6. Теория и практика термической обработки стали

Цель работы: изучение превращений в фазах стали при нагреве и охлаждении; ознакомление с основными видами термической обработки стали.

Задачи: выбор и обоснование режимов термической обработки стали, в зависимости назначения и требуемой твердости.

1. Теория термической обработки стали

Под термообработкой понимают изменение структуры, а, следовательно, и свойств материала путем нагрева его до определенных температур, выдержки и последующего охлаждения с заданной скоростью.

Основу теории термической обработки сталей составляет механизм четырех основных превращений в фазах стали при нагреве и охлаждении:

1) Превращение перлита в аустенит (П→А) при нагреве стали. При этом происходит перестройка кристаллической решетки ОЦК→ГЦК за счет диффузионных процессов перемещения атомов железа и углерода, а образование новой фазы из П (Ф+Ц) происходит по кристаллизационному механизму. Рост зерна аустенита после окончания превращения П→А происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к уменьшению свободной энергии вследствие сокращения поверхности зерна. Увеличение выдержки при температуре и особенно повышение температуры обусловливают быстрый рост зерна аустенита. Если зерно аустенита выросло до крупных размеров, то и получающиеся продукты превращения аустенита после охлаждения будут крупнокристаллическими с пониженными механическими свойствами. Величина зерна продуктов превращения при охлаждении стали определяется действительным размером зерна аустенита, которое оно приобрело при данной степени перегрева. На рост зерна аустенита в стали влияет характер раскисления стали и наличие легирующих элементов, которые тормозят рост аустенитного зерна (Ti, Zr, V, Mo, W, Cr). Перегретая сталь имеет структуру – крупнозернистое строение, где феррит располагается в виде сетки по границам зерен или в виде пластин, прорезающих зерна перлита. Перегрев можно устранить повторным нагревом стали до более низких температур.

2) Превращение аустенита в механическую смесь – перлит (Ф+Ц) при охлаждении стали. При этом также происходит полиморфное превращение ГЦК→ОЦК и образование цементита за счет диффузии атомов углерода и самодиффузии атомов железа. Скорость охлаждения определяет температуру распада аустенита и образование соответствующих структур: перлита, сорбита, троостита, которые представляют собой механические смеси Ф+Ц, но различной степени дисперсности. Бейнитная структура относится к промежуточным превращениям.

3) Превращение аустенита в мартенсит при охлаждении со скоростью выше критической. Особенность превращения состоит в том, что происходит оно по бездиффузионному (сдвиговому) механизму с перестройкой решетки ГЦК→ОЦК и углерод не успевает выделиться из решетки. В зависимости от содержания углерода и наличия легирующих элементов (состава стали) изменяется температура начала и конца мартенситного превращения. В процессе превращения растет плотность дефектов и искажается кристаллическая решетка из-за внедренных атомов углерода. Это обусловливает повышение твердости и хрупкости стали. Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения атомов углерода в решетке -железа, имеет игольчатое строение и является нестабильной структурой.

4) Распад мартенсита при нагреве (отпуске) закаленной стали: . Интенсивность распада мартенсита зависит от температуры нагрева стали и включает три основные стадии: первая – зарождение карбидов, вторая – обособление карбидов, третья – коагуляция карбидов.

Любой технологический процесс термической обработки стали состоит из определенных комбинаций этих четырех превращений.