1. Классификация видов термической обработки по Бочвару.

2. Отжиг и нормализация.

3. Закалка.

Чтобы вызвать изменение свойств сплава, в нем при нагреве, выдержке или охлаждении должны произойти изменения, обусловленные фазовыми превращениями. Если металл в результате предшествующей обработки находится в структурно неравновесном состоянии, то при нагреве, вследствие увеличения подвижности атомов, можно приблизить металл к равновесному состоянию и изменить его свойства.

Все виды термической обработки подразделяют на 5 больших групп.

    Ι. Допустим, что предшествующая обработка привела металл в неустойчивое состояние. Холодная пластическая деформация вызвала наклеп – искажение кристаллической решетки. При затвердевании не успели произойти диффузионные процессы, и состав металла неоднороден даже в объеме одного зерна. Полученное подобными способами неустойчивое состояние для большинства металлов при комнатной температуре сохраняется длительное время, т.к. тепловое движение атомов при комнатной температуре недостаточно для перехода в устойчивое состояние.

Увеличение теплового движения атомов в результате нагрева ведет к активации процессов, приводящих металл в устойчивое состояние. К подобным процессам относятся снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической решетки, рекристаллизация, диффузия.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который имеет неустойчивое состояние, полученное в результате предшествующих обработок, и приводящая в более устойчивое состояние, называется отжигом.

П. Если при нагреве сплавы подвергаются фазовым превращениям (аллотропия, растворение 2-й фазы и т.д.), то нагрев выше некоторой критической температуры вызывает изменение в строении сплава.

При последующем охлаждении произойдет обратное превращение. Если охлаждение происходит достаточно медленно, то превращение совершается в полной мере, фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию.

Особенностью обработки ΙΙ является нагрев выше температур фазового превращения и охлаждение с малой скоростью, в результате чего сплав приходит к структурному равновесию. Такая термическая обработка также называется отжигом, но отжигом ΙΙ рода или фазовой перекристаллизацией.

Ш. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически возможно такое быстрое охлаждение, в результате которого зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такой процесс называется истинной закалкой. В более широком смысле закалка подразумевает фиксацию лишь какой-то стадии структурного превращения, при которой в сплаве еще не достигнуто равновесное состояние.

Между обработкой П-йи ΙΙΙ - ей групп есть общее. И в том, и в другом случае сплав нагревается выше температуры фазового превращения, и окончательное строение приобретается при последующем охлаждении.

Однако между обоими видами имеется и принципиальная разница. Во ΙΙ группе термической обработки охлаждение имеет целью приближение сплава к равновесному состоянию и потому охлаждение ведется медленно. По Ш группе термической обработки охлаждение ведется быстро с целью отдаления структурного состояния сплава от равновесного.

ΙV группа. Состояние закаленного сплава характеризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к более равновесному состоянию. Нагрев сплава способствует этим превращениям, т.к. вызывает большую подвижность атомов. Нагрев закаленного сплава ниже температуры равновесных фазовых превращений называется отпуском. Отпуск, происходящий при комнатной температуре (т.е. термообработка заменяется выдержкой при комнатной температуре) или при невысоком нагреве, часто называют старением.

Между отжигом Ι рода и отпуском есть общие моменты. В том и в другом случае обработка приближает сплав к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние сплава, только для отжига Ι рода оно достигается предшествующей обработкой, при которой не происходило фазовых превращений, а для отпуска – предшествующей закалкой.

Отсюда следует, что отпуск является всегда вторичной операцией, производимой после закалки.

V группа металлов может растворять в себе различные элементы. При повышенных температурах атомы вещества, окружающего поверхность металла, диффундируют внутрь, создавая поверхностный слой измененного состава. Температурный фактор в этих процессах играет важную роль, поэтому их нельзя свести в чисто химической обработке. Обработка, в результате которой изменится состав поверхностных слоев, носит название химико-термической обработки.

Различные виды химико-термической обработки определяются тем, какими элементами насыщают металл.

Исходя из сказанного, можно дать краткие определения различных видов термической обработки.

    1. Отжиг Ι рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние, полученное предшествующими видами обработки и приводящая металл в более устойчивое состояние.

