Термическая обработка - один из основных способов влияния на строение, а, следовательно, и на свойства стали. Она состоит из двух основных операций: нагрева и последующего охлаждения. Превращения, происходящие в стали в этом случае, называют соответственно первым и вторым основными превращениями. Рассмотрим сущность этих превращений на примере эвтектоидной стали.
Первое основное превращение в стали характеризуется превращением перлита в аустенит. В этом случае при температуре ас1 в перлите, на границе между ферритом и цементитом, образуется множество зародышей - мелких зерен аустенита.
Рис. 5.1. Диаграмма состояния Fe-Fе3С (а) и схема роста зерна аустенита в стали, содержащей 0,8% С (б): 1 - наследственно мелкозернистая и 2 - крупнозернистая стали, 3 - наследственное зерно, 4 - зерно при нагреве под термическую обработку, 5 - исходное зерно, 6 - начальное зерно аустенита
Количество зародышей будет тем больше, чем выше содержание углерода в стали и чем меньше дисперсия частиц цементита в перлите. Последующая выдержка при температуре превращения или повышение температуры вызывает рост начальных зерен аустенита.
При этом одни зерна увеличиваются за счет других, более мелких и термодинамически менее устойчивых, т.е. происходит собирательная рекристаллизация, при этом на свойства стали оказывает влияние величина ее зерна. (см. рис. 5.1). Продолжительный нагрев стали при температурах значительно выше аз или Аcм приводит к образованию крупного зерна как при нагреве, так и при охлаждении до 20°С. Такой нагрев принято называть перегревом стали. Перегретая сталь характеризуется крупнокристаллическим изломом. Перегрев может быть исправлен повторным нагревом выше аз или асм. Нагрев при еще более высокой температуре называют пережогом стали, который сопровождается образованием по границам зерен окислов железа. При пережоге излом стали камневидный. Пережог - неисправимый дефект стали.
Второе основное превращение в стали, характеризуется перлитным, бейнитным и мартенситным превращениями. Все они могут протекать как при непрерывном охлаждении стали ниже температуры ar1, так и при определенных степенях переохлаждения. На свойства получаемых структур (перлита, сорбита, троостита и бейнита) оказывает влияние величина их зерен. Чем крупнее зерна аустенита, тем больше зерна новой структуры. Это объясняется тем, что зерна аустенита растут только при нагреве, при охлаждении не изменяются.
Мартенситное превращение происходит при высоких скоростях охлаждения. В этом случае кристаллическая решетка g-железа перестраивается (мгновенно, за 10-7 с.) с образованием тетрагональной решетки a-железа, при сохранении постоянства концентрации углерода в твердом растворе, т.е. происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Поскольку в кристаллической решетке a-железа остается избыточный углерод, она искажается, приобретая некоторую тетрагональность. Мартенсит, таким образом, является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в тетрагональном a-железе, а термическая обработка, обеспечивающая получение этой структуры, называется закалкой. Вследствие искажения кристаллической решетки мартенсит обладает большой твердостью (5000-6500НВ в зависимости от содержания углерода в стали) и вместе с тем очень хрупок и не пластичен. Под микроскопом мартенсит имеет игольчатое строение. Иглы мартенсита располагаются по трем направлениям, образуя иногда равносторонние треугольники. Благодаря своей высокой твердости мартенсит является желательной структурой закалки для металлорежущих инструментов. По сравнению с другими переходными структурами стали мартенсит имеет наибольший удельный объем. Поэтому при закалке стали на мартенсит резко увеличивается объем изделия, что вызывает появление внутренних напряжений и, как следствие, коробление, а иногда и трещины в изделиях. Слишком высокая температура нагрева стали перед закалкой способствует появлению крупно игольчатого мартенсита, обладающего меньшей твердостью и большей хрупкостью.
Мартенсит и остаточный аустенит являются неустойчивыми (неравновесными) структурными составляющими, которые сохраняются при нормальной температуре только благодаря малой подвижности частиц. С повышением температуры подвижность частиц увеличивается, и мартенсит переходит в более устойчивую структурную форму. Чем выше температура нагрева, тем быстрее и полнее идет процесс превращения мартенсита в другие структурные формы (сначала в троостит, а затем в сорбит). В результате этого превращения сталь имеет структуру феррита и зернистого цементита. Таким образом, термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали ниже температуры точки Ac1 и обеспечивающую превращения мартенсита и остаточного аустенита, называют отпуском. Скорость охлаждения углеродистой стали при отпуске не оказывает влияния на ее механические свойства, а получаемые при этом структуры троостита и сорбита свободны от внутренних напряжений и обладают лучшими механическими свойствами, чем троостит и сорбит, получаемые при перлитном превращении.
Химико-термическая обработка связана с изменением химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя стальных деталей. Обычно при такой обработке деталь помещают в среду, богатую элементом, который диффундирует в металл. В случае газового окружения (наиболее частый случай) происходят следующие три элементарных процесса.
1. Диссоциация - распад молекул и образование активных атомов диффундирующего элемента, например: 2СО ® СО2 + С или МН3 ® 3Н + N. Эти реакции показывают образование активных атомов углерода и азота, способных растворяться в металле.
2. Абсорбция - поглощение (растворение) поверхностью свободных атомов. Это возможно в том случае, если диффундирующий элемент способен растворяться в основном металле.
3. Диффузия - проникновение насыщающего элемента вглубь.
В результате указанных процессов образуется диффузионный слой, характеризующийся тем, что на поверхности концентрация диффундирующего элемента наибольшая и постепенно падает по мере удаления от поверхности. Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа не одинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с железом
твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения. При определении толщины диффузионного слоя указывается не полная толщина слоя с измененным составом, а только толщина до определенной твердости, так называемая эффективная толщина диффузионного слоя .
