Розділ IV. ОСНОВИ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ

4.1. Загальні положення термічної обробки металів

Властивості металів можна змінити шляхом зміни їх хімічного складу та будови. Навіть незначна зміна, наприклад, вуглець в сталі приводить до відчутних змін її властивостей. Від будови також дуже залежать властивості металу. Зміну хімічного складу металу практично можна здійснити тільки коли метал розплавлений. У твердому стані це зробити важко. Будову ж металу можна змінити в твердому стані, тобто в звичайних умовах. Це можна зробити двома шляхами – термічною обробкою та пластичною деформацією. Термічна обробка – це технологічні процеси, які включають нагрівання, витримку та охолодження металічних виробів у певній послідовності з метою зміни властивостей. Будь-який процес термічної обробки може бути виражений графіком в координатах температура-час.

Рис. 4.1

Головними параметрами процесу термічної обробки є температура нагріву металу, час витримки та швидкість охолодження.

В основі теорії термічної обробки при нагрівані та охолодженні металів і сплавів лежать фазові перетворення. Фазові перетворення в сталях при повільному нагріванні та охолодженні були розглянуті вище.

4.2. Класифікація видів термічної обробки

Класифікація видів термічної обробки була запропонована академіком А.А.Бочваром. Відповідно до цієї класифікації всі види термічної обробки розділяють на:

1. власнотермічну обробку;

2. хіміко-термічну обробку;

3. термомеханічну обробку.

У кожному виді термічної обробки виділяють різновидності:

При власнотермічній обробці властивості металів та сплавів змінюються тільки тепловою обробкою.

При хіміко-термічній обробці крім обробки теплом зміну властивостей металів і сплавів здійснюють зміною хімічного складу їх поверхні. В поверхню металу на певну глибину впроваджують атоми хімічних елементів (вуглецю, азоту, інших елементів).

При термомеханічній обробці теж крім обробки теплом додатково проводять обробку поверхні металу чи сплаву, але в даному випадку поверхню наклепують.

4.3. Фазові перетворення в сталях при повільному нагріванні та швидкому охолодженні (мартенситні перетворення)

При нормальних умовах у сталі розчиняється незначна кількість вуглецю. Так, у фериті його розчиняється біля 0,005%, а у перліті – 0,8%. З підвищенням температури розчинність вуглецю в сталі зростає і при цьому в утвореному аустеніті вона може досягнути 2,14%. Це пояснюється тим, що в аустеніті значно зростає відстань між атомами в решітці ГЦК і досягає такої, коли невеликі атоми вуглецю вільно заходять в комірку заліза.

При повільному охолодженні, коли перебудовується комірка ГЦК в ОЦК, вони дифузійно покидають зайняте місце і розчинність вуглецю знову зменшується. Якщо ж сталь охолоджувати швидко, то дифузійний процес не встигає відбутись, зайняте місце атом покинути не встигає. Тоді в комірці ОЦК виявиться надлишок атомів вуглецю, що приведе до її деформації. Замість кубічної, комірка стане витягнуто-тетрагональною. Таку комірку прийнято називати мартенситною. Схематичне зображення цього процесу показане на рис. 4.2.

Рис. 4.2

Таким чином, при швидкому охолодженні з аустеніту утворюється мартенсит – пересичений твердий розчин вуглецю в α-залізі.

Перетворення аустеніту у мартенсит відбувається в певному інтервалі температур. Починається перетворення при температурі M_n , а закінчується при більш низькій температурі M_k . Мартенситні точки залежать від складу сталі, а особливо від вмісту вуглецю (рис. 4.3).

Рис. 4.3

При незначній кількості вуглецю в сталі мартенситні перетворення майже відсутні, бо мале збільшення його розчинності не змінює комірку до тетрагонального вигляду. При збільшенні вмісту вуглецю температурний інтервал (відстань між точками M_n і M_k ) зростає, а точка М наближається до осі концентрацій. При вмісті вуглецю близько 0,6% лінія точок M_k перетинає вісь концентрацій, тобто кінець мартенситних перетворень відповідає 0^oC. Подальше збільшення вмісту вуглецю приводить до того, що завершення мартенситних перетворень відбувається при від’ємних температурах.

Проте перетворення аустеніту у мартенсит не йде до кінця. В сталях завжди спостерігається залишковий аустеніт. Його кількість збільшується при зниженні точок M_n. Залишковий аустеніт є шкідливою домішкою у сталях, особливо в інструментальних.