Основные положения

Цель любого процесса термической обработки заключается в том, чтобы нагревом до определенной температуры, выдержкой и последующим охлаждением с определенной скоростью вызвать желаемое изменение структуры металла или сплава и, соответственно, изменение свойств. Следовательно, основными факторами воздействия при термической обработке являются температура, время выдержки и скорость последующего охлаждения.

В практике машиностроения различают первичную и вторичную термическую обработки. Назначение первичной термической обработки заключается в подготовке структуры к последующим операциям механической и окончательной термической обработки. К этому виду обработки относятся различные виды отжига и нормализации. Назначение вторичной (окончательной) обработки – получение необходимых эксплуатационных свойств деталей и изделий. К окончательной термической обработке относятся закалка и отпуск.

Цель закалки конструкционных и инструментальных сталей – достижение максимально высокой твердости и прочности. Сущность закалки заключается в получении пересыщенного твердого раствора. Пересыщение твердого раствора вызывает искажения кристаллической решетки, которые приводят к появлению дислокаций, компенсирующих эти искажения. Высокая плотность дислокаций затрудняет пластическую деформацию в металле и повышает его прочность и твердость.

Закалка применима к сплавам, в которых могут образовываться ограниченные твердые растворы. При нагреве таких сплавов увеличивается растворимость компонентов. Если охлаждать сплав с большой скоростью, не оставляя времени на диффузию, то в процессе охлаждения выделение избыточных атомов растворенного компонента не произойдет. Тогда при комнатных температурах зафиксируется пересыщенный твердый раствор. Еще большее пересыщение может быть получено в сплавах, которые испытывают полиморфные превращения при нагреве и охлаждении. Наибольший эффект при закалке наблюдается в железо-углеродистых сплавах – сталях. Аустенит (твердый раствор углерода в g-железе) может растворить углерода в сотню раз больше, чем феррит (твердый раствор углерода в a-железе). Поэтому, если нагревать сталь выше температур перестройки решетки и охлаждать, не давая углероду возможности выделяться из аустенита, то при обратной перестройке решетки возникает очень большое пересыщение a-железа атомами углерода которое и вызывает значительное изменение свойств стали.

Скорость охлаждения, при которой углерод не успевает выделяться из твердого раствора, называется критической скоростью охлаждения. Для каждой стали, она может быть определена по диаграмме изотермического превращения переохлажденного аустенита. Геометрически это касательная к первой кривой, начала превращения аустенита в феррито-карбидную смесь.

На рис. 1 представлена диаграмма изотермического превращения (или
С-образная диаграмма) для стали с 0,8 % углерода.

Для углеродистых сталей время до начала распада аустенита очень мало (t_инк=0,5¸1,0 с), и критическая скорость достигается только при охлаждении в воде или в водных растворах солей.

При очень малой скорости охлаждения (V₁) аустенит будет превращаться в перлит (грубая смесь кристаллов феррита и цементита). С увеличением скорости охлаждения (V₂ и V₃) число центров зарождения феррита и цементита увеличивается и размеры кристаллов этих фаз уменьшаются. Более дисперсные (мелкозернистые) структуры – сорбит, троостит – имеют более высокую твердость, чем перлит. При скорости охлаждения больше V_кр превращение аустенита в смесь феррита и цементита произойти не может, так как скорость диффузии углерода при температурах ниже 200 °С очень мала. Однако
g-решетка должна перестроиться в a-решетку, обладающую меньшим запасом энергии при низких температурах. Образуется пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Решетка железа сильно искажается, становится тетрагональной, а не кубической. Возникает большое количество дислокаций и других дефектов. Поэтому сплав имеет высокую твердость и прочность, но очень низкую пластичность. Такая структура носит название мартенсит.

Рис. 1. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита

эвтектоидной стали

 

Мартенсит ‑ это пересыщенный твердый раствор углерода в тетрагональной решётке a-железа.

