Основы теории термической обработки

8. Основы теории термической обработки

Свойства сплавов определяются его структурой (внутренним строением), которая зависит от температуры нагрева и скорости охлаждения. Основной способ изменить структуру, а, следовательно, свойства – это термическая обработка.

Термическая обработка – это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности с целью изменения внутреннего строения сплава и получения необходимых физико-механических свойств.

В основе термической обработки лежат фазовые превращения в твердом состоянии.

8.1. Четыре основные превращения в сталях

В сталях основными являются три структуры: аустенит – твердый раствор углерода в γ – Fe [Fe _γ(С)]; мартенсит – пересыщенный, частично упорядоченный твердый раствор углерода в α – Fe [Fe _γ(С)]; перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита [Fe_α + Fe₃ С]. Переход из одной структуры в другую характеризует основные превращения при термической обработке:

- первое превращение – это превращение перлита в аустенит, которое происходит при нагреве: П→А (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Изменение энергии фаз в зависимости от температуры

Рекомендуемые материалы

- второе превращение – это превращение аустенита в феррито-цементитные смеси разной дисперсности в зависимости от скорости охлаждения: А→Ф+Ц;

- третье превращение заключается в превращении аустенита в мартенсит А→М при быстром охлаждении (при закалке);

- четвертое превращение заключается в разложении мартенсита при отпуске закаленной стали (М → продукты распада).

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

8.2. Превращения в стали при нагреве - образование аустенита (I превращение)

Превращение П → А - процесс кристаллизационного типа и подчиняется закономерностям кристаллизации, т. е. зарождаются центры новой фазы (А) и они растут (рис. 8.2). Перекристаллизация перлита в аустенит сопровождается размельчением зерен. Размер зерен вновь образовавшегося аустенита, который называется начальным, не зависит от размера исходного зерна, а зависит от степени дисперсности фаз в перлите. Чем выше дисперсность, тем мельче получается аустенитное зерно.

Превращение П→А носит диффузионный характер и сопровождается значительным перемещением атомов углерода.

Рис. 8.2. Превращение перлита в аустенит: а - зарождение новой фазы аустенита в зерне перлита; б, в - рост фазы аустенита и степень растворения цементита (Fe₃С) в аустените Fe_γ(С); г - получение гомогенного начального зерна аустенита

Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов:

- полиморфного Fe_α→ Fe_γ превращения;

- растворения цементита (Fe₃С) в аустените Fe_γ(С).

Превращение П→А может идти изотермически при температуре 727 °С (см. рис. 7.1, т. А_с1 и при непрерывном нагреве (рис. 8.3)

Рис. 8.3. Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит для стали с 0,8 % С

Процесс перехода П →А при непрерывном нагреве со скоростью V₁ и V₂ (рис. 8.3) изучают путем построения диаграммы изотермического образования аустенита. Образцы нагревают до температур выше А₁ последовательно и выдерживают сплав при этих температурах, фиксируя начало и конец превращения;

Н - начало превращения П→А;

К - конец превращения П→А;

Р - конец растворения углерода в аустените;

Г - конец гомогенизации аустенита.

Из диаграммы (рис. 8.3) видно: время превращения П→А зависит существенно от степени перегрева (нагрева выше А₁).

С увеличением перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличивается скорость возникновения зародышей и скорость их роста, происходит измельчение зерна стали, что используется в практике термической обработки (отжиг, закалка). При обработке токами высокой частоты (ТВЧ) можно получить очень мелкие зерна аустенита.

Влияние нагрева на продолжительность (τ_прев) превращения показывают лучи скоростей V₁ и V₂. При меньшей скорости нагрева (V₁ < V₂< V₃) (рис. 8.3) превращение происходит при более низких температурах, за больший промежуток времени.

В доэвтектоидных сталях при нагреве от А₁ до А₃ происходит превращение избыточного феррита в аустенит (рис. 8.4).

В заэвтектоидных сталях при нагреве от А₁ до А_ст происходит растворение цементита вторичного (Fe₃С) в аустените (рис. 8.4). При этом выравнивается концентрация углерода и укрупняется зерно аустенита. С повышением температуры нагрева, в результате собирательной рекристаллизации, аустенитное зерно растет (рис. 8.4). Крупные зерна растут, поглощая мелкие. Скорость роста зерен при перегреве зависит от способа выплавки стали, полноты раскисления и наличия легирующих элементов. Природным зерном называется зерно аустенита, образующееся после трехчасовой выдержки при 930°С.

