Понятие о термической обработке. Превращения при нагреве и охлаждении

Понятие о термической обработке. Цель термической обработки — получение в заготовке или детали необходимого комплекса свойств (механических, физических, химических) за счет образования необходимой структуры металла. Таким образом, цель — изменение свойства материала, а не размеров и формы заготовки в отличие от других технологий (литье, сварка, обработка давлением и резанием).

В основе термической обработки стали лежат полиморфное превращение (α↔γ), а также фиксация состояний разной степени равновесности.

Термическая обработка может быть разупрочняющей или упрочняющей. Разупрочняющая — для придания заготовке необходимых технологических свойств (например, обрабатываемость резанием выше, если твердость и прочность материала низкие). Упрочняющая — для получения необходимых эксплуатационных свойств детали.

Термическая обработка состоит из нагрева до определенной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждения.

Режимы нагрева сталей и чугунов определяются диаграммой «железо — цементит», а режимы (скорость) охлаждения — диаграммой изотермического превращения аустенита (см. рис. 73).

Общее время нагрева складывается из времени нагрева до заданной температуры т_н и времени выдержки при этой температуре т_в. Время нагрева т_н зависит от многих факторов.

1. От способа нагрева: пламенная или электрическая печь, соляная, металлическая или масляная ванна, электролит, токи высокой частоты и т.д.Тип нагревательного устройства влияет на коэффициент теплоотдачи, который в основном и определяет скорость нагрева. Этот коэффициент зависит от природы нагревающей среды, температуры и размеров детали.

От массы одновременно нагреваемого металла (садки) и расположения деталей в печи.

От физических свойств нагреваемого металла: теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности.

Скорость нагрева зависит от химического состава стали (влияющего на теплофизические свойства стали), структуры стали, конфигурации деталей и от интервала температур, в котором ведется нагрев.

Скорость нагрева тем больше, чем меньше легирована сталь, однороднее ее макро- и микроструктура, проще конфигурация деталей и равномернее подвод тепла к ней, скорость нагрева можно повысить двумя путями: увеличением коэффициента теплоотдачи при неизменной температуре нагревающей среды; значительным превышением температуры нагревающей среды над температурой нагрева детали.

Для увеличения коэффициента теплоотдачи, например, заменяют газовую нагревающую среду жидкой (электропечь — ванной).

На практике встречаются следующие режимы нагрева:

медленный нагрев деталей вместе с печью. Этот режим применяют при нагреве литых деталей или больших поковок сложной конфигурации из легированной стали. Продолжительность нагрева в данном случае велика;

нагрев деталей в печи с постоянной температурой, поддерживаемой на заданном уровне. Время нагрева меньше, чем в первом случае, но увеличивается разность температур по сечению;

нагрев детали в печи, имеющей температуру, значительно превышающую ту, которая необходима для нагрева деталей. Нагрев происходит быстро, но имеется большой перепад температур по сечению;

нагрев деталей с подогревом в другой печи. В этом случае обе печи предварительно нагревают до заданной температуры и детали загружают в печь. Время нагрева меньше, чем в первом случае, и перепад температур по сечению небольшой.

Время выдержки т_в при температуре нагрева необходимо для завершения процессов структурных превращений по всему объему деталей (иногда для выравнивания температуры по объему садки). В основном процесс заканчивается при достижении сердцевиной заданной температуры нагрева. Обычно время нагрева принимают равным 1/5 от времени выдержки, исключая особые режимы термообработки.

Скорость охлаждения регулируется средой, в которой происходит охлаждение. Так, при охлаждении деталей вместе с печью скорость охлаждения составляет 20—30 град/ч.Скорость охлаждения в воде свыше 300 град/с. При охлаждении на воздухе скорость охлаждения несколько выше, чем при охлаждении с печью.

Превращения при нагреве стали связаны с достижением сплавами критических точек, т. е. температур, при которых происходят фазовые превращения.

В системе железоуглеродистых сплавов приняты следующие обозначения критических температур: температура линии PSK обозначается А₁ , температура линии GS— А₃ температура линии ES — А_т. Чтобы отличить критическую температуру, полученную при охлаждении, от критической температуры, полученной при нагреве, перед цифровым индексом при охлаждении ставят букву r (Ar₁, Ar₃), а при нагреве — с (Ас₁, Ас₃).

Зародыши аустенита возникают на границе раздела кристаллов феррита и цементита. Так как эта граница имеет большую протяженность, то превращение начинается с образования большого числа зародышей.

С увеличением степени перегрева относительно точки Ac₁ перлит с различной скоростью в зависимости от степени перегрева превращается в аустенит (рис. 70). Так, повышение температуры с 740⁰С до 800⁰С приводит к увеличению скорости возникновения зародышей аустенита в 280 раз и скорости их роста в 82раза.

Окончание процесса превращения характеризуется образованием аустенита и исчезновением перлита. Вновь образовавшийся аустенит неоднороден даже в объеме одного зерна. В тех местах, где раньше были пластинки цементита, содержание углерода значительно больше, чем в тех местах, где были пластинки феррита.

Для получения однородного (гомогенного) аустенита необходимо сталь нагреть выше Ас_] и дать выдержку для завершения протекания диффузионных процессов. Скорость превращения перлита в аустенит зависит не только от температуры нагрева, но также от дисперсности цементита и его формы. Чем мельче частицы цементита, тем больше их суммарная поверхность, тем быстрее протекает превращение перлита в аустенит.

При нагреве сталей с содержанием углерода менее 0,8%, т.е. доэвтектоидных, с исходной структурой, состоящей из феррита и перлита, происходят следующие структурные превращения. При температуре 727°С происходит превращение перлита в аустенит. При этом сохраняется двухфазная структура — из аустенита и феррита. При дальнейшем нагреве происходит превращение феррита в аустенит, которое заканчивается при достижении критической температуры — А₃ т.е. на линии GS.

У заэвтектоидных сталей нагрев выше температуры А₁ (это 727⁰С, линия PSK, здесь также перлит превращается в аустенит) происходит растворение цементита в аустените (в соответствии с линией SE), которое заканчивается при критической температуре Ас_m. т.е. на линии SЕ.

Превращения при охлажедении. Изотермическое превращение аустенита — т. е. превращение аустенита в перлит — заключается в распаде аустенита на феррит и цементит:

А _0,8 П(Ф _0,02 + Ц _6,67 )

При температуре А₁(рис. 1) аустенит и перлит находятся в равновесии, так как при этом наблюдается равенство свободных энергий аустенита и перлита. Для того чтобы превращение аустенита в перлит было устойчивым, необходимо некоторое переохлаждение, при котором свободная энергия перлита станет меньше, чем свободная энергия аустенита. Превращение идет при температуре, которая ниже А_г

Наиболее полное представление о превращениях аустенита при различных степенях переохлаждения дает диаграмма изотермического превращения.

Диаграмму изотермического превращения строят в координатах «температура — время» (логарифм времени). Левая кривая на диаграмме изотермического превращения характеризует начало распада аустенита, а правая кривая — конец распада, а также показывает время, необходимое для полного распада аустенита.

Рис.1 Диаграмма изотермического превращения

аустенита: П-перлит, С-сорбит, Т-троостит,

Б-бейнит

В области левее первой кривой находится переохлажденный аустенит. При температуре ~ 550°С существует область наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита.

Для углеродистых сталей продолжительность ее составляет 1—2 с.

При превращении аустенита в перлит, протекающем между кривыми начала и конца распада, происходят как диффузионные, так и бездиффузионные процессы. Диффузионные процессы заключаются в выделении из аустенита кристаллов цементита и их росте. Вследствие выделения цементита из аустенита концентрация углерода в нем снижается. При достижении содержания углерода в аустените, равного 0,02%, т. е. растворимости углерода в феррите при 727 ⁰С,происходит бездиффузионное превращение аустенита в феррит (А _0,02 Ф_0,02).

Меняя скорость охлаждения, т. е. степень переохлаждения, мы можем влиять на диффузионные процессы, которые развиваются во времени, но не можем управлять бездиффузионными процессами, происходящими с очень большой скоростью, практически мгновенно.

Получение более дисперсных структур связано с подавлением в большей или меньшей степени второй стадии диффузионного процесса — роста (коагуляции) кристаллов цементита.

Таким образом, структура и свойства продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит процесс распада. В том случае, если превращение происходит при высоких температурах (низкая скорость охлаждения, малая степень переохлаждения), получается грубая смесь феррита и цементита (его кристаллы успели вырасти), которая называется перлитом. Понижение температуры превращения вызывает образование смеси более тонкого строения (меньшая степень роста кристаллов цементита), которая получила название сорбит. При еще более низкой температуре образуется троостит — структура более дисперсная.

Таким образом перлит, сорбит и троостит представляют собой ферритно-цементитные смеси различной дисперсности, имеющие пластинчатое строение цементита.

Твердость и прочность ферритно-цементитной смеси прямо пропорциональны дисперсности фаз; чем дисперснее структура, тем выше твердость и прочность.

В случае очень высокой скорости охлаждения удается полностью подавить диффузионные процессы, происходит только бездиффузионное превращение, которое называется мартенситным и будет рассмотрено ниже. Горизонтальная линия М_н — температура начала этого превращения; М_к — температура конца.

При температурах, когда диффузия атомов железа сильно замедляется, а атомов углерода протекает сравнительно легко (скорость охлаждения выше, чем при образовании троостита, но недостаточна для получения мартенсита), происходит промежуточное — бейнитное — превращение, для которого характерны особенности как перлитного, так и мартенситного превращений.

В результате промежуточного превращения образуется структура, состоящая из смеси α-фазы, часто пересыщенной углеродом, и карбида (цементита), которая называется бейнит, или игольчатый троостит.

В зависимости от температур образования различают два вида бейнита: верхний, который образуется в верхнем интервале температур промежуточного превращения, и нижний.

Верхний бейнит по своему строению напоминает строение троостита, а нижний — мартенсита. Прочность и пластичность нижнего бейнита выше, чем верхнего.

Изотермическое превращение доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей несколько отличается от изотермического превращения эвтектоидной стали.

В верхнем интервале температур у доэвтектоидных сталей сначала выделяется избыточный феррит, а в заэвтектоидных — избыточный цементит.

Размерность скорости охлаждения -град/с.

Дата добавления: 2015-06-27