Процессы, протекающие в стали при нагреве, выдержке и охлаждении

Существует следующая классификация различных видов термической обработки:

• • отжиг первого рода (рекристаллизация);
• • отжиг второго рода (фазовая перекристаллизация);
• • закалка;
• • отпуск;
• • термохимическая обработка.

Отжиг первого рода применяется с целью снятия внутренних напряжений в деталях и заготовках, изготовленных редуцированием, штамповкой, вытяжкой, волочением и прокаткой в холодном состоянии.

При холодной обработке стали происходит наклеп — повышение ее прочности, сопровождающееся снижением пластичности вследствие искажения формы и измельчения кристаллов. Для восстановления свойств стали, которыми она обладала до холодной деформации, ее подвергают отжигу первого рода при температурах 350—550°С.

При нагреве в стали сначала снимаются внутренние напряжения, а затем укрупняются кристаллы, причем их размер может стать больше первоначального. При изменении структуры материала одновременно меняются и его свойства.

Отжиг второго рода предназначен для устранения пороков стали, образующихся при ее литье, ковке и штамповке в нагретом состоянии и значительно снижающих ее качество. Основными пороками литых сталей являются неоднородность структуры и химического состава.

При нагреве в стали происходят следующие процессы. Сначала снимаются внутренние напряжения, затем тонкие составляющие микроструктуры переходят в грубую перлитную структуру, после чего крупные перлитные зерна превращаются в мелкие аустенитные.

При дальнейшем повышении температуры характер фазовых превращений зависит от марки стали. Температурные точки, при которых начинается или заканчивается процесс фазовых превращений, называются критическими.

Во время выдержки при повышенной температуре в стали активно протекают диффузионные процессы. Углерод и легирующие элементы перемещаются в металле до тех пор, пока их распределение не станет равномерным по всему объему детали. Образовавшиеся мелкие аустенитные зерна с повышением температуры растут. У сталей с первоначально мелким зерном до температур 900—950°С рост зерна почти не наблюдается, а при дальнейшем повышении температуры оно растет быстро.

У сталей с первоначально крупным зерном его рост при нагреве происходит довольно равномерно и продолжается во время выдержки.

Закалка стали производится с целью повышения ее твердости, износостойкости и прочности. Детали нагревают в печах и соляных ваннах. Скорость нагрева при закалке значительно выше, чем при отжиге.

Во избежание образования трещин стали закаливают только в отожженном состоянии.

При нагреве до температуры закалки и во время выдержки при этой же температуре в стали протекают такие же процессы, как и при отжиге.

При охлаждении стали со скоростью, равной критической скорости закалки[1], аустенит переохлаждается, вследствие чего до некоторой температуры фазовых превращений в стали не происходит, а затем начинается процесс превращения аустенита в мартенсит.

Поскольку у некоторых сталей критическая точка превращения аустенита в мартенсит находится ниже 0°С, этот процесс при комнатной температуре полностью не завершается.

Такие стали помимо мартенсита содержат остаточный аустенит, который как менее твердая фаза снижает их твердость. Кроме того, аустенит неустойчив и с течением времени превращается в мартенсит, что приводит к увеличению размеров детали. Для некоторых видов производства это явление недопустимо. Поэтому остаточный аустенит, например, при производстве подшипников после закалки превращают в мартенсит обработкой холодом.

Перерывы в охлаждении детали нежелательны, так как они увеличивают количество остаточного аустенита.

При охлаждении стали со скоростью большей, чем критическая, значительно возрастают внутренние напряжения.

В качестве закаливающей среды для углеродистых сталей применяют воду, а для легированных — минеральное масло.

Отпуск закаленной стали позволяет снять внутренние напряжения и снизить твердость стали до заданного уровня. Внутренние напряжения устраняют низким отпуском, который проводят при температурах 150— 200°С.

Во время отпуска при нагреве примерно до температуры 80°С каких- либо заметных изменений в структуре закаленной стали не наблюдается. Мартенсит, сформировавшийся в процессе закалки, остается очень хрупким. При температурах 80— 170°С из него выделяется избыток углерода и образуется мелкодисперсный цементит.

Снижение содержания углерода в мартенсите приводит к значительному уменьшению его хрупкости. Твердость стали при этом почти не изменяется. В процессе отпуска при температуре 180°С твердость стали постепенно уменьшается, изменяются и другие свойства.

Авторы: Вереина Людмила, Краснов Михаил

• [1] Критическая скорость закалки — это минимальная скорость охлаждения, прикоторой аустенит превращается в мартенсит. При более медленном охлаждении закалкистали не происходит. Критическая скорость закалки зависит от химического состава сталии от температуры, при которой она закаливается. Низкоуглсродистые стали требуют большей скорости закалки, а стали с повышенным содержанием углерода — меньшей. Критическая скорость закалки углеродистых сталей составляет 200—600°С/с. У легированных сталейона ниже 150°С/с.