Теоретическое обоснование. Свойства сплавов зависят не только от их химического состава, но и от структуры (внутреннего строения)

Свойства сплавов зависят не только от их химического состава, но и от структуры (внутреннего строения). Сталь относится к группе сплавов, у которых структура может быть достаточно легко изменена с помощью термической обработки.

Термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенной температуры, выдержке их при этой температуре и последующем охлаждении. Причем, если в сплавах (а к ним относятся и стали) при нагреве и охлаждении в твердом состоянии происходят фазовые превращения, то с помощью тер­мической обработки можно в широких пределах изменять их механические свойства.

В зависимости от условий термической обработки стали одного и то­го же химического состава можно получить самые различные соотношения характеристик прочности, пластичности, упругости и вязкости. С этой целью применяют следующие виды термической обработки:

Отжиг - нагрев стали выше температуры фазовых превращений, вы­держка и медленное охлаждение (с печью). Отжиг применяется для получе­ния равновесной структуры, уменьшения твёрдости и внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости резанием.

Нормализация - нагрев стали выше температуры фазовых превращений, выдержка и охлаждение на воздухе. Для низкоуглеродистой стали нор­мализация применяется для тех же целей, что и отжиг, но она проще и де­шевле. Для высокоуглеродистых и легированных сталей нормализации не
может заменить отжиг, так как возможно получение неравновесных структур.

Закалка - нагрев стали выше температуры фазовых превращений, выдержка и охлаждение со скоростью больше критической скорости охлаждения V_кр.

В результате закалки получают неравновесную структуру, которая обладает высокой прочностью, твердостью и износостойкостью.

При охлаждении стали, нагретой до высокой температуры, возможны два варианта превращения аустенита:

- эвтектоидное (диффузионное) превращение, в результате которого образуется смесь феррита и цементита (см. лабораторную работу 6) и возникают фазы с различным содержанием углерода. Та­кое превращение происходит при отжиге и нормализации;

- бездиффузионное превращение, когда при быстром охлаждении в результате полиморфного превращения Fe_g ® Fe_aполучается структура мартенсита - пересыщенного твердого раствора углерода в Fe_a. Так как это пре­вращение не сопровождается диффузией, то в кристаллической решетке Fe_a
сохранится столько углерода, сколько его было в аустените. Такой характер превращения аустенита реализуется при закалке.

Наименьшая скорость охлаждения, при которой не происходит диффузи­онного распада аустенита и получается структура мартенсита, называется критической скоростью охлаждения V_кр. Поэтому для закалки стали, нагретой до аустенитного состояния, необходима скорость охлаждения, превышающая V_Kp.

Рис.8.1. Фрагмент диаграммы Fe – Fe₃С и интервал температуры нагpeвa стали при термической обработке.

Структура мартенсита, полученная после закалки, является неустойчи­вой. Она обладает высокой прочностью, твердостью, но одновременно имеет очень большие внутренние напряжения и хрупкость. Для уменьшения внут­ренних напряжений и получения необходимого комплекса механических свойств после закалки проводят отпуск.

4. Отпуск - нагрев закаленной стали ниже температуры фазовых пре­вращений. При отпуске неустойчивая структура мартенсита распадается и пе­реходит в более стабильное состояние. При этом структура и свойства получающейся стали зависят от температуры отпуска. Чем выше температура отпуска, тем меньше твердость и прочность, но больше пластичность и вязкость стали.

Температура нагрева при термической обработке стали определяется по диаграмме состояния Fe - Fe₃C(рис. 8.1). В практике термической обработки принято называть горизонтальную линию PSK (727°С) линией А₁; линию GS - А₃; а линию SE - А_ст. Если при термической обработке сталь нагревают выше линии А₃ - А_ст, то такую термическую обработку называют полной. Если нагрев проводят выше линии А₁, то ниже линии А₃ - А_ст, термическую обработку называют неполной.

Для доэвтектоидных сталей применяется полная термическая обработка. Доэвтектоидные стали называют конструкционными; из них изготовляют де­тали машин (валы, шестерни, пружины и т.д.) и различные конструкции.

При отжиге, нормализации и закалке оптимальная температура нагрева доэвтектоидных сталей составляет А₃ +(30 + 50°,). При этой температуре структура стали состоит из мелких зерен аустенита.

При медленном охлаждении происходит диффузионный распад аустени­та, поэтому доэвтектоидная сталь после отжига получает равновесную струк­туру феррита и перлита. После нормализации структура стали аналогична отожженной, но из-за ускоренного охлаждения она несколько мельче, что вы­зывает незначительное повышение твердости и прочности.