Основным фактором, определяющим твердость и прочность мартенсита, являются искажения кристаллической решетки a-железа, вызванные внедренными атомами углерода. Чем больше содержание углерода в мартенсите, тем больше тетрагональность решетки и выше твердость мартенсита (рис. 2).

Исходными условиями выбора температуры закалки являются требуемые свойства, которые должна обеспечить закаленная сталь.

Конструкционная сталь (<0,8 % С) применяется для изготовления деталей машин, механизмов и различного рода конструкций. Стали должны после закалки обладать высокими прочностными свойствами, особенно высокой усталостной прочностью, так как детали машин и механизмов испытывают сложные знакопеременные нагружения.

На рис. 3 представлена левая (так называемая «стальная» часть диаграммы железо-цементит). С помощью диаграммы проследим за превращениями, происходящими при нагреве сталей.

При нагреве выше линии PSK (или критической температуры Ас₁), но ниже GS (критическая температура Ас₃) структура стали будет состоять из зерен аустенита и феррита.

 

Рис. 2. Твердость мартенсита в зависимости от содержания углерода

Рис. 3. «Стальная» часть диаграммы Fe-Fe₃C

 

При последующем охлаждении со скоростью, равной или больше критической, аустенит превратится в мартенсит, а феррит превращений не испытывает. После такой закалки структура будет состоять из очень твердых кристаллов мартенсита и мягких, пластичных кристаллов феррита. Отсюда низкая твердость и прочность, а главное – низкая усталостная (циклическая) прочность стали. Следовательно, такая закалка не обеспечит высокие эксплуатационные свойства конструкционных сталей.

Если при закалке нагреть доэвтектоидную сталь выше линии GS (Ac₃), то произойдет превращение феррита и перлита в аустенит. Последующее охлаждение с критической скоростью позволит получить однородный мартенсит, характеризующийся высокой прочностью и значительной усталостной прочностью.

Большое влияние на свойства стали после закалки оказывает температура нагрева и время выдержки при этой температуре. Чем выше температура нагрева и длительнее выдержка при этой температуре, тем интенсивнее происходит рост аустенитных зерен. Рост зерна при нагреве вызывается стремлением сплава к уменьшению поверхностной энергии зерен. Из крупнозернистого аустенита после охлаждения получатся крупные кристаллы мартенсита (крупноигольчатый мартенсит). Это приведет к высокой хрупкости стали.

Следовательно, для доэвтектоидных (конструкционных) сталей температура закалки должна быть выше точки Ас₃ (линии GS), однако это превышение не должно быть большим.

Для получения оптимальных свойств после закалки необходимо производить нагрев до температуры, определяемой эмпирической формулой:

 

t _{зак. доэвт.} = Ас₃ + (30 ¸ 50) °С.

 

Все заэвтектоидные стали – инструментальные. Материалы, идущие на изготовление инструментов (особенно режущих), должны обеспечивать высокие твердость и износостойкость, высокую прочность. Эти свойства получают в ущерб пластичности стали, в противном случае инструмент не будет обладать высокими режущими свойствами.

При нагреве выше линии SK (Ас₁) превращение претерпевает лишь перлит (рис. 3), а цементит не успевает раствориться в аустените. После нагрева до этих температур структура стали – аустенит и цементит. При охлаждении со скоростью больше критической получается структура, состоящая из твердых и износостойких кристаллов мартенсита и кристаллов цементита, имеющих еще большую твердость и износостойкость. Нагрев до более высоких температур не приведет к повышению твердости; но резко увеличится размер зерен аустенита (т.к. растворение кристаллов цементита уже не будет сдерживать их рост), что отрицательно скажется на механических свойствах.

Следовательно, для заэвтектоидных (инструментальных) сталей температура закалки должна быть выше точки Ас₁ (линии SK).

Нагрев под закалку инструментальных сталей осуществляется до температур:

 

t _{зак. заэвт.} = Ас₁ + (30 ¸ 50) °С.

 

Область оптимальных температур нагрева сталей под закалку представлена на рис. 3.