Термическая обработка

Общие положения. Виды термической обработки

Термическая обработка представляет собой процесс обработки заготовок или изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств. Это самый распространенный в машиностроении способ изменения свойств металлов и сплавов и важнейшая операция технологического процесса изготовления деталей машин (инструментов).

Термическая обработка выполняется:

  • – для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств изделий за счет упрочнения или получения структур специального назначения;
  • – для улучшения технологических свойств (обрабатываемости резанием, давлением и др.) за счет разупрочнения; в этом случае она является предварительной или промежуточной операцией, проводимой на заготовках;
  • – для стабилизации свойств металла, формы и размеров деталей (инструментов).

Таким образом, цель термической обработки – изменение свойств материала, а не размеров и формы заготовки в отличие от других технологий (литье, сварка, обработка давлением и резанием).

Термическая обработка (ТО) заключается в нагреве до определенных температур, в изотермической выдержке и последующем охлаждении с определенной скоростью. Основными параметрами термической обработки являются температура и время. Вид термической обработки, возможности ее применения определяются типом фазовых и структурных превращений, протекающих в сплавах в твердом состоянии. На практике применяются следующие виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и нормализация (рис. 5.1). Нормализация – операция термической обработки сталей, часто считающаяся разновидностью отжига (нормализационный отжиг), выделена в отдельный вид, так как имеет многоцелевое назначение. В зависимости от содержания углерода в стали она может использоваться как предварительная Разупрочняющая обработка (вместо отжига), так и окончательная упрочняющая или устраняющая дефекты структуры обработка.

В настоящей главе технология и принципы термической обработки подробно рассматриваются для сталей, поскольку технологические операции термической обработки, разработанные для сталей, относятся также и к чугунам, т.е. сплавам железа и углерода, и цветным сплавам при аналогичных проходящих в них превращениях.

Термическая обработка сталей базируется:

  • – на полиморфном (а у) превращении;
  • – на различной растворимости углерода в аустените и феррите;
  • – на управлении диффузионными процессами с целью получения структур, обладающих разными свойствами.

Тепловое воздействие может сочетаться с химическим или деформационным. К таким процессам обработки

Классификация основных видов термической обработки

Рис. 5.1. Классификация основных видов термической обработки

относятся соответственно химико-термическая обработка (ХТО) и термомеханическая обработка (ТМО).

Термическая обработка обычно применяется самостоятельно, но в ряде случаев в сочетании с химико-термической или совмещается с ней.

Режим любой термической обработки можно представить в виде графика в координатах t (температура, °С) и τ (время).

Основы термической обработки сталей

Критические точки сталей

Большинство видов и разновидностей термической обработки связано с фазовыми превращениями, которые происходят при нагреве сталей выше критических точек.

Критические точки стали – температуры, при которых происходят фазовые превращения. Эти температуры весьма важны для назначения режимов термической обработки – именно они определяют температуры нагрева.

Критические точки обозначаются буквой А, аналогично обозначению критических точек железа. Рядом с буквой ставится цифра, отражающая последовательность равновесных (т.е. при весьма медленном нагреве) превращений, протекающих в стали при нагреве. Поскольку температуры фазового равновесия соответствуют линиям диаграммы состояния "железо – цементит" (см. рис. 4.4), то и обозначения критических точек связаны с линиями этой диаграммы.

Температуру эвтектоидного превращения – первое превращение при нагреве – обозначают А, (у всех сталей она лежит на линии PSK), температуру магнитного превращения в доэвтектоидных сталях (линия МО) – Л2, температуру окончания превращения феррита в аустенит в доэвтектоидных сталях (линия GS) – А3, температуру окончания растворения цементита вторичного в аустените в заэвтектоидных сталях (линия SE)Ат. Таким образом, линии PSK, МО, GS и SE диаграммы "железо – цементит" являются геометрическим местом критических точек соответственно A1, A2, A3 и Ат (табл. 5.1).

На практике вследствие гистерезиса температуры превращений при нагреве всегда выше соответствующих температур при охлаждении. Критические точки при нагреве

Таблица 5.1

Критические точки сталей

Стали

При медленном нагреве

При медленном охлаждении

Линии диаграммы (температура)

Зависимость[1] от концентрации углерода в стали

Критические точки

Превращение

Критические точки

Превращение

Доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные

Перлита в аустенит

Эвтектоидное превращение аустенита в перлит

PSK (727 °С)

Не зависит

Доэвтектоидные

Потеря ферритом магнитных свойств

Приобретение ферритом магнитных свойств[2]

МО (768 °С)

Не зависит (до 0,5...0,6% С)

Доэвтектоидные

Окончание превращения феррита в аустенит

Начало превращения аустенита в феррит

GS

Понижается с увеличением концентрации углерода

Заэвтектоидные

Окончание растворения цементита вторичного в аустените

Начало выделения цементита вторичного из аустенита

SE

Повышается с увеличением концентрации углерода

обозначаются дополнительно индексом с (Ac), а при охлажден ни – r (Ar).

Так как термическая обработка основывается на превращениях, протекающих в твердом состоянии, то мы рассматриваем только критические точки (температуры), отражающие эти превращения. Знание критических точек сталей необходимо для обоснованного выбора температурных режимов термической обработки.