Рис. 8.4. Часть диаграммы                   Рис. 8.5. Схема изменения размера

«железо-углерод»                            зерна перлита в зависимости

                                                                 от нагрева в аустенитной области

По склонности к росту аустенитного зерна стали делят на две группы: наследственно-крупнозернистые и наследственно - мелкозернистые.

При последующем охлаждении стали зерна аустенита не измельчаются. Размер зерна при комнатной температуре называется действительным зерном и зависит от температуры нагрева, продолжительности выдержки, склонности стали к росту зерна при нагреве. Это необходимо учитывать при назначении режимов термической обработки. Температура нагрева под закалку для доэвтектоидной стали не должна превышать: А₃ + (30…50°С) (рис. 8.4). Для заэвтектоидной стали не должна превышать А₁ + (30...50°С). Нагрев заэвтектоидной стали до температуры, значительно превышающий А₃ и А_сm, приводит к образованию крупного действительного зерна. Такой нагрев называют перегревом.

Нагрев до еще более высоких температур в окислительной атмосфере сопровождающийся образованием по границам зерен окислов железа с частичным оплавлением, называется пережогом.

Перегрев и пережог являются браком при термической обработке. Причем перегрев можно исправить охлаждением и последующим повторным нагревом до необходимой температуры, а пережог является неисправимым браком. Свойства стали зависят от размеров действительного зерна.

Мелкозернистые стали имеют значительно более высокую вязкость, несколько более высокую прочность и твердость в сравнении с крупнозернистыми.

Крупнозернистые стали имеют также ряд преимуществ. Эти стали имеют лучшую прокаливаемость; жаропрочные аустенитные стали с крупным зерном лучше сопротивляются ползучести. Магнитомягкие стали имеют меньшую коэрцитивную силу и тем самым меньшие потери.

8.3. Превращения в стали при охлаждении (II превращение)

При медленном охлаждении происходит эвтектоидное превращение аустенита

Fe_γ(С)→ Fe_α + Fe₃С; А→Ф+Ц_II

0,8 %С0,2 %С+6,67 %С

Рассмотрим закономерность превращения переохлажденного аустенита эвтектоидного состава (0,8 % С) на n-ом количестве образцов. Для этого:

1) образцы нагревают до однородного аустенита выше А_с1+ (30…50 °С)≈770 °С, дают выдержку;

2) образцы переносятся в термостаты с заданной температурой ниже линии А₁ (727 °С), интервал между изотермами 25-50°С;

3) в процессе изотермической выдержки наблюдают за происходящими в аустените превращениями (измеряют твердость, плотность, магнитную восприимчивость);

4) строят серию кинетических кривых в координатах «время - количество расплавившегося аустенита».

Отрезки ОН₁, ОН₂ (рис.8.6) и т.д. называются инкубационным или подготовительным периодом.

Рис. 8.6. Кинетические кривые изотермического превращения аустенита (а) и построенная по ним диаграмма (б)

Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при 50 % распавшегося аустенита.

С увеличением переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается (ОН₁ > ОН₂), минимум устойчивости приходится на переохлаждение в 150-200 °С ниже А₁ (500 - 550 °С).

При дальнейшем увеличении переохлаждения устойчивость растет (ОН₃).

Строят диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита в координатах t° - lgτ. Такая диаграммы в координатах называется диаграммой изотермического превращения аустенита или С- образной диаграммой:

- левая кривая - начало превращения переохлажденного аустенита в зависимости от степени переохлаждения;

- правая кривая - конец превращения аустенита. Она показывает время, необходимое при данном переохлаждении для полного превращения аустенита в феррито-цементитную смесь;

- точка Н₂ соответствует переохлаждению 150-200 °С ниже А₁ и показывает интервал минимальной устойчивости аустенита.

8.4. Перлитное превращение

Распад аустенита состоит из двух одновременно протекающих процессов:

- перехода Fe_γ→ Fe_α (бездиффузионного процесса) и образования цементита Fe₃С (диффузионного процесса).

При перлитном превращения ведущей фазой является цементит (Fe₃С). Зарождение зародыша Fe₃С происходит на границе зерна, далее пластинка прорастает в середину зерна, а соседние участки обедняются углеродом и образуется феррит (рис. 8.7).

С увеличением степени переохлаждения увеличивается разность энергии аустенита и перлита (ΔF = F_А – F_П) (рис. 8. 1). Это приводит к повышению дисперсности образующихся фаз. Структуру феррито-цементитной смеси различной дисперсности называют перлитом, сорбитом, трооститом.

Рис. 8.7. Последовательность образования перлита в аустенитном зерне:

а - первичные пластинки цементита в феррите; б - вторичные пластинки цементита в феррите; в – колонии перлита

Рис. 8.8. Микроструктура перлита, (×1500)

На рисунке 8.8 по ориентировке пластин можно различить два зерна перлита (две колонии).

Дисперсность - суммарная толщина соседних пластинок Fe_α + Fe₃С (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Схема расположения пластинок цементита (а) и феррита (б) в перлите на поверхности протравленного шлифа. Стрелкой показано направление освещения под микроскопом

Дисперсность структуры определяет механические свойства стали: перлит имеет твердость 200НВ, сорбит – 300НВ, троостит – 400НВ

8.5. Бейнитное превращение

Бейнитное промежуточное превращение идет в интервале температур 550 – М_н. Образующаяся структура представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита к цементита. Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход Fe_γ→ Fe_α происходит по мартенситному механизму – бездиффузионно, а образование цементита (Fe₃С) – идет диффузионным путем.

Превращение начинается в интервале температур 550 – М_н с перераспределения углерода в аустените. Диффузионное перераспределение приводит к обеднению одних и обогащению других зон (скорость диффузии углерода в интервале 550 - М_н достаточна, а скорость диффузии железа стремится к нулю).

Уменьшение количества растворенного углерода приводит к повышению температуры мартенситного превращения, поэтому в обедненных углеродом зонах γ - твердого раствора происходит мартенситное превращение.

Образование концентрационной неоднородности приводит к возникновению напряжения, и процесс полиморфного превращения носит сдвиговый характер. Кристаллы феррита (Fe_α) пересыщены углеродом до 0,1-0,2 % получают тетрагональную решетку. При этом структура верхнего бейнита получается перистой, а нижнего - игольчатой.

8.6. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении

Сталь, нагретая до аустенитного состояния, может быть охлаждена с различной скоростью. Наложим кривые охлаждения образцов углеродистой эвтектоидной стали на диаграмму изотермического распада аустенита (рис. 8.6) построена в координатах “температура - время”, поэтому на нее можно наложить графики скоростей охлаждения V₁ < V₂ < V₃< V_кр < V₄ (рис. 8.10)

Рис. 8.10. Наложение графиков скоростей непрерывного охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита. Увеличение скорости охлаждения от V до V_кр

8.7. Мартенситное превращение ( III превращение)

При больших степенях переохлаждения и скоростях, превышающих V_кр, скорости диффузии железа и углерода равны нулю, Е_А>>Е_М, поэтому превращение Fe_γ(С)→ Fe_α(С) происходит бездиффузионным путем (без изменения концентрации реагирующих фаз) за счет сдвига. Образуется мартенсит - пересыщенный, частично упорядоченный, твердый раствор внедрения углерода в альфа - железо (Fe_α) с тетрагональной решеткой (с/а >1) (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Объемно-центрированная тетрагональная решетка мартенсита

Степень искажения решетки с/а прямо пропорциональна концентрации углерода. Поскольку мартенситное превращение состоит в перестройке решетки аустенита, в которой атомы не меняются местами (бездиффузионно), а смещаются (сдвигаются) друг относительно друга, то кристаллы имеют ориентационную связь (рис. 8.12). В углеродистых сталях существует две ориентационные связи, получившие название ориентировка Курдюмова-Закса и ориентировка Нишияма. Ориентировка кристаллов мартенсита (пластин или линз) идет по определенным плоскостям и направлениям (рис. 8.12) (направление (111) // (101)), плоскости ([101] // [111]). Следствием сдвигового механизма превращения на полированной поверхности шлифа является характерный рельеф.

Рис. 8.12. Атомно-кристаллический механизм перестройки

Согласно теории, мартенситный кристалл образуется на плоскости сдвига в момент ее образования. Главную роль играют напряжения. Источниками напряжений являются: градиент температур по сечению; анизотропия механических свойств; неоднородность химического состава; структурные несовершенства; разная ориентировка кристаллов в пространстве; различный удельный объем аустенита и мартенсита; различные коэффициенты линейного расширения фаз.

Удельный объем аустенита при количестве углерода от 0,2-1,4 % составляет 0,12227 – 0,12528 см³/г; мартенсита – 0,12708 – 0,13061 см³/г.

Напряжения, возникающие в результате изменения температуры концентрируются в отдельных участках аустенита, образуя энергетические флуктуации. Релаксация (разряжение) напряжений происходит путем сдвига по определенным плоскостям и направлениям (рис. 8.12). В момент сдвига образуется порция мартенситных пластин (игл). Время образования порции мартенситных пластин (игл) изменяется в пределах от 0,5×10^-7 до 5,7×10^-8 в зависимости от размера пластин. Средняя скорость роста составляет около 10³ м/с (1 км/с), близка к скорости звука в твердом теле и не зависит от температуры превращения. Кристаллы растут до определенных размеров, после чего рост прекращается.

Аустенитно-мартенситное превращение (рис. 8.13, б) проходит в интервале температур М_н – М_к (М_н, М_к – мартенситные точки: н – начало, к – конец превращения). При данной температуре с огромной скоростью образуется только определенное количество (порция) мартенсита, остается остаточный аустенит. Для возобновления процесса нужно дополнительное охлаждение.

Рис. 8.13. Мартенситная кривая (а) и зависимость мартенситных точек от содержания углерода (б)

Мартенситное (А →М) превращение не идет до конца, в стали всегда остается остаточный аустенит (рис. 8. 13, а).

Положение точек мартенситного превращения зависит от состава стали. Сильно снижает положение точек М_н и М_к концентрация углерода (рис. 8.13, б).

Итак, особенностями мартенситного превращения являются:

1) бездиффузионный сдвиговый механизм;

2) ориентированность кристаллов в пространстве;

3) ультразвуковая скорость образования порции кристаллов мартенсита;

4) тетрагональность решетки (с/а);

5) незаконченность превращения А → М;

6) необратимость превращений А → М;

7) очень высокая твердость мартенсита (HRC 55-65) и хрупкость из-за повышенной плотности дефектов (дислокаций) внутри кристалла мартенсита.

8.8. Превращения в закаленной стали при нагреве (IV превращение)

Различают 4 основных превращения при нагреве закаленной стали (рис. 8.14). Все процессы идут внутри мартенситных пластин (игл) поэтому характер игольчатой структуры сохраняется до высоких температур.

Первое превращение при отпуске происходит в интервале 80-200°С и называется «двухфазным» или «гетерогенным» расплавом мартенсита. Выделяются тончайшие пластины карбида (ε - карбид или Fe_xС), уменьшается степень тетрагоналъности с/а→1, образуется «отпущенный мартенсит». Это превращение сопровождается сокращением объема образца.

Рис. 8.14. Дилатометрическая кривая отпуска закаленной стали

Второе превращение происходит в интервале от 200 - 300°С. Одновременно идут процессы:

- образуются ε - и Fe_xС – карбиды, когерентно связанные с решеткой мартенсита;

- остаточный аустенит переходит в «отпущенный мартенсит» (рис. 8.15) (бейнит нижний). Процесс сопровождается увеличением объема (рис. 8.14);

- продолжается выделение углерода из мартенсита (с/а→1);

- начинается карбидное обособление - образование карбида железа по схеме:

В лекции "Менеджер и его роль в организации" также много полезной информации.

Fe_xС→ Fe₂С→ Fe₅С→ Fe₃С

Третье превращение происходит в интервале от 350-450°С. Увеличивается скорость диффузии, карбид железа выделяется из решетки мартенсита. Степень тетрагональности с/а →1. Образуется дисперсная смесь феррита и цементита (троостит отпуска).

Четвертое превращение происходит выше 400-450°С. Растут частицы карбида (коагуляция) и сливаются, округляются (сфероидизация). Тонкая феррито-цементитная структура троостита отпуска превращается при температуре 500-550°С в сорбит отпуска, а при более высоких температурах (600-650°С) - в перлит.

Рисунок 8.15 - Схема процессов, совершающихся при отпуске: 1 – выделение углерода из тетрагонального мартенсита; 2 – распад остаточного аустенита; 3 – снятие внутренних напряжений; 4 – коагуляция карбидных частиц

Возврат и рекристаллизация в α – Фазе (Fe_α) происходят в широком интервале температур отпуска. Развитие этих процессов сдерживается частицами карбидных выделений, закрепляющих отдельные дислокации, дислокационные стенки. После длительного отпуска при температуре 600°С, когда в результате коагуляции цементитных частиц закрепление границ ослабевает, происходит рекристаллизационный рост зерен миграцией высокоугольных границ. Микроструктура при этом теряет характерные морфологические признаки реечного мартенсита. Закалка + высокий отпуск называется улучшением.