6 . Превращения при отпуске закаленной стали

Отпуск состоит в нагреве закаленного изделия ниже критических точек с целью снижения внутренних напряжений, повышения вяз­кости и пластичности стали.

Исходная структура закален­ной стали состоит из тетрагональ­ного мартенсита и некоторого ко­личества остаточного аустенита. При нагреве эта структура претер­певает изменения.

Изучение процессов, происхо­дящих в закаленной стали при на­греве производится с помощью ди­латометрических кривых. Для их построения используют специаль­ные приборы - дилатометры, в которые помещают испытуемый закаленный образец и образец той же стали в отожженном состоя­нии. В отожженном образце при нагреве до температур ниже Ас₁ превращения не имеют места и его размеры меняются только от теплового расширения. Поэтому дилатометрическая кривая фиксирует только превращения при отпуске закаленной стали (рис. 107).

Мартенсит является структурой с наибольшим удельным объ­емом, а аустенит - с наименьшим. Поэтому превращение исход­ного мартенсита приводит к уменьшению удельного объема и сжа­тию образца, а превращение аустенита - наоборот, к его увели­чению.

Первая стадия отпуска происходит при нагреве до 200 °С. Из мартенсита выделяются необособленные мельчайаше частицы карбида. Эти зародыши карбидной фазы имеют вид пластинок тол­щиной несколько атомных слоев. Одновременно отношение пара­метров решетки уменьшается и приближается к единице, а решетка мартенсита из тетрагональной становится близкой к кубической. Образуется структура отпущенного мартенсита.

При нагреве до 300 °С происходит распад остаточного аустенита, сопровождающийся расширением стали. Остаточный аустенит пре­вращается в смесь пересыщенного а твердого раствора и еще не обо­собившихся карбидов, т. е. в отпущенный мартенсит.

При дальнейшем повышении температуры отпуска наблюдается сжатие образца. Углерод полностью выделяется из твердого раство­ра и карбиды обособляются, образуя цементит. При нагреве до 400 °С сталь состоит из феррита и цементита, образующих струк­туру троостита.

При нагреве до 600 °С происходит коагуляция карбидов и об­разуется структура сорбита отпуска. Структура сорбита состоит из феррита и мелких зерен цементита.

Феррито-цементитные смеси, получаемые при распаде аусте­нита (троостит или сорбит закалки), отличаются от феррито-цементитных смесей, образующихся при распаде мартенсита. Тро­остит и сорбит закалки имеют пластинчатую форму цементита, а цементит этих же структур отпуска имеет зернистую форму. Разная форма цементита обуславливает различие в свойствах структур. Зернистые структуры имеют более высокие механиче­ские свойства, характеризуются большей пластичностью и вяз­костью при равной твердости.

Глава 7

ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

1. Отжиг и нормализация

Отжиг состоит в нагреве до определенной температуры с после­дующей выдержкой и медленным охлаждением в печи для полу­чения равновесной, менее твердой структуры, свободной от оста­точных напряжений.

Проведение отжига I рода не связано с фазовыми превращения­ми в твердом состоянии. В зависимости от назначения различают следующие виды отжига I рода: диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия внутренних напряжений (рис. 108).

Д иффузионный или гомогенизирующий отжиг применяют для устранения химической неоднородности, образовавшейся при кри­сталлизации металла. Диффузионному отжигу подвергают обычно слитки или отливки высоколегированных сталей, склонных к лик­вации. Его проводят при высокой температуре 1000-1100°С. Крупное зерно устраняется последующими операциями термооб­работки. Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа после холодной пластической деформации. Отжиг для снятия внутренних напряжений производят с целью уменьшения напряжений, образовавшихся в металле при ковке, литье, сварке, способных вызвать коробление и разрушение деталей.

Отжиг II рода или фазовая перекристаллизация может быть полным и неполным. Полный отжиг состоит в нагреве до 30-50 °С и выше Aс₃, выдержке при этой температуре до полной перекристал­лизации и медленном охлаждении. При полном отжиге образую­щаяся аустенитная структура полностью превращается в мелко­зернистую феррито-цементитную смесь. Полный отжиг обычно применяют для доэвтектоидных сталей с целью измельчения зерна. Полный отжиг повышает пластические свойства литой стали. Он также применяется для улучшения обрабатываемости резанием.

Неполный отжиг производится при температуре выше Ас₁, но ниже Ас₃ или Аст. Неполному отжигу на зернистый перлит или сфероидизации обычно подвергают заэвтектоидные инструменталь­ные стали. В результате такого неполного отжига карбиды приоб­ретают округлую форму, исчезает сетка вторичного цементита, которая ухудшает обрабатываемость.

Для улучшения обрабатываемости легированных сталей при­меняют изотермический отжиг, состоящий в нагреве на 30-50 °С выше Aс₃, охлаждении ниже Аr₁, изотермической выдержке при этой температуре для получения равновесной перлитной струк­туры и последующем охлаждении на воздухе (рис. 109). Такой изотермический отжиг более стабилен, так как температуру на заданном уровне легче поддерживать, чем регулировать скорость охлаждения.

Изотермический отжиг позволяет добиться превращения устой­чивого аустенита легированной доэвтектоидной стали в перлит и феррит, что значительно облегчает ее обрабатываемость резанием.

Если охлаждение после нагрева производится на воздухе, то такая операция термической обработки носит название нормали­зации.

При нормализации сталь нагревают до аустенитного состояния. В результате нормализации уменьшаются внутренние напряже­ния, эвтектоид приобретает более тонкое строение, в заэвтектоид-ных сталях устраняется грубая сетка цементита. Иными словами, сталь приобретает более «нормальную» структуру.

Благодаря полной фазовой перекристаллизации при нормали­зации устраняется крупнозернистая структура, полученная при литье, прокатке или ковке.

Нормализация является более экономичной операцией, чем отжиг. Для низкоуглеродистых сталей нет разницы в свойствах между отожженным и нормализованным состояниями; различие в свойствах становится заметным с ростом содержания углерода. Нормализацию широко применяют вместо закалки и отпуска для улучшения свойств крупногабаритных стальных отливок.

Нормализация и особенно отжиг обычно первичные операции термической обработки; их основное назначение состоит в устра­нении дефектов предыдущих технологических операций (ковки, литья) и в подготовке структуры с целью улучшения обрабатывае­мости режущим инструментом; улучшения штампуемости в хо­лодном состоянии, а также в подготовке структуры к последующим процессам окончательной термической обработки. При получении удовлетворительных механических свойств или в случае сложно­сти проведения закалки и отпуска отжиг и особенно нормализация могут быть окончательными операциями термической обработки.