Розділ V. Термічна і хіміко-термічна обробка сталі

Тема 5.1. Основні положення термічної обробки сталі

1. Поняття про термічну обробку сталі.

2. Фактори, що впливають на результат термообробки.

3. Перетворення, які проходять в сталі при нагріванні.

4. Перетворення, які проходять в сталі при охолодженні.

5. Діаграма ізотермічного розпаду аустеніту.

Термічна обробка сталі – процес її нагрівання до визначеної температури, витримка при цій температурі і подальше охолодження з метою зміни структури і одержання бажаних властивостей.

Буває проміжною (для покращення технологічних властивостей) та кінцевою (для забезпечення властивостей, що потрібні при експлуатації виробів).

Фактори, що впливають на результат термообробки:

1. Швидкість нагрівання (залежить від хімічного складу: чим більше вміст вуглецю, тим менше швидкість нагрівання V_нагр); для сталі V_нагр=100-150^оС/год, для чавуну V_нагр=70-100^оС/год.

2. Температура нагрівання (залежить від виду т.о., хімічного складу). Нагрів виконують вище критичних точок: А_С1 (лінія PSK); А_С3 (лінія GS); А_Cm (лінія SE) (рис.5.1).

3. Час витримки (залежить від виду т.о., розмірів та способу розташування деталей в печі).

4. Швидкість охолодження (залежить від виду т.о., потрібної структури і властивостей, хімічного складу).

Рисунок 5.1. Сталева ділянка діаграми Fe-Fe₃C.

Перетворення в сталі при нагріванні

При нагріві сталі вище лінії PSK починається утворення аустеніту.

Доевтектоїдні сталі мають повністю аустенітну структуру вище точки А_С3, евтектоїдні – вище точки А_С1, заевтектоїдні – вище точки А_Cm. Отже, всі сталі в процесі нагріву мають однофазову аустенітну структуру.

Перетворення перліту в аустеніт: утворення зародків аустеніту на границях розділу Ф - Ц, їх ріст, розчинення цементиту в аустеніті (перетворення Ф→А відбувається швидко, а розчинення цементиту триває довше) (рис.5.2). Це перетворення має дифузійний характер, тому що відбувається за рахунок дифузії атомів вуглецю.

З підвищенням температури зерна аустеніту ростуть. Залежно від схильності зерен аустеніту до росту при нагріві сталі поділяють на спадково крупнозернисті і спадково дрібнозернисті.

Спадково крупнозернисті сталі – розкислені лише Fe-Mn і Fe-Si, зерна аустеніту ростуть при незначному перегріві вище точки А_С1.

Спадково дрібнозернисті сталі – додатково розкислені Al, а також ті, що містять Cr, Mo, W, V, Ti; домішки утворюють оксиди, нітриди або карбіди, які, розташовуючись по границях зерен, стримують ріст аустеніту; при нагріві до t=950-1000^оС розмір зерен аустеніту зберігається, а при подальшому нагріві вони інтенсивно ростуть.

Величина зерна аустеніту впливає на властивості сталі. Чим більше розмір зерна, тим менше міцність, пластичність і в’язкість сталі.

Рисунок 5.2. Схема перетворення перліту в аустеніт при нагріві.

Перетворення в сталі при охолодженні

Охолодження нагрітої сталі нижче ліній А_С3 або А_Cm приводить до розпаду аустеніту, повністю він розпадається при температурі менше А_С1 (727^оС), коли вільна енергія аустеніту більше вільної енергії продуктів розпаду. Для розпаду аустеніту його треба переохолодити нижче 727^оС. Від ступеню переохолодження аустеніту залежить швидкість перетворення і будова продуктів його розпаду.

Рисунок 5.3. Схема розпаду аустеніту при охолодженні.

Таблиця 5.1. Структури, які утворюються в евтектоїдній сталі при різних ступенях переохолодження.

Ступінь переохолодження	Структура	Визначення	Твердість
710^оС	Перліт	Тонка механічна суміш пластин Ф і Ц	HRC20
630-650^оС	Сорбіт	Суміш Ф + Ц (з меншою товщиною пластин)	HRC30
530-550^оС	Троостит	Суміш Ф + Ц (з найтоншими пластинами)	HRC40
250-500^оС	Бейніт	Троостит + мартенсит	HRC50
< 240^оС	Мартенсит	Перенасичений твердий розчин С в Feα	HRC60

Перліт, сорбіт, троостит – пластинчасті феритно-цементитні суміші, розрізняються тільки ступенем дисперсності; їх утворення носить дифузійний характер (за рахунок дифузії атомів вуглецю).

Мартенсит – утворюється бездифузійним шляхом: атоми заліза перебудовуються з ГЦК в ОЦК, вуглець не встигає виділитися з утворенням цементиту, залишається в α-решітці, сильно деформуючи її, в результаті вона з кубічної стає тетрагональною (рис. 5.4).

Рисунок 5.4. Кристалічна решітка та мікроструктура мартенситу.

