книги / Основы металловедения и термообработки

Диффузионная подвижность атомов углерода в этом интер­ вале температур делает возможным существование в аустените микрообъемов с пониженной концентрацией углерода. Именно в этих участках становится возможным образование мартенсита, так как с понижением содержания углерода в аустените темпе­ ратура его мартенситного превращения повышается. В микро­ объемах аустенита, обогащенных углеродом, происходит обра­ зование карбидов в виде коротких пластинок кристаллов цемен­ тита. Вследствие этого уменьшается локальное содержание углерода и развивается мартенситное превращение. К моменту полиморфного превращения аустенит не полностью освобожда­ ется от растворенного углерода, поэтому образующиеся кри­ сталлы Fea несколько пересыщены углеродом и имеют форму тонких пластин, на границах которых оказываются тонкие пла­ стинки цементита.

Образовавшийся при температурах 400-550 °С бейнит на­ зывают верхним, он имеет перистое строение.

Образующийся при температурах < 400 °С...М и нижний бейнит имеет пластинчатое (игольчатое) строение. Его а-фаза значительно пересыщена углеродом, и поэтому сразу после (у -» а) превращения в a -фазе выделяются дисперсные карбиды.

После закалки на мартенсит или бейнит стали имеют высо­ кую прочность (твердость) и низкую пластичность. Для повы­ шения пластичности и снижения твердости закаленные стали подвергают отпуску (нагрев до температур < А а ) для получения требуемого сочетания прочности и пластичности.

После отпуска стали, закаленные на мартенсит или на ниж­ ний бейнит, образовавшийся при температурах на 50-100 °С выше точки М„, имеют высокую прочность и достаточно высо­ кую пластичность и вязкость, в то время как для сталей, зака­ ленных на верхний бейнит, после отпуска характерно сочетание относительно низкой прочности с недостаточной пластичностью и вязкостью.

Вследствие повышенной устойчивости аустенита высоко­ углеродистых и легированных сталей температура окончания мартенситного превращения (Мк) этих сталей может быть ниже комнатной. В структуре таких сталей после закалки кроме мар­ тенсита есть остаточный аустенит. Для его превращения в мартенсит детали после закалки подвергают обработке холо­ дом - охлаждению до температуры - 40.. .-196 °С.

Отпуск закаленных сталей включает нагрев до температур, не превышающих Аи выдержку при этой температуре и после­ дующее охлаждение. При отпуске происходят изменения струк­ туры, связанные с протеканием нескольких процессов. Основ­ ной - распад мартенсита, состоящий в выделении углерода из пересыщенной им a -фазы и образовании карбидов, кроме того, распадается остаточный аустенит (в сталях с точкой Мк ниже комнатной температуры), происходит коагуляция (укрупнение

и«округление») карбидов, уменьшение плотности несовершенств кристаллического строения a -фазы и остаточных напряжений.

Отпуск стали снижает ее прочность (твердость, ав, аод)

иповышает пластичность (Ô, \р) - рис. 60.

Обычно выделяют три вида отпуска, соответствующие оп­ ределенным интервалам температур нагрева.

Низкий отпуск (до 200 °С) не приводит к заметным струк­ турным изменениям, так как при малой подвижности атомов углерода они по-прежнему остаются в состоянии пересыщенно­ го твердого раствора a -фазы, и лишь их смещение к несовер­ шенствам кристаллического строения (границы зерен и субзе­ рен, дислокации, вакансии) способствует некоторому снижению остаточных напряжений и делает возможным распад остаточно­ го аустенита. Отпущенный мартенсит сохраняет высокую твер­ дость, но менее хрупок. Низкий отпуск применяется для режу­ щего инструмента и деталей, термообрабатываемых на высокую твердость и износостойкость.

но высокая подвижность атомов углерода и железа при темпера­ туре высокого отпуска приводит к коагуляции карбидов и рекри­ сталлизации a -фазы, имевшей до этого фазовый наклеп и повы­ шенную плотность дефектов кристаллического строения. После высокого отпуска сталь приобретает наилучший комплекс меха­ нических свойств: повышенную пластичность и вязкость при достаточной прочности. Высокий отпуск применяют для деталей машин и конструкций, работающих в сложных условиях статиче­ ского, динамического и знакопеременного нагружения. Термиче­ скую обработку конструкционных сталей, включающую полную закалку и высокий отпуск, называютулучшением.

5.2. Основные виды термообработки

углеродистой стали

Термическую обработку сталей можно разделить на пред­ варительную (отжиг, нормализация) и упрочняющую (закалка с последующим отпуском). Схема проведения этих видов тер­ мообработки представлена на рис. 61.

Отжиг и нормализация могут быть и окончательной термо­ обработкой заготовок, деталей, конструкций, если не ставится задача получения высокой прочности металла.

Время

Рис. 61. Схематические графики основных операций термической обработки:

1 - отжиг; 2 - нормализация; 3 - закалка;

4 - отпуск на различные температуры

Отжиг проводят для устранения химической или физиче­ ской неоднородности металла заготовок, созданной предшест­ вующими обработками (литье, обработка металла давлением, сварка, правка).

Цели отжига:

-устранение химической и структурной неоднородности

стали;

-уменьшение внутренних напряжений;

-снижение твердости стали для облегчения механической обработки;

-получение мелкозернистой однородной структуры стали перед проведением упрочняющей термообработки.

