Лекция 11. Теория термической и химико-термической обработки стали и сплавов.

План лекции: Превращения в стали и чугуне при нагреве и охлаждении, превращения при нагреве закаленной стали, рост зерна аустенита при нагреве эвтектоидной стали, физическая сущность методов химико-термической обработки: цементации, азотирования и др.

Т

1147⁰С

ермическая обработка - один из основных способов влияния на строение, а следовательно, и на свойства стали. Она состоит из двух основных операций: нагрева и последующего охлаждения. Превращения, происходящие в стали в этом случае, называют соответственно первым и вторым основными превращениями. Рассмотрим сущность этих превращений на примере эвтектоидной стали.

Первое основное превращение в стали характеризуется превращением перлита в аустенит. В этом случае при температуре Ас₁ в перлите, на границе между ферритом и цементитом, образуется множество зародышей - мелких зерен аустенита. Количество зародышей будет тем больше, чем выше содержание углерода в стали и чем дисперснее частицы цементита в перлите. Последующая выдержка при температуре превращения или повышение температуры вызывает рост начальных зерен аустенита. При этом одни зерна увеличиваются за счет других, более мелких и термодинамически менее устойчивых, т.е. происходит собирательная рекристаллизация. при этом на свойства стали оказывает влияние величина ее зерна. Так, с ростом зерна резко снижается ударная вязкость и работа распространения трещины, повышается порог хладноломкости (температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому). Размер зерна, образовавшийся при нагреве, не изменяется при последующем охлаждении. По склонности к росту зерна различают два предельных типа сталей: наследственно мелкозернистые 1 и наследственно крупнозернистые 2 (рис. 11.1). В первой - зерно увеличивается незначительно даже при нагреве до температуры 1000-1050⁰С, но при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна. Во второй, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном перегреве выше А₁. мелкозернистые, так как в них образуются дисперсные частицы AlN, тормозящие рост зерна аустенита. Легирующие элементы, особенно карбидообразующие, замедляют собирательную рекристаллизацию и тем самым задерживают рост зерна аустенита. Наиболее сильно действуют Ni, V, W, Mo и другие, образующие труднорастворимые в аустените карбиды, которые служат барьером. Более слабое влияние оказывает хром, а марганец способствует росту зерна аустенита.

Продолжительный нагрев до- и заэвтектоидной стали при температурах значительно выше А₃ или А_см, приводит к образованию крупного зерна как при нагреве, так и при охлаждении до 20⁰С. Такой нагрев принято называть перегревом стали. Перегретая сталь характеризуется крупнокристаллическим изломом. Перегрев может быть исправлен повторным нагревом выше А₃ или А_см. Нагрев при еще более высокой температуре называют пережогом стали, который сопровождается образованием по границам зерен окислов железа. При пережоге излом стали камневидный. Пережог - неисправимый дефект стали.

Второе основное превращение в стали, характеризуется перлитным, бейнитным и мартенситным превращениями. Все они могут протекать как при непрерывном охлаждении стали ниже температуры Аr₁, так и при определенных степенях переохлаждения.

Перлитное превращение (переохлаждение до 170⁰С) в зависимости от степени переохлаждения способствует образованию перлита, сорбита и троостита. Все они представляют смесь феррита и цементита и отличаются друг от друга степенью дисперсности цементита. Наибольшая дисперсность, а следовательно и твердость, у троостита.

Сорбит при больших увеличениях представляет собой смесь очень мелких зерен цементита на фоне феррита, но они выражены не так резко, как в перлите, в котором зерна цементита значительно крупнее. Сорбит обладает высокими механическими качествами: большим временным сопротивлением разрыву и хорошей вязкостью при повышенной твердости (2500-3000HB). На этом основании сорбит считается наилучшей структурой для конструкционных сталей.