Мартенсит – найтвердіша і найкрихкіша структура сталі (HRC60-66, δ, ψ, КС→0); утворення його супроводжується збільшенням об’єму, що викликає напруження в сталі; має пластинчасто-гольчасту будову.

Бейніт – утворюється в результаті проміжного перетворення (сполучення дифузійного і бездифузійного перетворення); це механічна суміш трооститу і мартенситу; розрізняють верхній бейніт – містить більше трооститу, HRC45, і нижній бейніт – містить більше мартенситу, HRC55.

Перетвореня аустеніту відбуваються в результаті переохолодження при постійних температурах, тобто в ізотермічних умовах. Для вивчення цього процесу будують діаграму ізотермічного розпаду аустеніту (рис. 5.5).

Рисунок 5.5. Діаграма ізотермічного розпаду аустеніту.

Її будують по експериментальних кінетичних кривих розпаду аустеніту для різних сплавів при різних температурах переохолодження (крива розпаду в координатах ступінь розпаду аустеніту-час). З кожної кінетичної кривої на діаграму переносять точки початку і кінця процесу і з’єднують відповідні точки.

Діаграма побудована в координатах температура-логарифм часу, бо перетворення відбуваються від долей секунди до доби і більше.

Діаграми мають форму букви «С», тому їх називають С-подібними кривими.

Ліва С-подібна крива – лінія початку розпаду аустеніту;

права С-подібна крива – лінія кінця розпаду аустеніту;

М_н – лінія початку мартенситного перетворення;

М_к – лінія кінця мартенситного перетворення;

V₁, V₂, V₃, V₄, V_к – швидкості охолодження;

П, С, Т – утворені структури.

Зліва від С-подібних кривих – переохолоджений аустеніт (А);

справа від С-подібних кривих – продукти його розпаду: П, С, Т;

між С-подібними кривими- аустеніт + продукти розпаду.

Ділянка між віссю ординат і лівою С-подібною кривою – інкубаційний період, коли аустеніт не виявляє ознак розпаду. Аустеніт найбільш стійкий при температурах, близьких до А_С1 і до М_н, найменш стійкий при t ≈ 550^оС для евтектоїдної сталі.

В залежності від ступеню переохолодження аустеніту розрізняють три температурні ділянки перетворення: перлітну, проміжну і мартенситну.

Перлітне перетворення – дифузійний процес розпаду аустеніту на феритно-цементитну суміш – П, С, Т (чим менше товщина пластинок, тим вище механічні властивості).

Мартенситне перетворення – бездифузійний процес розпаду аустеніту, відбувається в інтервалі температур М_н – М_к, який залежить від вмісту вуглецю в сплаві (чим більше вміст вуглецю, тим більше інтервал М_н – М_к, тим нижче М_н і М_к). не весь аустеніт перетворюється на мартенсит, його називають залишковим аустенітом (чим більше вміст вуглецю, тим більше кількість аустеніту залишкового).

При вмісті вуглецю більше 0,5% мартенситне перетворення зсувається в область від’ємних температур.

Проміжне (бейнітне) перетворення – відбувається в інтервалі температур нижче від перлітного (згин С-подібної кривої) і вище від мартенситного перетворення (М_н); характер перетворень змішаний – дифузійний і бездифузійний. Вуглець дифузійно перерозподілюється в аустеніті, утворюючи області, збагачені і збіднені вуглецем. Бідні вуглецем області бездифузійно перетворюються на мартенсит, а багаті вуглецем – виділяють цементит, збіднюючись вуглецем. Збіднений вуглецем аустеніт бездифузійно перетворюється на мартенсит, який розпадається на феритно-цементитну суміш. Таким чином, бейніт складається з пересиченого вуглецем фериту і карбідів заліза.

Верхній бейніт – при t > 350^оС; нижній – при t < 350^оС.

V_кр – критична швидкість охолодження – мінімальна швидкість охолодження, при якій утворюється тільки мартенсит (без утворення ферито-цементитної суміші). Вектор V_кр проходить дотично до лівого виступу лінії початку розпаду аустеніту.

Користуючись діаграмою ізотермічного розпаду аустеніту, можна обирати швидкість охолодження при різних видах термообробки для одержання потрібних структур і властивостей.

Основні види термообробки:

1. Відпал.

2. Нормалізація.

3. Гартування.

4. Відпуск.

Контрольні питання:

1. В чому полягає суть термічної обробки?

2. Які фактори впливають на результат термічної обробки?

3. Які перетворення відбуваються в сталях при нагріванні?

4. Що таке спадково дрібнозернисті та крупнозернисті сталі?

5. Які перетворення відбуваються в сталях при охолодженні?

6. Які структури утворюються в сталях при різних швидкостях охолодження?

7. Що таке бейніт?

8. Що таке мартенсит, яка його структура і властивості?

9. Охарактеризувати діаграму ізотермічного розпаду аустеніту, для чого її використовують?

10. Що таке критична швидкість охолодження?