкоуглеродистых и даже среднеуглеродистых сталей.

Нормализация применяется также для устранения цементитной сетки в заэвтек-

тоид-ных сталях. При нагреве заэвтектоидной стали с цементитной сеткой вы-

ше критической точки Acm образуется структура аустенита. Если после такого нагрева при медленном охлаждении (при отжиге) цементит выделяется в виде сетки, то ускоренное охлаждение на воздухе (нормализация) препятствует вы-

делению цементита по границам зерен и образуется мелкая феррито-

цементитная смесь.

Для отжига применяют камерные и толкательные печи, а также специ-

альные агрегаты.

150

§ 3. Закалка стали

Закалкой называют процесс термической обработки - нагрев стали до температуры выше критической и последующее охлаждение со скоростью,

больше критической, с целью получения неравновесной структуры. В результа-

те закалки повышается прочность и твердость стали.

На результат закалки оказывают влияние следующие факторы: нагрев

(температура нагрева при закалке и скорость нагрева до температуры закалки,

выдержка при температуре закалки) и охлаждение от температуры закалки.

Нагрев. Выбор температуры нагрева при закалке углеродистых сталей проводится по левой нижней части диаграммы железо - цементит (рис.

98).

При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50°

выше верхней критической точки Ас3 [Ас3 + (30-50°)], т. е. выше линии GS диа-

граммы железо - цементит. При таком нагреве исходная феррито-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита.

При закалке заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50° С

выше нижней критической точки Ас1 [Ac1 + (30-50°)], т. е. выше линии SK диа-

граммы железо - цементит. Так как эта линия горизонтальная и соответствует температуре 727° С, для заэвтектоидной стали можно указать интервал температуры нагрева для закалки 760-790° С. При таком нагреве перлит полностью превращается в аустенит, а часть вто-

ричного цементита остается нерастворенной,

структура состоит из аустенита и цементита. По-

сле охлаждения со скоростью больше критической аустенит превращается в мартенсит. Структура за-

каленной стали состоит из мартенсита и цементи-