Троостит представляет распавшийся твердый раствор, в котором цементит выделяется в высокой степени размельчения (дисперсности). Частицы цементита в троостите настолько мелки, что их можно видеть под микроскопом лишь при больших увеличениях, порядка 3500-4000 раз. Троостит, таким образом, является высокодисперсной смесью феррита и цементита. По сравнению с мартенситом он имеет меньшую твердость (3000-5000HB) и не так хрупок, быстро травится реактивом. Троостит очень часто наблюдается в сочетании с мартенситом, так как достаточно небольшого промедления в закалке, чтобы наряду с мартенситом появился троостит. Под микроскопом такой троостит имеет вид темных пятен, расположенных на фоне мелкоигольчатого мартенсита. Троостит обладает, наряду с достаточно высокой твердостью, высоким пределом упругости, но низкой вязкостью. Структура троостита желательна для деталей, от которых требуется высокая прочность и упругость, например, для пружин.

Бейнитное (промежуточное) превращение (переохлаждение на 220-350⁰С) способствует образованию ферритоцементитной структуры с характерным игольчаты строением. Такую структуру называют бейнитом или игольчатым трооститом с твердостью HB 500. При превращении аустенита в бейнит в конечной структуре остается некоторое количество переохлажденного аустенита.

На свойства получаемых структур (перлита, сорбита, троостита и бейнита) оказывает влияние величина их зерен. Чем крупнее зерна аустенита, тем больше зерна новой структуры. Это объясняется тем, что зерна аустенита растут только при нагреве, при охлаждении не изменяются.

Мартенситное превращение происходит при высоких скоростях охлаждения. В этом случае кристаллическая решетка g-железа перестраивается (мгновенно, за 10^-7 с.) с образованием тетрагональной решетки -железа, при сохранении постоянства концентрации углерода в твердом растворе, т.е. происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Поскольку в кристаллической решетке a-железа остается избыточный углерод, она искажается, приобретая некоторую тетрагональность. Мартенсит, таким образом, является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в тетрагональном -железе, а термическая обработка, обеспечивающая получение этой структуры, называется закалкой.

Вследствие искажения кристаллической решетки мартенсит обладает большой твердостью (5000-6500HB в зависимости от содержания углерода в стали) и вместе с тем очень хрупок и непластичен. Под микроскопом мартенсит имеет игольчатое строение. Иглы мартенсита располагаются по трем направлениям, образуя иногда равносторонние треугольники. Благодаря своей высокой твердости мартенсит является желательной структурой закалки для металлорежущих инструментов.

По сравнению с другими переходными структурами стали мартенсит имеет наибольший удельный объем. Поэтому при закалке стали на мартенсит резко увеличивается объем изделия, что вызывает появление внутренних напряжений и, как следствие, коробление, а иногда и трещины в изделиях. Слишком высокая температура нагрева стали перед закалкой способствует появлению крупноигольчатого мартенсита, обладающего меньшей твердостью и большей хрупкостью.

Интервал температур мартенситного превращения М_н...М_к зависит от состава стали и колеблется от 400 до -100⁰С (скорость охлаждения не влияет на температуру начала и конца мартенситного превращения). Поэтому в структуре после обычной закалки содержится некоторое количество аустенита (от 2 до 30% при содержании углерода от 0,5 до 1,5%).

Превращения в закаленной стали при нагревании. Мартенсит и остаточный аустенит являются неустойчивыми (неравновесными) структурными составляющими, которые сохраняются при нормальной температуре только благодаря малой подвижности частиц. С повышением температуры подвижность частиц увеличивается и мартенсит переходит в более устойчивую структурную форму. Чем выше температура нагрева, тем быстрее и полнее идет процесс превращения мартенсита в другие структурные формы (сначала в троостит, а затем в сорбит).

