Теоретическое обоснование. Свойства сплавов зависят не только от их химического состава, но и от структуры (внутреннего строения)

Свойства сплавов зависят не только от их химического состава, но и от структуры (внутреннего строения). Сталь относится к группе сплавов, у которых структура может быть достаточно легко изменена с помощью термической обработки.

Термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенной температуры, выдержке их при этой температуре и последующем охлаждении. Причем, если в сплавах (а к ним относятся и стали) при нагреве и охлаждении в твердом состоянии происходят фазовые превращения, то с помощью тер­мической обработки можно в широких пределах изменять их механические свойства.

В зависимости от условий термической обработки стали одного и то­го же химического состава можно получить самые различные соотношения характеристик прочности, пластичности, упругости и вязкости. С этой целью применяют следующие виды термической обработки:

Отжиг - нагрев стали выше температуры фазовых превращений, вы­держка и медленное охлаждение (с печью). Отжиг применяется для получе­ния равновесной структуры, уменьшения твёрдости и внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости резанием.

Нормализация - нагрев стали выше температуры фазовых превращений, выдержка и охлаждение на воздухе. Для низкоуглеродистой стали нор­мализация применяется для тех же целей, что и отжиг, но она проще и де­шевле. Для высокоуглеродистых и легированных сталей нормализации не
может заменить отжиг, так как возможно получение неравновесных структур.

Закалка - нагрев стали выше температуры фазовых превращений, выдержка и охлаждение со скоростью больше критической скорости охлаждения Vкр.

В результате закалки получают неравновесную структуру, которая обладает высокой прочностью, твердостью и износостойкостью.

При охлаждении стали, нагретой до высокой температуры, возможны два варианта превращения аустенита:

- эвтектоидное (диффузионное) превращение, в результате которого образуется смесь феррита и цементита (см. лабораторную работу 6) и возникают фазы с различным содержанием углерода. Та­кое превращение происходит при отжиге и нормализации;

- бездиффузионное превращение, когда при быстром охлаждении в результате полиморфного превращения Feg ® Feaполучается структура мартенсита - пересыщенного твердого раствора углерода в Fea. Так как это пре­вращение не сопровождается диффузией, то в кристаллической решетке Fea
сохранится столько углерода, сколько его было в аустените. Такой характер превращения аустенита реализуется при закалке.

Наименьшая скорость охлаждения, при которой не происходит диффузи­онного распада аустенита и получается структура мартенсита, называется критической скоростью охлаждения Vкр. Поэтому для закалки стали, нагретой до аустенитного состояния, необходима скорость охлаждения, превышающая VKp.

Рис.8.1. Фрагмент диаграммы Fe – Fe3С и интервал температуры нагpeвa стали при термической обработке.

 

Структура мартенсита, полученная после закалки, является неустойчи­вой. Она обладает высокой прочностью, твердостью, но одновременно имеет очень большие внутренние напряжения и хрупкость. Для уменьшения внут­ренних напряжений и получения необходимого комплекса механических свойств после закалки проводят отпуск.

4. Отпуск - нагрев закаленной стали ниже температуры фазовых пре­вращений. При отпуске неустойчивая структура мартенсита распадается и пе­реходит в более стабильное состояние. При этом структура и свойства получающейся стали зависят от температуры отпуска. Чем выше температура отпуска, тем меньше твердость и прочность, но больше пластичность и вязкость стали.

Температура нагрева при термической обработке стали определяется по диаграмме состояния Fe - Fe3C(рис. 8.1). В практике термической обработки принято называть горизонтальную линию PSK (727°С) линией А1; линию GS - А3; а линию SE - Аст. Если при термической обработке сталь нагревают выше линии А3 - Аст, то такую термическую обработку называют полной. Если нагрев проводят выше линии А1, то ниже линии А3 - Аст, термическую обработку называютнеполной.

Для доэвтектоидных сталей применяется полная термическая обработка. Доэвтектоидные стали называют конструкционными; из них изготовляют де­тали машин (валы, шестерни, пружины и т.д.) и различные конструкции.

При отжиге, нормализации и закалке оптимальная температура нагрева доэвтектоидных сталей составляет А3 +(30 + 50°,). При этой температуре структура стали состоит из мелких зерен аустенита.

При медленном охлаждении происходит диффузионный распад аустени­та, поэтому доэвтектоидная сталь после отжига получает равновесную струк­туру феррита и перлита. После нормализации структура стали аналогична отожженной, но из-за ускоренного охлаждения она несколько мельче, что вы­зывает незначительное повышение твердости и прочности.

