4) Термическая обработка стали

Термическая обработка стали является наиболее характерным и хорошо изученным процессом, базирующимся на наличии в ней аллотропических превращений, происходящих при нагреве и охлаждении в области определенных критических температур. Управляемые структурно-фазовые процес­сы в стали, которые обеспечивают получение требуемой фазовой и дислокационной структуры, происходят вследствие наличия аллотропии. Рассмотрим важнейшие из этих процессов.

Основные виды термической обработки стали

Изменяя режим охлаждения нагретой до аустенитного состояния стали, можно в широком диапазоне изменять ее дислокационно-фазовое строение и, таким образом, получать различные комплексы механических и других свойств. На этом, собственно, и основаны такие наиболее часто применяемые виды термообработки, как отжиг, нормализация и закалка. Важным ви­дом термообработки, выполняемым после закалки, является отпуск.

Отжиг. Традиционно сложившееся понятие «отжиг» охватывает несколько отличающихся друг от друга по режиму операций термообработки, объединенных единой целью — привести сталь в термодинамически равновесное состояние с минимальной плотностью дислокаций (10⁶—10⁷ см^-2), по возмож­ности низкой твердостью и высокой пластичностью.

Диффузионный отжиг, или гомогенизация, является разновидностью отжига, применяемого с целью устранения в легированной стали (как и в других сплавах) дендрит­ной ликвации.

При диффузионном отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000—1100 °С и подвергается длительной выдержке (18—24 ч). Для устранения крупнозернистое™ после гомогениза­ции производится обыкновенный отжиг, или нормализация.

Рекристаллизационный отжиг. Этот вид отжига производит­ся с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла. На­помним, что наклепанный металл очень тверд и хрупок, его кристалли­ческая решетка вследствие высокой плотности дислокаций и наличия большого числа других дефектов (вакансий, перемещенных в междоуз­лия атомов), а также из-за искажений и больших внутренних напряжений находится в неравновесном состоянии, обладая большим запасом избы­точной свободной энергии. В сильно наклепанном металле из-за слияния дислокаций в местах их скопления наблюдаются опасные дефекты — зародыши трещин.

Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали производится при температуре нагрева в пределах 600—700 °С.

Нормализация. Особенностями режима этого вида термообработки яв­ляются температура нагрева (на 30—50° выше линии GSE, см. рис. 5.6) и охлаждение на спокойном воздухе. Эти особенности обусловлены специфи­ческими целями нормализации. Применительно к доэвтектоидным сталям, особенно низкоуглеродистым (0,05—0,25% С), нормализация за более ко­роткое время и при большей простоте режима охлаждения позволяет полу­чить те же результаты, что и при отжиге, т. е. весьма эффективное измельче­ние зерна у литых и кованых заготовок.

Так как охлаждение на воздухе обеспечивает более высокую степень переохлаждения аустенита, чем при отжиге, то продукты его распада оказы­ваются более дисперсными, а плотность генерируемых дислокаций прибли­жается к 10 см^- . Вследствие этого нормализацией можно получить более благоприятную мелкозернистую структуру стали, обладающую повышенны­ми прочностными свойствами.

Закалка. Исторически сложившееся понятие «закалка» предполагает такую термообработку, при которой сталь приобретает неравновесную структуру, что прежде всего выражается в повышении твердости стали. В связи с этим к закалке можно отнести термообработку на сорбит, тростит, бейнит и мартенсит. Степень неравновесности продуктов закалки с увеличением скорости охлаждения повышается и возрастает от сорбита к мартенситу.

Закалку на мартенсит принято считать истинной закалкой. Важнейшим пре­имуществом истинной закалки является возможность получения из мартенсита за счет последующего отпуска продуктов с такими ценными комплексами свойств, которые другими видами термообработки получить невозможно.

Критическая скорость закалки имеет очень важное значение. От нее зависит такое технологическое свойство стали, как прокаливае-мость, т. е. способность закаливаться на определенную глубину. Чем меньше величина v_K, тем на большую глубину от поверхности детали распространя­ется закалка (поскольку фактическая скорость охлаждения по мере увеличе­ния расстояния от поверхности уменьшается и на каком-то удалении может оказаться меньше v_K).

Низкотемпературный (низкий) отпуск производится при 150—180 °С, а для легированных сталей — до 250 °С. В этом случае при низкой интенсив­ности диффузионных процессов в мартенсите происходит только начальная стадия к его переходу в равновесное состояние.

При низком отпуске мартенсит лишь частично освобождается от пере­сыщающих его решетку атомов углерода. Поэтому основу мартенсита отпуска составляет все еще пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe Однако в нем несколько уменьшается число охрупчиваюших его трех-центровых ковалентных Fe—С—Fe-связей. Освобождающийся при этом уг­лерод еще не может образовать стабильного карбида железа в виде частиц цементита Fe₃C, обособившихся от кристаллической решетки мартенсита.

Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре от 350 до 450 °С (иногда до 470 °С). При таком нагреве завершается распад мартенсита, приводящий к образованию нормальных по составу и внутреннему строению феррита и цементита. Однако вследствие все еще недос таточной интенсивности диффузионных процессов размер зерен образующихся фаз оказывается очень малым.

Образующийся при среднем отпуске продукт называется троститом от­пуска Т₀. В нем, в отличие от тростита закалки, цементит представлен не пластиночками, а в виде мельчайших зерен, что обусловливает его более высокую вязкость в сравнении с троститом закалки.

Высокотемпературный (высокий) отпуск осуществляется при 500—650 °С. При таких условиях нагрева при усилившихся диффузионных процессах происходит образование более крупных, чем у Т₀, зерен феррита и цементи­та, сопровождающееся дальнейшим снижением плотности дислокаций (до 10⁸—10⁹ см"²) и практически полным устранением остаточных напряжений.

Получающийся при высоком отпуске продукт распада мартенсита, называемый сорбитом отпуска С₀, обладает максимальной для стали вязко­стью, сочетающейся с удовлетворительными показателями прочности. Такой комплекс является идеальным для деталей машин, подвергающихся динами­ческим и циклическим нагрузкам. Благодаря этому преимуществу термиче­скую обработку, сочетающую закалку и высокий отпуск, издавна называют улучшением.

Назначение:

ТМО позволяет получить у стали более высокие прочностные и вязко­стно-пластические свойства, чем после обычной закалки и низкого отпуска. Дополнительный положительный эффект при ТМО объясняется предвари­тельным наклепом аустенита во время пластической деформации. Последст­вия этого наклепа передаются мартенситу в виде дополнительных, возник­ших при наклепе дислокаций, которые, складываясь с дислокациями, возни­кающими при последующем мартенситном превращении, создают более плотную (до 10¹³ см^-2) дислокационную структуру.