Тема 7 Теорія термічної обробки сталі

Термічною обробкою називають технологічний процес, який складається з нагрівання до заданої температури, витримки та охолодження з заданою швидкістю. Термічна обробка дозволяє одержати необхідні властивості сталі змінюючи її структуру без зміни складу.

Теоретичною основою технології термічної обробки є теорія фазових перетворень, що відбуваються  при нагріванні та охолоджені сталі.

При термічній обробці в сталях відбуваються такі основні перетворення:

1 – перліту в аустеніт при нагріванні;

2 – аустеніту в ферито-цементитну суміш при охолодженні;

3 – аустеніту в мартенсит при охолодженні;

4 – розпад мартенситу на ферито-цементитну суміш при нагріванні (під час відпуску).

Перетворення перліту в аустеніт

При нагріванні сталі вище критичної точки АС1 перліт перетворюється на аустеніт. Цей процес відбувається внаслідок утворення зародків аустеніту з наступним їх ростом. Так як аустеніт і цементит відрізняються вмістом вуглецю, то процес має дифузійний характер і супроводжується переміщенням атомів вуглецю.

 

Рис. 20 - Схема утворення аустенітних зерен.

Зародки аустенітних зерен виникають на границі розділу кристалів фериту та цементиту. Закінчується процес зникненням перліту і утворенням аустеніту. Утворений аустеніт має неоднорідний склад, тому для одержання однорідного аустеніту необхідно сталь нагріти вище Ас3 (Асm) і витримати для завершення дифузійних процесів.

Перетворення аустеніту в перліт.

При охолодженні аустеніту нижче точки А1 відбувається розпад аустеніту на ферито-цементитну суміш:

 

Перетворення має дифузійний характер. Будова продуктів розпаду залежить від температури, при якій цей розпад відбувається, тобто від ступеня переохолодження аустеніту.

Закономірність цього процесу описує діаграма ізотермічного розпаду  аустеніту (рис.21), конкретний вид якої визначається складом сталі.

З діаграми видно, що вище точки А1 знаходиться область стійкого аустеніту.

С-подібні криві 1 і 2 показують відповідно початок та кінець дифузійного розпаду аустеніту на ферито-цементитну суміш.

При температурах нижче точки А1 деякий час може існувати переохолоджений аустеніт.

 

Рис. 5.4 - Діаграма ізотермічного розпаду переохолодженого аустеніту

евтектоідної сталі У8.

В залежності від характеру структур, що утворюються при розпаді аустеніту на діаграмі виділяють три температурних інтервали:

перлітний (727 ... 550 оС).

бейнітний (550 ... Mп).

мартенситний (Mп .. Mк).

При температурах розпаду переохолодженого аустеніту близько 700 оС утворюється структура, яку називають перлітом; при температурах 650 ... 600 оС утворюється структура, що має назву сорбіт, а в інтервалі температур 550 ... 600 оС утворюється тростит. Ці структури розрізняються розмірами часточок фериту та цементиту. Чим нижча температура розпаду аустеніту, тим менша міжпластинчаста відстань Δ0, тим більш дисперсна ферито-цементитна суміш. (Δ0 – сума товщин двох сусідніх пластинок фериту та цементиту).

 

Рис. 5.5 – Схема будови ферито-цементитної суміші

Таблиця 5.1 – Властивості продуктів перлітного перетворення

Структура      Товщина пластинок, мкм

Δ0      Твердість, HRC

перліт            1,0 - 0,6            18 – 25

сорбіт            0,25 - 0,3          25 - 35

тростит         0,1 - 0,15          35 - 45

Перетворення аустеніту на бейніт

Для евтектоідної сталі утворення бейніту відбувається в температурній області 550 ...240 оС. З аустеніту утворюється ферито-цементитна суміш, де ферит збагачений вуглецем до 0,2%. Бейніт має голчасту будову та досить високу твердість HRC 45 – 50.

Перетворення аустеніту на мартенсит

Мартенситне перетворення відбувається при охолодженні аустеніту з критичною швидкістю (Vкр) до низьких температур (Mп).

Критичною називають мінімальну швидкість охолодження, яка забезпечує перетворення аустеніту на мартенсит.

Мартенсит – це пересичений твердий розчин вуглецю в Feα. Вміст вуглецю в мартенситі такий, як і в вихідному аустеніті, тому що мартенситне перетворення відбувається без дифузійним шляхом.

Температури початку (Mп) та кінця (Mк) мартенситного перетворення залежать від вмісту вуглецю в сталі та легуючих елементів. Мартенсит має високу твердість (до HB 700), яка залежить від вмісту в ньому вуглецю.

Перетворення аустеніту на мартенсит ніколи не йде до кінця. Тому завжди залишається певна кількість аустеніту (до 10%), який називають залишковим (Азал). Мартенсит має голчасту структуру.

Розпад мартенситу на ферито-цементитну суміш.

Мартенсит є нерівноважною структурою, твердою, але крихкою, з значними внутрішніми напруженнями.

При нагріванні з мартенситу виділяється вуглець і утворюються більш стійкі структури:  це мартенсит відпуску (при температурах 100 ... 200 оС); тростит відпуску (300 ... 400 оС) та сорбіт відпуску (500 ... 620 оС).

Розпад мартенситу сприяє усуненню внутрішніх напружень, зменшенню твердості сталі, підвищенню ударної в’язкості та пластичності

Термічною обробкою називають процеси нагрівання та охолодження виробів, які виконуються за заданими режимами, внаслідок чого відбуваються зміни структури фазового складу, механічних властивостей. За допомогою термічної обробки можна змінювати властивості металічних матеріалів в потрібному напрямку.