Краткие сведения из теории
Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических сплавов, находящихся в твердом состоянии, с целью изменения их структуры и получения необходимых механических свойств – прочности, износостойкости, долговечности и др.
Структурные превращения в стали при нагреве
Структурные превращения в эвтектоидной стали при нагреве представляют собой превращение перлита в аустенит (П→А), протекающее при температурах выше А1=727ОС (рис.3.1) при постоянной температуре в условиях изотермического нагрева (кривая 1) или в интервале температур при непрерывном нагреве (кривые 2 и 3).
Рис. 3.1. Диаграмма превращения
перлита в аустенит (П А):
Изотермического;
2, 3 - в интервале температур
0,1 1 10 100 1000 τ,с
Образование зерен аустенита (рис.3.2) происходит путем появления в перлите зародышей кристаллов аустенита на межфазных границах между ферритом и цементитом (рис.3.2, а), их роста до взаимного соприкосновения (рис.3.2, б) и дальнейшего укрупнения (рис.3.2, в).
а б в
Рис. 3.2. Схема образования кристаллов аустенита: а–появление
зародышей; б–рост до взаимного соприкосновения; в–укрупнение
В зависимости от склонности к росту при нагреве аустенитных зерен различают стали наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Схема роста зерна
при нагреве наследственно
крупнозернистой (1)
и наследственно
мелкозернистой (2) стали
Наследственно крупнозернистыми стали (кривая 1) характеризуются непрерывным ростом зерна при температурах нагрева выше А3 или Аcm.
Наследственно мелкозернистые стали (кривая 2) отличаются низкой скоростью роста кристаллов аустенита при нагреве до 1000-1050 ОС, а при дальнейшем повышении температуры – резким увеличением их скорости роста. Такие стали обычно содержат сильные карбидо- и нитридообразующие элементы Ti, Nb, V, Al и др., образующие трудно растворимые в аустените карбиды, нитриды или карбонитриды (TiC, VC, AlN, NbCN и др.), которые располагаясь по границам зерен, препятствуют их росту при высокотемпературном нагреве.
В результате же той или иной термической обработки получают действительное зерно, размер которого обусловливается температурой нагрева, продолжительностью выдержки и наследственной склонностью данной стали к росту зерна при нагреве.
Кристаллы аустенита растут только при нагреве, а при охлаждении они не измельчаются: чем крупнее зерно аустенита при нагреве, тем больших размеров образуются из него при охлаждении продукты превращения - зерна перлита или мартенсита.
Влияние величины зерна на механические свойства стали
Увеличение размера зерна аустенита незначительно влияет на прочностные свойства стали, но сильно снижает ее пластичность, ударную вязкость, усталостную долговечность. С уменьшением же размера зерна, как правило, повышается прочность, пластичность и вязкость. Поэтому лучшими механическими свойствами характеризуются мелкозернистые стали.