Перетворення в сталі при її нагріванні

Більшість структурних змін, що відбуваються при термічній обробці сталі, безпосередньо пов’язані з процесами, які мають місце при температурах, що відповідають лініям діаграми стану залізо-цементит. Тому і температурні режими термічної обробки пов’язані, у більшості випадків, з положенням цих ліній.

В теорії і практиці термічної обробки широко використовують умовні позначення критичних точок, які наведені в табл.6.1.

Будь-який процес термічної обробки сталі починається з операції її нагріву.Для обґрунтованого проведення цієї технологічної операції термічної обробки необхідні знання процесів, які відбуваються в сталі при її нагріванні.

Таблиця 6.1

Умовні позначення критичних точок при нагріванні та охолодженні

Лінія діаграми Fe-Fe3C	Умовне позначення
загальне	при нагріванні	при охолодженні
PSK	A1	Ас1	Аr1
GS	A3	Ас3	Аr3
SE	Aсm	Aсm	Aсm

У звичайних умовах (t=20^ОС) структура вуглецевих сталей складається:

- доевтектоїдних – з фериту і перліту;

- евтектоїдних – з перліту;

- заевтектоїдних – з перліту і цементиту вторинного.

При нагріванні і досягненні температури Ас₁ відбувається процес, зворотній евтектоїдному, тобто перліт, який складається з фериту і цементиту, перетворюється в аустеніт.

Утворення аустенітних зерен відбувається при постійній температурі і починається на межі феритних і цементитних пластинок перліту з утворення великої кількості зародків нових зерен.Тому після завершення перетворення перліту в аустеніт утворюється дрібнозерниста аустенітна структура в евтектоїдних сталях з надлишковими зернами фериту в доевтектоїдних і цементитною сіткою в заевтектоїдних.

Повне фазове перетворення з утворенням аустеніту відбувається при нагріванні доевтектоїдних сталей до температури Ас₃, а заевтектоїдних - A_сm.

Таким чином, після завершення фазових перетворень при температурах, близьких до Ас₃ для доевтектоїдних, Ас₁ для евтектоїдних і A_сm для заевтектоїдних сталей, вони набувають дрібнозернистої аус-

 

Рис.6.2. Графік нагріву та схеми структурно-фазових

перетворень евтектоїдної сталі

тенітної структури.

При подальшому нагріванні (або тривалій витримці) відбувається зростання аустенітних зерен, що пов’язано зі зменшенням поверхневої енергії при їх укрупненні.

У залежності від характеру впливу температури на розмір зерен аустеніту розрізняють два типи сталей: спадково дрібнозернисті та спадково крупнозернисті.

Нагрівання сталей першого типу до 950…1000^ОС не призводить до росту аустенітних зерен, але при подальшому нагріванні спостерігається інтенсивний їх ріст (рис.6.3, крива 3).

Рис 6.3.Схема росту аустенітного зерна при нагріванні спадково крупнозернистих (3) і спадково дрібнозернистих (4) сталей:

1 – розмір вихідного перлітного зерна; 2 – розмір початкового аустенітного зерна

У сталей другого типу ріст зерен аустеніту починається відразу вище Ас₃ у доевтектоїдних, Ас₁ у евтектоїдних і A_сm у заевтектоїдних (рис.6.3, крива 4).

Спадкова зернистість характеризує тільки схильність аустенітного зерна сталі до росту при її нагріванні. Спадково дрібнозернисті сталі не чутливі до перегріву і тому температурний інтервал їх нагріву при термічній обробці більш широкий, ніж у спадково крупнозернистих.

До спадково дрібнозернистих, в основному, належать спокійні сталі, які розкислюють алюмінієм, марганцем, кремнієм. Алюміній утворює з азотом нітрид алюмінію, дисперсні частинки якого гальмують процес укрупнення аустенітних зерен до температури ~1100^ОС. На структуру сталі впливають також легуючі елементи. Особливо сильно гальмують ріст зерна аустеніту елементи, які утворюють стійкі карбіди типу фаз проникнення. До таких легуючих елементів належать титан, цирконій, молібден, вольфрам, ванадій. Марганець і бор, навпаки, прискорюють зростання аустенітного зерна.

Неправильний вибір температурного інтервалу нагріву може привести до перегріву або до перепалювання сталі.

Перегрівом називається нагрів і довготривала витримка доевтектоїдних сталей при температурах, які значно перевищують точку Ас₃, для евтектоїдних - Ас₁, а для заевтектоїдних A_сm, що призводить до утворення великого дійсного зерна. Перегріта сталь характеризується крупнокристалічним зламом, підвищеною крихкістю. Перегрів може бути виправлений повторною термічною обробкою з нагрівом до оптимальних температур.

Перепалюванням називають окислення та оплавлення границь зерен при нагріванні сталі до температури, яка наближується до температури солідус, в окислювальній атмосфері, що призводить до різкого знеміцнення сталі. Злам перепаленої сталі каменевидний. Перепалена сталь не піддається виправленню і може бути використана тільки як шихтовий матеріал для виплавки сталі.

Розмір зерна сталі суттєво не впливає на механічні властивості,які визначаються статичними випробуваннями на розтяг (, , , y) і на твердість. Але із збільшенням розміру зерна різко знижується ударна в’язкість, робота розповсюдження тріщини і підвищується поріг холодноламкості та схильність сталі до утворення гартівних тріщин. Тому вибір температурного інтервалу нагріву при термічній обробці є дуже важливим кроком при розробці технологічного процесу термічної обробки сталі.