Существуют различные виды отжига: полный, неполный (ускоренный), диффузионный (гомогенизация), рекристаллизационный, изотермический, отжиг для снятия остаточных на­ пряжений. Температурно-временные параметры режимов от­ жига различны, но для них характерны длительная выдержка при температурах нагрева и последующее медленное охлажде­ ние. На рис. 62 представлена схема, указывающая температур­ ные интервалы нагрева для различных видов отжига углероди­ стой стали.

Полный отжиг проводится для доэвтектоидных сталей с нагревом на 30-50 °С выше критической температуры Аз (од­ нородный аустенит), выдержкой при этой температуре и по­ следующим медленным охлаждением (рис. 63). Перекристал­ лизация стали при Fea -> Fey превращении обеспечивает полу­ чение однородной структуры, а распад аустенита на перлитную структуру - низкую твердость и высокую пластич­ ность, что весьма важно для механической обработки и холод­ ной деформации.

Изотермический отжиг включает нагрев заготовки на 30-50 °С выше температуры точки А3, выдержку при этой тем­ пературе и быстрый перенос в среду с постоянной температурой несколько ниже температуры точки А\ (обычно 630-700 °С). За­ готовку выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита, после чего охлаждают на воздухе (рис. 63). Распад аустенита при постоянной температуре дает более равномерную структуру феррито-цементитной смеси, чем получаемую при полном отжиге. Это дает лучшую обрабатываемость стали реза­ нием (выше качество поверхности) и уменьшает деформации деталей при последующих нагревах.

При неполном отжиге нагревают заготовки до температур незначительно превышающих точку Аси вследствие чего пере­ кристаллизация доэвтектоидных сталей происходит лишь час­ тично: в аустенит превращается только перлит и незначительная доля феррита. Неполный отжиг доэвтектоидных сталей прово­ дится в тех случаях, когда не требуется исправление крупноили разнозернистости структуры стали заготовок, но необходи­ мо улучшение их обрабатываемости резанием.

Для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг (нагрев выше температуры Ai), который позволяет полу­ чить зернистую структуру перлита вместо пластинчатой (рис. 64, б). Такой отжиг называют сферодизацией. Сталь с зер­ нистым перлитом имеет более высокую пластичность и вязкость и меньшую твердость. Полный отжиг заэвтектоидной стали с нагревом выше температуры Аст до аустенитного состояния нецелесообразен, так как при медленном охлаждении стали в интервале Аст... Ас\ будет выделяться цементит в виде сетки по гарницам аустенитных зерен (рис. 64, а). Пластичность стали с цементитной сеткой очень низка, разрушение обычно хрупкое по границам зерен.

Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для отливок, сварных узлов и конструкций, деталей после обра­ ботки резанием, после правки и др., когда технологические опе­ рации дают неравномерность охлаждения, неоднородность де­ формации. Остаточные напряжения за время хранения детали могут вызвать коробление и даже разрушение (шлифовочные трещины, трещины в сварных соединениях и др.). Отжиг сталь­ ных изделий для снятия статочных напряжений проводится при температуре от 160 до 700 °С с последующим медленным охла­ ждением. Так, прецизионные длинномерные детали (трубы, хо­ довые винты, червяки, зубчатые колеса и др.) после основной механической обработки часто проходят отжиг при 570-600 °С (2-3 ч), а после окончательной - при 160-180 °С (2,5-2 ч) для снятия шлифовочных напряжений. Отжиг сварных соединений проводят при 650-700 °С.

Так называемому противофокенному отжигу подвергают крупные (сечение > 100 мм) поковки и отливки из легированных сталей. Этот отжиг имеет целью исключить опасность образова­ ния в металле заготовок флокенов - трещин-надрывов. Причину их образования объясняют наличием водорода в твердом рас­ творе и внутренних напряжений в металле после обработки дав­ лением, кристаллизации и ускоренного охлаждения заготовок. Поскольку растворимость водорода в Fea значительно меньше, чем Fey, отжиг ведут при температуре ниже Ас\ (650-680 °С), добиваясь длительными выдержками (до « 50 ч) снижения со­ держания водорода в твердом растворе до неопасных для флокенообразования концентраций (< 2 см2/100 г).

Нормализация заключается в нагреве стали в аустенитное состояние (на 50 °С выше температуры доэвтектоидных и Аст заэвтектоидных сталей), выдержке при этой температуре и ох­ лаждении на воздухе. Полная фазовая перекристаллизация при нагреве устраняет крупнозернистую структуру стали, получае­ мую в крупных отливках, поковках, прокате. Ускоренное охла­ ждение на воздухе предотвращает образование феррита в интер-

89

вале температур А3-А, и приводит к распаду аустенита на дис­ персную феррито-цементитную структуру типа сорбита. Норма­ лизация применяется для исправления структуры перегретой стали, устранения цементитной сетки заэвтектоидных сталей, выравнивания структуры металла сварного соединения, снятия внутренних напряжений.

Закалка применяется с целью повышения твердости стали за счет получения структуры мартенсита. Закалка заключается в нагреве стали до температуры выше критической (рис. 65), выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превы­ шающей критическую. Высокая твердость и хрупкость мартен­ сита и напряжения, вызванные закалкой, делают обязательным проведение отпуска закаленной стали.

Рис. 65. Оптимальные температуры нагрева под закалку углеродистых сталей

Для того чтобы переохладить аустенит углеродистых ста­ лей до температуры мартенситного превращения, необходима высокая скорость охлаждения (К^ = 400-1400 град/с). Такая скорость охлаждения достигается погружением закаливаемых деталей в холодную воду и в воду с добавками соли-NaCl или едкого натра (NaOH).