Основы теории термической обработки. Термическая обработка – процесс обработки изделий из технических материалов путем теплового воздействия (нагрева и охлаждения) с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Основными параметрами термической обработки являются температура нагрева t н, время выдержки tв при этой температуре, скорость нагревания и скорость охлаждения (рис. 1).
В основу термической обработки изделий машиностроения из сталей приня-ты фазовые превращения первого рода, происходящие в твердом состоянии при нагреве и охлаждении у железоуглеро-дистых сплавов. Изменения структуры материала обусловливают и соответс-твующие изменения различных свойств изделий. Рассмотрим фазовые превращения при нагревании и охлаждении
Рис. 1. Схема проведения термической на примере эвтектоидной стали с содержа-
обработки нием 0,8 % углерода.
Фазовые превращения при нагревании стали. Исходная структура стали с содержанием 0,8 % С (сталь У8) до термической обработки представляет собой перлит, состоящий из двух фаз: феррита и цементита. Как следует из диаграммы состояния F e – C, в процессе медленного нагревания стали обычно в печах по достижении температуры точки S, обозначаемой как tАс1 (для углеродистых сталей 727 °С), происходит фазовое превращение:
|
|
.
Переход перлита в аустенит (аустенизация) происходит в три этапа:
1. Образование зародышей аустенитной фазы на границах зерен феррита и цементита и их рост одновременно с растворением кристаллов цементита. Скорость роста аустенита за счет растворения феррита больше, чем скорость растворения цементита в растущем аустените. Ко времени завершения образования аустенита в структуре остается частично неполностью растворившийся цементит, т.е. структура представляет собой «аустенит + цементит» (А+Ц).
2. Продолжение и полное растворение в аустените остатков цементита (Ц®А) с образованием аустенита, неоднородного по концентрации углерода. В тех микрообъемах аустенита, где ранее находился цементит с содержанием С=7,86 % С, концентрация углерода в аустените повышена (С>0,8 % С).
3. Процесс выравнивания содержания углерода во всех зернах аустенита до 0,8 % С путем диффузии атомов углерода.
Образование аустенита из перлита (феррит + цементит) по этапам показано на рис.2.
Рис. 2. Схема образования аустенитных зерен (М.Е. Блантер)
При дальнейшем нагревании сталей выше температуры Ас1 у одних сталей, особенно при введении в них V, Ti, Al, Zr, сохраняется мелкое зерно аустенита до высоких температур 950…1100 °С. Это наследственно мелкозернистые стали. У других сталей в зависимости от химического состава и особенностей металлургического производства зерно аустенита интенсивно увеличивается уже при небольших превышениях температуры выше Ас3 для конструкционных сталей. Такие стали называют наследственно крупнозернистыми.
|
|
Фазовые превращения при охлаждении переохлажденного аустенита. Важнейшую роль при термической обработке играет этап охлаждения. Именно на этом этапе формируется из аустенита в результате фазовых превращений окончательная микроструктура и обеспечивается получение заданных механических и других свойств, которые будет иметь изделие. Для основных видов термической обработки сталей нагрев проводится до получения структуры аустенита (рис. 3).
Рис. 3. Интервал температур нагрева при проведении полного отжига и закалки стали
Для характеристики фазовых превращений, происходящих у аустенита, переохлажденного ниже температуры Ас1, изучаются эти превращения в процессе выдержек во времени при постоянных разных температурах. Экспериментально полученные данные обобщаются графически в координатах «температура-время в логарифмической шкале». Таким образом, получают диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита для разных сталей (рис. 4).
Рис. 4. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита
доэвтектоидной углеродистой стали
На этой диаграмме в интервале температур «А1-Мн» видны две С-образные кривые. Левая кривая характеризует начало фазового превращения переохлажденного аустенита, а правая – окончание превращения.
В нижней части диаграммы расположены две горизонтальные линии Мн и Мк. Они показывают интервал прохождения особого мартенситного превращения переохлажденного аустенита. В верхней части диаграммы имеется кривая линия, характеризующая фазовое превращение части аустенита в феррит (А®Ф).
В зависимости от степени (величины) переохлаждения аустенита ниже температуры эвтектоидного превращения Ас1 происходит одно из трех фазовых превращений:
· перлитное превращение А ® Ф+Ц (t А1 > t >»550 °С);
· бейнитное превращение А ® бейнит (»550 °С> t >Мн);
· мартенситное превращение А ® мартенсит (Мн> t >Мк).
Краткая характеристика этих фазовых превращений переохлажденного аустенита приведена в табл. 1.
Таблица 1