3. Превращение мартенсита при нагреве.

Мартенсит и остаточный аустенит – неравновесные фазы, которые при нагреве переходят в более устойчивое состояние и распадаются с образованием структур, состоящих их феррита и цементита. Распад идет по диффузионному механизму и его скорость зависит от температуры нагрева. В первую очередь при нагреве распадается мартенсит.

Структурные превращения сопровождаются изменением объема. При распаде мартенсита происходит уменьшение объема, а при распаде аустенита – увеличение.

Для изучения структурных превращений при нагреве закаленной стали используют дилатометрический метод, суть которого заключается в точной фиксации изменения длины закаленных образцов.

В зависимости от изменения длины имеется 4 стадии превращения при нагреве:

1. При t=80…200 ⁰C из мартенсита выделяется углерод в виде ε – карбида Fe₂C – длина образца уменьшается. Дисперсные кристаллы ε – карбида связаны с кристаллической решеткой мартенсита и поэтому последний сохраняет высокую твердость.

2. Происходят одновременно 3 процесса:

а) распад остаточного аустенита на мартенсит и дисперсные ε – карбиды при t=200…300 ⁰C – этот процесс превалирующий и поэтому длина образца увеличивается;

б) продолжается выделение из мартенсита углерода в виде ε – карбида, при этом степень тетрагональности решетки мартенсита уменьшается и она становится почти кубической (содержание углерода равно 0,1%) – такой мартенсит называется отпущенным.

в) при t=250 ⁰C начинается превращение ε – карбида Fe₂C в цементит Fe₃C.

3. При t=300…400 ⁰C выделение углерода из мартенсита завершается полностью и образец состоит уже из смеси феррита и цементита, которая называется трооститом.

4. При повышении температуры до 600 ⁰C кристаллы цементита растут за счет коагуляции (объединения) и образуется более грубая ферритоцементитная смесь – сорбит.

3.2 Основные виды термической обработки стали

Основные факторы воздействия при термической обработке – температура и время.

Основные виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и старение.

3.2.1 Отжиг сталей

Отжиг сталей применяют для устранения неоднородности микроструктуры литых деталей, для снятия наклепа в материале после прокатки, ковки и т.д., а также для подготовки детали к последующей технологической операции (резанию, закалке и т.д.).

На рисунке 3.2 показаны температурные области нагрева заготовок при различных видах отжига.

Рис. 3.2 Фрагмент диаграммы Fe-Fe₃C и температурные области нагрева при термической обработке стали.

1. Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют для устранения дендритной ликвации в стальных слитках и отливках, для повышения пластичности и вязкости легированных сталей за счет более благоприятного распределения избыточных карбидов в результате их частичного растворения и коагуляции.

Схема технологического процесса:

а) нагрев до 1100 ⁰С,

б) длительную выдержку в течение 8…20 ч и медленное охлаждение.

Однако из-за высоких температур гомогенизации происходит рост аустенитного зерна, для устранения чего необходимо провести полный отжиг или и нормализацию.

2. Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа и повышения пластичности холодно деформированных сталей. Схема технологического процесса:

а) нагрев температур, превышающих порог рекристаллизации: 650…760 ⁰С,

б) выдержку в течение 0,5…1,5 ч и медленное охлаждение.

При этом вытянутые из-за деформации зерна феррита (после прокатки) становятся равноосными, происходит коагуляция и сфероидизация частиц цементита и пластичность стали повышается.

3. Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для стальных деталей после литья, сварки, или механической обработки. Остаточные напряжения возникают из-за неравномерного охлаждения, неоднородности пластической деформации и могут вызвать изменение размеров, коробление изделий в процессе обработки, эксплуатации или хранения. Схема технологического процесса:

а) нагрев температур 160…700 ⁰С,

б) выдержку в течение 2…3 ч и медленное охлаждение.

Выбор температур зависит от от вида предшествующей обработки: после резания – при 570…600 ⁰С, сварки – 650…700 ⁰С, шлифования – 160…180 ⁰С.

Для получения равновесной структуры с целью снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали, улучшения обрабатываемости, измельчения зерен отжиг проводят при температурах выше точек Ас₃ или Ас₁ и подразделяют на полный, неполный и изотермический.

1. Полный отжиг применяют для перекристаллизации всей структуры доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна ферритной и перлитной составляющих и снятия остаточных напряжений.

Рис. 3.8а Режим отжига стали:

а – полный, б – нормализационный.

Схема технологического процесса:

а) нагрев стальных деталей на 30…50 ⁰С выше точки Ас₃,

б) выдержку и медленное охлаждение вместе с печью.

При этом образуется мелкозернистый аустенит, обуславливающий получение перлита с мелким зерном, что обеспечивает высокую вязкость и пластичность стали.

1а. Разновидностью полного отжига является нормализационный отжиг (нормализация). В этом случае отжиг обязательно сопровождается α ↔ γ-фазовыми превращениями. Его применяют для получения мелкозернистой однородной структуры, устранения цементитной сетки в структуре доэвтектоидной стали, частичного снятия внутренних напряжений и наклепа, улучшения штампуемости и обрабатываемости резанием.

Схема технологического процесса:

а) нагрев на 30…50 ⁰С выше Ас₃ для доэвтектоидных или выше Ас_ст для заэвтектоидных сталей;

б) выдержку в течение 0,5…3 ч;

в) охлаждение на воздухе.

При этом образуется мелкозернистый аустенит, обуславливающий получение перлита с мелким зерном, что обеспечивает высокую вязкость и пластичность стали.

Преимущества по сравнению с полным отжигом:

1. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к сокращению времени, затрачиваемого на охлаждение детали;

2. Сталь более прочная, т.к. распад аустенита происходит при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритоцементитной смеси.

Применение:

1. для деталей неответственного назначения из среднеуглеродистых сталей, чтобы заменить улучшение;

2. нормализацию с высоким отпуском (600…650 ⁰С) используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, что повышает производительность.

2. Неполный отжиг применяется для улучшения обрабатываемости резанием и получения зернистого перлита в структуре заэвтектоидных сталей.

Схема технологического процесса:

а) нагрев на 30…50 ⁰С выше Ас₁;

б) выдержку;

в) медленное охлаждение.

При этом в доэвтектоидных сталях происходит перекристаллизация только перлита.

А в эвтектоидных и заэвтектоидных сталях перлит приобретает зернистое строение вместо пластинчатого (частицы цементита становятся сфероидальными). Поэтому эвтектоидные и заэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу, который называется сфероидизирующим.

Параметры сфероидизирующего отжига:

а) нагрев до 750…760 ⁰С для эвтектоидных и до 770…790 ⁰С для заэвтектоидных сталей;

б) выдержку;

в) медленное охлаждение до температуры образования карбидов;

г) выдержку при этой температуре 1…3 ч;

д) быстрое охлаждение на воздухе.

Преимущества:

1. стали с зернистым перлитом лучше обрабатываются резанием , т.к. имеют более низкую твердость (160…180 НВ), чем стали с пластинчатым перлитом (180…250 НВ).

3. Изотермический отжиг применяется для измельчения зерна, снижения твердости и снятия внутренних напряжений.

Схема технологического процесса:

а) нагрев на 20…30 ⁰С выше Ас₃;

б) выдержку;

в) быстрое охлаждение до температур 680…620 ⁰С ( ниже точки Аr₁ на 50…100 ⁰С);

г) выдержку до полного распада температуры;

д) охлаждение на воздухе.

При этом получается более однородная феррито-перлитная структура.

Преимущества:

1. в 2…3 раза сокращается длительность технологического процесса, что особенно важно при отжиге больших поковок из легированных сталей.