5.3. Превращения в сталях при нагреве

Согласно диаграмме "железо – цементит" (рис. 4.4. и рис. 5.2) основным превращением, протекающим во всех сталях при нагреве несколько выше A1 (727 °С), т.е. до Ac1 является превращение перлита (ферритно-цементитной смеси) в аустенит:

Стальной угол диаграммы

Рис. 5.2. Стальной угол диаграммы "железо – цементит"

При нагреве свободная энергия G аустенита становится меньше, чем у перлита (рис. 5.3). Перлитноаустенитное превращение происходит при температуре несколько выше A1 в соответствии с некоторой степенью перенагрева Δt1, например при температуре t1 > А1, (см. рис. 5.2).

Превращение включает в себя два одновременно протекающих процесса:

  • – полиморфное превращение объемно-центрированной кубической решетки феррита в гранецентрированную кубическую решетку аустенита (бездиффузионное превращение);
  • – растворение в образовавшемся аустените цементита (диффузионное превращение).

Превращение подчиняется общим закономерностям кристаллизации, включающим образование зародышей (центров кристаллизации) аустенита и последующий их рост. Зародыши аустенита возникают в результате α → γ превращения на границе раздела кристаллов феррита и цементита (рис. 5.4). Затрата энергии на образование центров новой фазы (аустенита) на уже имеющейся границе меньше, чем в объеме пластин исходных фаз (т.е. в данном случае в феррите). Так как общая протяженность границ между пластинами феррита и цементита велика, то превращение начинается с образования большого числа зародышей.

Химический состав исходных фаз (феррита и цементита) сильно отличается от состава аустенита. Поэтому превращение сопровождается значительным перемещением атомов углерода (диффузионное превращение). Поскольку полиморфное превращение (бездиффузионное) протекает значительно быстрее, чем растворение цементита, то после превращения феррита в аустенит в структуре стали сохраняется еще некоторое количество цементита. Для его растворения в аустените требуется дать выдержку или повысить температуру относительно точки Ac1 (диффузионные процессы проходят тем полнее, чем выше температура и продолжи-

Изменение свободной энергии аустенита и перлита в зависимости от температуры

Рис. 5.3. Изменение свободной энергии аустенита и перлита в зависимости от температуры

тельнее выдержка). Выдержка после окончательного растворения цементита в аустените позволяет в результате полного завершения диффузионных процессов (гомогенизации) получить однородный по составу аустенит.

Скорость превращения перлита в аустенит зависит от скорости нагрева и дисперсности исходной ферритно-цементитиой структуры. Более высокая скорость нагрева, обеспечивающая больший перегрев относительно точки Ас1, а также более дисперсная (мелкозернистая) структура увеличивают скорость образования зародышей, приводят к ускорению диффузионных процессов и тем самым к более быстрому превращению перлита в аустенит.

Для эвтектоидной стали (0,8% С) превращение перлита в аустенит является единственным превращением, происходящим в твердом состоянии при нагреве.

При нагреве доэвтектоидных сталей выше Ас, после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура – аустенит и феррит. При дальнейшем нагреве в интервале Ас1...Ас3 сохранившийся феррит вследствие полиморфного (α → γ) превращения постепенно трансформируется в аустенит. Перекристаллизационные процессы замедляют рост зерен аустенита, образовавшегося ранее из перлита. При нагреве в интервале Ас1...Ас3 одновременно с полиморфным превращением протекают и диффузионные процессы, связанные с перераспределением углерода между ранее и вновь образовавшимися порциями аустенита вследствие уменьшения концентрации углерода в аустените в соответствии с линией GS (см. рис. 5.2). Аустенитизация полностью завершается при температуре Ас3, а концентрация углерода в аустените соответствует содержанию его в стали.

В заэвтектоидных сталях после завершения превращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура, состоящая из аустенита и цементита вторичного. Цементит вторичный, не участвовавший в перлитно-аустенитном превращении, при нагреве в интервале температур Ac1..Acm растворяется в аустените, вызывая повышение концентрации

Схема превращения перлита в аустенит при нагреве сталей

Рис. 5.4. Схема превращения перлита в аустенит при нагреве сталей

углерода в нем по линии SE (см. рис. 5.2). До своего растворения частицы цементита, располагавшиеся по границам зерен аустенита, сдерживают их рост. По мере растворения цементита вторичного зерна аустенита начинают расти. Выше температуры Асm будет только аустенит, содержащий столько углерода, сколько его присутствует в стали.

Дальнейший нагрев всех сталей в аустенитной области (выше линии GSH, т.е. после полной аустенитизации) вызывает значительный рост зерен аустенита, что приводит к ухудшению механических свойств сталей; снижаются предел прочности (σρ), предел текучести (σ02), пластичность (δ, ψ) и особенно сильно ударная вязкость (KCU). Поскольку большинство видов термической обработки сталей (заготовок или изделий из них) связано с необходимостью предварительного обеспечения полной или частичной аустенитизации, то температуры нагрева выше критических точек Ac1, Ас3 или Аст с целью сохранения мелкого зерна строго ограничивают перегревом выше этих температур на 30...50 °С.

  • [1] Примеси и легирующие компоненты изменяют критические точки.
  • [2] Температура магнитного превращения не имеет гистерезиса.
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >