Структурные превращения при термообработке стали и их классификация. Виды термообработки стали.

В теории термообработки рассматриваются 4 основных превращений, обеспечивающих структурообразование в сталях.

1) Превращение при нагревании (П®А)

2) Превращение при охлаждении (А®П)

3) Превращения при закалке (мартенситное: А®М)

4) Превращения при отпуске (М®П).

Виды термообработки стали: отжиг (рекристаллизационный отжиг 1-ого рода, полный/неполный отжиг 2-ого рода, диффузионный отжиг (для выравнивания хим. состава по сечению материала, очень длительный процесс, выполняющийся при высоких температурах)), закалка (полная/неполная), различные виды отпуска (низкий, средний, высокий).

При нагреве добавляются А_с1, А_с3, при охлаждении – А_R1, А_R3. Эти точки никогда не совпадают: чем выше скорость нагрева, тем выше точки находятся.

Температура рекристаллизационного отжига: 500-600°С.

Т_рекр.=a×Т_пл.

Т_{рекр.отжига}=Т_рекр.+50...150°С

Полный отжиг для доэвтектоидных сталей; нагрев выше А_С3, выдержка вместе с печью до 500-600°С, дальше на воздухе. За счет фазовой перекристаллизации можно уменьшить зерно. Уменьшается твердость, прочность, убирается напряжение, хорошая обрабатываемость.

Неполный отжиг для заэвтектоидных сталей; нагрев выше А_С1 (ниже SE), нагрев, выдержка, охлождение вместе с печью до 500-600°С, дальше на воздухе. В результате получается перлит зернистый.

Закалка: Для доэвтектоидных сталей полная закалка, для заэвтектоидных – неполная закалка.

Полная закалка: нагрев на t выше А_С3 на 30...50°С, резкое охлаждение (углеродистые стали в воде, легированные в минеральном масле, если охлаждать легированные стали в воде, то будут трещины, если углеродистые стали в масле – недостаточная твердость; высокоуглеродистые стали закаливают сначала в воде, затем в масле). Для заэвтектоидных сталей неполная закалка. Нагрев на 30...50°С выше А_С1, выдержка, резкое охлаждение. Отпуск:

 

 

Низкий отпуск – 150…350(300)ºС, средний отпуск – 350(300)…450(500)ºС, высокий отпуск – 450(500)…600ºС. Конкретные показатели свойств для заданных температур есть в справочниках.

Высокая твердость и прочность после закалки обусловлено образованием мартенсита.

М – перенасыщенный твердый раствор углерода в a-железе с тетрагональной кристаллической решеткой. Если решетка не перенасыщена, то это феррит.

Сталь 45 – степень перенасыщения 45

 

В результате закалки реализуется правая часть кривой. При отпуске М распадается. Из М выделяется углерод в связанном состоянии (карбид железа Fe₃C (Ц)). Феррито-цементитная смесь называется П. При низком отпуске формируется феррито-карбидная смесь мелокодисперсного строения (игольчатое). Структура: мартенсит отпущенный.

После среднего отпуска: феррито-карбидная смесь более крупнодисперсного строения (зернисты). Стуктура: тростит (Т).

При высоком отпуске: феррито-карбидная смесь, еще более крупнодисперсное строение (зернистый). Структура: сорбит (С).

М_отп.®Т®С®П – увеличивается пластичность, уменьшается твердость.

После закалки в структуре стали преобладает мартенсит, который образуется из А. Но мартенситное превращение протекает не до конца. В структуре есть определенная доля А остаточного. В углеродистых сталях его доля до 5%, в легированных – до 20-30%.

А – легкая, пластичная, вязкая структурная составляющая. Его наличие после закалки не желательно. Чем больше С и легирующих компонентов, тем доля А_ост. больше. Повышение температуры нагрева способствует увеличению А_ост.

Превращение в стали при нагреве. Образование и рост аустенитного зерна.

 

При t>727ºC у аустенита меньше свободной энергии, поэтому он термодинамически более устойчив. Процесс идёт, если есть перенагрев. В точке S – равновесие → процесс невозможен. Если обеспечить перегрев, процесс будет ускоряться, увеличится диффузионная подвижность атомов. Закономерности, происходящие при превращении анализируют с помощью диаграмм превращения П→А.

t₁a₁, t₂a₂, t₃a₃ – инкубационный период

а – начало превращения

b − конец превращения.

При постоянных температурах (t₁, t₂, t₃) определяется время, через которое начинается и заканчивается процесс превращения. Из диаграммы видно, что чем выше температура, тем больше время, через которое начинается и заканчивается превращение. В реальных условиях нагрев протекает с конкретной скоростью.

Чем выше скорость нагрева, тем выше температура начала и конца превращения. чем выше скорость нагрева, тем в большей степени смещаются вверх критические температурные точки и нагрев нужно проводить до более высоких температур. Камерная печь с газовой атмосферой – медленный нагрев на 30-50ºС выше А_с3. Часто используют высокоскоростной нагрев с использованием ТВЧ (индукционный нагрев на 100-150ºС выше А_с3).

Закономерности образования и роста аустенитного зерна.

При t>A₁ П→А.

 

При повышении t термодинамически выгодно укрупнение зерна А, т.к. ведёт к уменьшению запаса свободной энергии. Однако, одни стали сразу подчиняются законам термодинамики (зерно растёт), другие до очень высоких t не изменяют размер зерна. Принадлежность к той или иной группе определяют после выдержки образцов стали при 930ºС и определения номера зерна. Если номер зерна после выдержки больше 6 – наследственно мелкозернистые стали, если меньше 4 – наследственно крупнозернистые. Чем меньше зерно, тем выше твёрдость, пластичность, ударная вязкость. Чем крупнее зерно, тем выше теплопроводность, электропроводность, жаропроводность. Применение наследственно мелкозернистых сталей лучше. У наследственно мелкозернистых сталей по границе А зерна располагаются отдельные структурные составляющие, которые задерживают рост зерна (нитриды, карбиды). Пока они не растворятся в А, рост зерна не происходит. Наиболее эффективно влияют карбиды хрома, вольфрама. Наиболее труднорастворимы карбиды ванадия.