Так, нагрев закаленной стали на мартенсит до температуры 180⁰С приводит к ее первому превращению - началу распада мартенсита с выделением углерода в виде дисперсных частиц цементита, снижению напряжений за счет уменьшения тетрагональности решетки мартенсита. В результате этого превращения получается структура отпущенного мартенсита игольчатого строения. При дальнейшем нагреве до 300⁰С протекает второе превращение, внешним признаком которого является увеличение длины образца, а внутренним - превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит; одновременно с этим продолжается выделение углерода из тетрагонального мартенсита с некоторым снижением напряжений в нем. При повышении температуры нагрева до 400⁰С наступает третье превращение, сопровождающееся уменьшением размеров образца, что указывает на полное выделение избыточного углерода из мартенсита и снятие внутренних напряжений. При нагреве выше 400⁰С наступает четвертое превращение, характеризующееся полным снятием внутренних напряжений и коагуляцией карбидных частиц в зернистом цементите. В результате этого превращения сталь имеет структуру феррита и зернистого цементита.

Таким образом, термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали ниже температуры точки Ас₁ и обеспечивающую превращения мартенсита и остаточного аустенита, называют отпуском. Скорость охлаждения углеродистой стали при отпуске не оказывает влияния на ее механические свойства, а получаемые при этом структуры троостита и сорбита свободны от внутренних напряжений и обладают лучшими механическими свойствами, чем троостит и сорбит, получаемые при перлитном превращении.

Влияние легирующих компонентов на свойства стали зависит от количества вводимых элементов и их взаимодействия с железом и углеродом. С железом они обычно находятся в виде твердых растворов замещения (легированный феррит и легированный аустенит) или химического (интерметаллического) соединения (FeCr, Fe₃W₂, Fe₃Mo₂), а при взаимодействии с углеродом - в связанном (TiC, WC) или в свободном состоянии.

Легированный феррит присутствует во всех конструкционных сталях, подвергающихся улучшению, а легированный аустенит является основной структурной составляющей жаропрочных и нержавеющих сталей. Интерметаллические соединения являются упрочняющей фазой при термической обработке.

Все легирующие компоненты, за исключением марганца, при нагреве задерживают рост зерна аустенита, что позволяет легированные стали подвергать обработке давлением в более широком интервале температур или подвергать химико-термической обработке, не опасаясь перегрева.

Следует помнить, что в наибольшей мере преимущества легированной стали проявляются после ее термообработки. Особенно сильно повышается б_т, d и а_н. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а следовательно, лучшей прокаливаемостью. Это позволяет производить закалку деталей в менее резких охладителях (масло, воздух), что уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин. Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры.

Растворяясь в железе, легирующие элементы оказывают большое влияние на положение критических точек в стали. Одни легирующие элементы (Ni, Mn, Co) расширяют g-область, понижая А₃ и А₁, другие (W, V, Cr, Mo) сужают g и расширяют a-область, повышая А₃ и А₁. Почти все легирующие элементы сдвигают точки Е и S диаграммы Fe-C влево, т.е. в сторону меньших концентраций углерода. Исключение - V, Ti, Nb, которые повышают концентрацию углерода в эвтектоиде.

Химико-термическая обработка связана с изменением химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя стальных деталей. Обычно при такой обработке деталь помещают в среду, богатую элементом, который дифундирует в металл. В случае газового окружения (наиболее частый случай) происходят следующие три элементарных процесса.

1. Диссоциация - распад молекул и образование активных атомов диффундирующего элемента, например:

2СО -6 СО₂ + С или NН₃ -6 3Н + N.

Эти реакции показывают образование активных атомов углерода и азота, способных растворяться в металле.

2. Абсорбция -поглощение (растворение) поверхностью свободных атомов. Это возможно в том случае, если диффундирующий элемент способен растворяться в основном металле.

3. Диффузия - проникновение насыщающего элемента вглубь. В результате указанных процессов образуется диффузионный слой, характеризующийся тем, что на поверхности концентрация диффундирующего элемента наибольшая и постепенно падает по мере удаления от поверхности.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.

При определении толщины диффузионного слоя указывается не полная толщина слоя с измененным составом, а только толщина до определенной твердости, так называемая эффективная толщина диффузионного слоя.