Для превышения критической скорости охлаждения при закалке углеродистых сталей часто используют в качестве охлаждающего агента - воду. Структура доэвтектоидной стали после закалки с температуры А₃ + (30 + 50°) - мелкоигольчатый мартенсит (2 - 5% аустенита, остающегося всегда после закалки, на свойства не влияют).

Температура нагрева стали при закалке имеет важное значение. Если доэвтектоидную сталь нагреть значительно выше линии А₃ (перегрев), то произойдет заметный рост зёрен аустенита. В результате при закалке образу­ется крупноигольчатый мартенсит. Такой мартенсит имеет пониженную твёр­дость, прочность и повышенную хрупкость.

При закалке доэтектоидных сталей с температурой выше А₁, но ниже А₃ (неполной закалке) в структуре кроме мартенсита сохранится мягкий феррит, что приводит к снижению прочности и твёрдости стали.

Если углеродистые стали закаливать в растительном или минеральном маслах, то скорость охлаждения будет не только меньше, чем при охлаждении в воде, но и меньше критической скорости охлаждения V_кp. При таком охлаж­дении часть аустенита будет распадаться диффузионным путём на мелкодис­персную смесь феррита и цементита - тростит. Оставшийся аустенит при достижении температуры М_нпревращается в мартенсит. Структура, состоя­щая из мартенсита и тростита, уступает по твёрдости и прочности чисто мартенситной.

Заэвтектоидные стали получили название инструментальных. Из них из­готовляют различный режущий, штамповый и измерительный инструмент: резцы, свёрла, матрицы, пуансоны, линейки, скобы и т.д. Инструмент должен иметь высокую прочность, твёрдость, износостойкость, стабильность разме­ров.

Для заэвтектоидных сталей применяют неполную термическую обработ­ку. При этом их нагревают с целью отжига или закалки до температуры А₃ + (30 + 50°). При такой температуре структура заэвтектоидной стали со­стоит из аустенита и цементита. При отжиге в результате эвтектоидного превращения аустенит превра­щается в перлит, и структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и це­ментита.

После закалки заэвтектоидная сталь имеет структуру мартенсита и це­ментита с небольшим количеством остаточного аустенита. Наличие цементи­та в структуре инструментальной стали дополнительно повышает её твёр­дость и износостойкость (твёрдость цементита больше твёрдости мартенсита). Нагрев заэвтектоидных сталей выше линии А_ст (полная термическая обработка) не применяется. Медленное охлаждение (отжиг) с температурой выше А_ст приводит к образованию структуры с очень грубой цементитной сет­кой и повышенной хрупкостью. Закалка с такой температуры приводит к образованию крупноигольчатого мартенсита и повышенного коли­чества остаточного аустенита, в результате сталь приобретает пониженную твёр­дость, прочность и повышенную хрупкость.

Термическая обработка закалённой стали заканчивается отпуском. В за­висимости от назначения и условий работы деталей для обеспечения необхо­димого комплекса механических свойств применяют три вида отпуска:

Низкий отпуск (Т = 150 - 200°С) служит для уменьшения внутренних напряже­ний, хрупкости при сохранении высокой твердости и прочности. Мартенсит за­калки превращается в мартенсит отпуска. Этот вид отпуска применяют, как правило, для режущего и измерительного инструмента. В зависимости от со­держания углерода в стали твёрдость мартенсита составляет 550 - 650 НВ.

Средний отпуск (Т = 300 - 450°) приводит к распаду мартенсита и образованию высокодисперсной смеси феррита и цементита, которая называется троститом отпуска. Структура тростита обладает пониженной прочностью и повы­шенной вязкостью по сравнению с мартенситом. Сталь со структурой тростита отпуска характеризуется самой высокой упругостью среди других структур. Поэтому такой отпуск применяется для рессор и пружин различного назначения. Твёрдость тростита находится в пределах 400 - 550 НВ.

Высокий отпуск (Т = 450 - 600°С) приводит к укрупнению цементитных частиц, появившихся при температуре среднего отпуска. Такая, менее дисперсная, смесь феррита и цементита называется сорбитом отпуска. Сорбит об­ладает оптимальным сочетанием высокой пластичности и ударной вязкости с хорошей прочностью. Твердость сорбита 250 - 350 НВ. Термическая обработ­ка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Боль­шинство деталей машин ответственного назначения подвергают улучшению.