Термической обработкой называют процессы теплового воздействия по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств сплава. От термической обработки зависит качество и стойкость в работе деталей и инструмента.
Основоположником теории и рациональных методов термической обработки стали является русский ученый Д. К. Чернов.
Теория термической обработки стали основана на общей теории фазовых превращений, протекающих в сплавах в твердом состоянии. Знание теории фазовых и структурных превращений, протекающих при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью, позволяет управлять процессами термической обработки и получать сталь с необходимыми структурой и свойствами.
Превращения в стали при нагреве
Превращение перлита в аустенит. В исходном состоянии сталь представляет собой смесь фаз феррита и цементита. Затем начинается образование мелких зерен аустенита (рис. 7, а), в которых растворяется цементит. Затем образовавшиеся зерна растут, зарождаются новые мелкие зерна аустенита (рис. 7, б, в) и продолжается растворение цементита. Процесс заканчивается заполнением объема бывшего
перлитного зерна зернами аустенита (рис. 7, г)
Рисунок 7 Схема образования аустенитных зерен
Превращение перлита в аустенит — процесс кристаллизационного типа и носит диффузионный характер, так как сопровождается перемещением атомов углерода на расстояния больше межатомных. Рост зерна аустенита при нагреве. Образующиеся при нагреве из зерен перлита зерна аустенита получаются мелкими и называются начальными зернами аустенита. При повышении температуры происходит рост зерен и тем в большей степени, чем выше температура нагрева. Но склонность к росту зерен с повышением температуры у сталей различная. Стали, раскисленные в процессе выплавки кремнием и марганцем, обладают склонностью к непрерывному росту зерна с повышением температуры. Такие стали называют наследственно крупнозернистыми (рис. 8). Стали, раскисленные в процессе выплавки дополнительно алюминием, не обнаруживают роста зерна при нагреве до значительно более высоких температур (900—950 °С). Такие стали называют наследственно мелкозернистыми (рис. 8). Благоприятное влияние алюминия объясняется образованием ни трида алюминия A1N, который в виде мелких включений располагается по границам зерен и тормозит их рост. При определенной температуре происходит растворение включений в аустените, и зерна начинают расти очень быстро. Наследственную зернистость оценивают баллами по
специальной шкале зернистости.
Рисунок 8 Схема роста зерна аустенита в наследственно мелкозернистой (а) и крупнозернистой (б) сталях.
Превращения в стали при охлаждении
Превращение аустенита в перлит может происходить только при температурах ниже 727° С Для распада аустенита должно быть его переохлаждение.
Образцы стали, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой средой, имеющей температуру ниже 7270 С и выдерживают до завершения превращения.
Видов термической обработки: собственно термическая обработка—только термическое воздействие на сталь; термомеханическая —сочетание термического воздействия и пластической деформации; химико-термическая—сочетание термического и химического воздействия.
Собственно термическая обработка подразделяется на отжиг (первого и второго
рода), закалку и отпуск.
-Отжиг стали
Отжигом называется нагрев стали до определенной температуры, выдержка и последующее медленное охлаждение (в печи) с целью получения более равновесной структуры.
Отжиг первого рода – это отжиг, при котором не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а происходит приведение структуры из неравновесного состояния в более равновесное. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный.
Гомогенизационный отжиг - это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950 °С (обычно при 1100—1200 °С) с целью выравнивания химического состава в результате диффузии.
Рекристаллизационный отжиг применяют для заготовок, обработанных давлением (прокаткой, волочением, ковкой, штамповкой). С увеличением в металле количества дислокаций прочность сначала понижается, а затем повышается. Упрочнение металла при избытке дислокаций объясняется тем, что они препятствуют перемещению друг друга и поэтому затрудняют пластическую деформацию. Упрочнение металла в результате пластической деформации, проводимой при комнатной температуре (холодная деформация), например прокатка, волочение, называется наклепом. При рекристализационном отжиге деформированные вытянутые зерна становятся равноосными, в результате твердость снижается, а пластичность и ударная вязкость повышаются. Для полного снятия внутреннего напряжения в стали нужна температура не менее 600 0С. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным; при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.
Отжиг второго рода - это отжиг, при котором изменяется структура сплава (перекристаллизация). Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный, изотермический, нормализационный (нормализация).
При полном отжиге понижаются твердость и прочность стали. В результате полного отжига структура стали становится близкой к равновесной, что способствует лучшей обрабатываемости резанием и штамповкой. Полный отжиг используют также как окончательную операцию термической обработки заготовок.
Отжигом достигается также измельчение зерна. Крупнозернистая структура получается, например, в результате перегрева стали, такая структура называется видманштетовой.
С ростом зерна снижается ударная вязкость, особенно при высокой твердости (после закалки и низкого отпуска), повышается склонность к закалочным трещинам.
Неполный отжиг применяют после горячей обработки давлением, когда у заготовок мелкозернистая структура.
При изотермическом отжиге после нагрева и выдержки заготовки быстро охлаждают и выдерживают при этой температуре, после чего охлаждают на воздухе.
При нормализации сталь после нагрева охлаждается не в печи, а на воздухе в цехе, что экономичнее. Нагрев ведется до полной перекристаллизации. В результате нормализации сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность после нормализации выше, чем после отжига. Часто нормализацией улучшают структуру перед закалкой.