Для превышения критической скорости охлаждения при закалке углеродистых сталей часто используют в качестве охлаждающего агента - воду. Структура доэвтектоидной стали после закалки с температуры А3 + (30 + 50°) - мелкоигольчатый мартенсит (2 - 5% аустенита, остающегося всегда после закалки, на свойства не влияют).

Температура нагрева стали при закалке имеет важное значение. Если доэвтектоидную сталь нагреть значительно выше линии А3 (перегрев), то произойдет заметный рост зёрен аустенита. В результате при закалке образу­ется крупноигольчатый мартенсит. Такой мартенсит имеет пониженную твёр­дость, прочность и повышенную хрупкость.

При закалке доэтектоидных сталей с температурой выше А1, но ниже А3 (неполной закалке) в структуре кроме мартенсита сохранится мягкий феррит, что приводит к снижению прочности и твёрдости стали.

Если углеродистые стали закаливать в растительном или минеральном маслах, то скорость охлаждения будет не только меньше, чем при охлаждении в воде, но и меньше критической скорости охлаждения Vкp. При таком охлаж­дении часть аустенита будет распадаться диффузионным путём на мелкодис­персную смесь феррита и цементита - тростит. Оставшийся аустенит при достижении температуры Мнпревращается в мартенсит. Структура, состоя­щая из мартенсита и тростита, уступает по твёрдости и прочности чисто мартенситной.

Заэвтектоидные стали получили название инструментальных. Из них из­готовляют различный режущий, штамповый и измерительный инструмент: резцы, свёрла, матрицы, пуансоны, линейки, скобы и т.д. Инструмент должен иметь высокую прочность, твёрдость, износостойкость, стабильность разме­ров.

Для заэвтектоидных сталей применяют неполную термическую обработ­ку. При этом их нагревают с целью отжига или закалки до температуры А3 + (30 + 50°). При такой температуре структура заэвтектоидной стали со­стоит из аустенита и цементита. При отжиге в результате эвтектоидного превращения аустенит превра­щается в перлит, и структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и це­ментита.

После закалки заэвтектоидная сталь имеет структуру мартенсита и це­ментита с небольшим количеством остаточного аустенита. Наличие цементи­та в структуре инструментальной стали дополнительно повышает её твёр­дость и износостойкость (твёрдость цементита больше твёрдости мартенсита). Нагрев заэвтектоидных сталей выше линии Аст (полная термическая обработка) не применяется. Медленное охлаждение (отжиг) с температурой выше Аст приводит к образованию структуры с очень грубой цементитной сет­кой и повышенной хрупкостью. Закалка с такой температуры приводит к образованию крупноигольчатого мартенсита и повышенного коли­чества остаточного аустенита, в результате сталь приобретает пониженную твёр­дость, прочность и повышенную хрупкость.

Термическая обработка закалённой стали заканчивается отпуском. В за­висимости от назначения и условий работы деталей для обеспечения необхо­димого комплекса механических свойств применяют три вида отпуска:

Низкий отпуск (Т = 150 - 200°С) служит для уменьшения внутренних напряже­ний, хрупкости при сохранении высокой твердости и прочности. Мартенсит за­калки превращается в мартенсит отпуска. Этот вид отпуска применяют, как правило, для режущего и измерительного инструмента. В зависимости от со­держания углерода в стали твёрдость мартенсита составляет 550 - 650 НВ.

Средний отпуск (Т = 300 - 450°) приводит к распаду мартенсита и образованию высокодисперсной смеси феррита и цементита, которая называется троститом отпуска. Структура тростита обладает пониженной прочностью и повы­шенной вязкостью по сравнению с мартенситом. Сталь со структурой тростита отпуска характеризуется самой высокой упругостью среди других структур. Поэтому такой отпуск применяется для рессор и пружин различного назначения. Твёрдость тростита находится в пределах 400 - 550 НВ.

Высокий отпуск (Т = 450 - 600°С) приводит к укрупнению цементитных частиц, появившихся при температуре среднего отпуска. Такая, менее дисперсная, смесь феррита и цементита называется сорбитом отпуска. Сорбит об­ладает оптимальным сочетанием высокой пластичности и ударной вязкости с хорошей прочностью. Твердость сорбита 250 - 350 НВ. Термическая обработ­ка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Боль­шинство деталей машин ответственного назначения подвергают улучшению.