    2. Отжиг П рода – термическая операция, состоящая из нагрева выше температуры превращения с последующим достаточно медленным охлаждением для получения структурно устойчивого состояния сплава.

    3. Закалка – термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

    4. Отпуск – термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры превращения для получения структурно более устойчивого состояния сплава.

    5. Химико-термическая обработка – термическая операция, состоящая в нагреве сплава в среде соответствующих химических реагентов для изменения состава поверхностных слоев.

    2. Отжиг и нормализация.

Отжиг – это такая термическая обработка, при которой сталь нагревается выше критической точки Ас₃ (или только выше Ас₁ – неполный отжиг) с последующим медленным охлаждением.

Нагрев выше Ас₃ обеспечивает полную перекристаллизацию стали. Медленное охлаждение при отжиге должно привести к распаду аустенита в перлитные структуры. Нормализация есть разновидность отжига. При нормализации охлаждение проводится на спокойном воздухе, что ускоряет охлаждение, по сравнению с обычным отжигом. Перлит, в случае нормализации, образуется при несколько большем переохлаждении, что обуславливает некоторые отличие в свойствах отожженной и нормализованной стали.

Отжиг и нормализация обычно являются первоначальными операциями термической обработки. Цель их – устранение некоторых дефектов предыдущих операций горячей обработки (например, литья, ковки и т.д.) или подготовка структуры к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием, закалке). Если эксплуатационные свойства удовлетворительны и не требуется дальнейшего улучшения путем закалки и отпуска, то отжиг и особенно нормализация могут быть окончательными видами термической обработки.

Основной целью отжига является перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений.

Обе эти задачи выполняет обычный полный отжиг. Схема различных видов отжига:

Полный отжиг заключается в нагреве стали выше верхней критической точки Ас₃ с последующим медленным охлаждением. Феррито-перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную. При охлаждении аустенит снова превращается в феррит и перлит, т.е. происходит полная перекристаллизация.

Структура, состоящая из крупных зерен перлита и феррита (какая бывает часто после литья и ковки), а иногда феррит может быть игольчатым – видманштеттовая структура, после такого отжига превращается в структуру из мелких зерен феррита и перлита.

Сталь 40

До отжига видманштетт                   После отжига

Если исходная структура не очень крупнозерниста и не имеет видманштеттного характера, то достаточно произвести более низкий нагрев – выше Ас₁, но ниже Ас₃. При этом произойдет лишь перекристаллизация перлитной составляющей, но не ферритной. Такой отжиг называют неполным. Он более экономичен.

Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называют также сфероидизацией. Способ используется для получения структуры зернистого перлита. Нагрев немного превышает критическую точку Ас₁, если значительно увеличить нагрев получится пластинчатый перлит.

Структурой зернистого перлита должны обладать инструментальные стали, т.к. это обеспечит хорошую обрабатываемость режущим инструментам и малую склонность к перегреву при закалке.

Если исходная структура хорошая, а требуется только снизить внутренние напряжения, то нагрев под отжиг ограничивают более низкими температурами, ниже критической точки. Это низкий отжиг или «высокий отпуск» и относится он к 1-й группе термической обработки (отжиг Ι р.), тогда как полный и неполный отжиг относится ко П группе (отжиг П р. Или фазовая перекристаллизация).

Литая сталь обычно характеризуется неоднородностью состава, дендритной и зональной ликвацией. Нагрев стали до высоких температур и выдержка при них ведут к устранению или выравниванию оси Ι порядка в начальный момент кристаллизации обогащается тугоплавким компонентом. Чем больше разница температур между солидусом и ликвидусом, тем сильнее ликвация дендритной неоднородности. Такая обработка называется гомогенизацией или диффузионным отжигом. Но! Высокий нагрев (обычно 1000-1100⁰С) и длительная выдержка ведут к сильному росту зерна. Для устранения крупнозернистости требуется дополнительная обработка (обычный отжиг).

Крупнозернистая структура может быть исправлена также при ковке и прокатке, т.е. пластической деформацией. В этом случае надобность в последнем отжиге отпадает.

Скорость охлаждения при отжиге должна быть приемлемой для превращений аустенита с малой степенью переохлаждения, а именно не более 50-100 º/час, что достигается охлаждением в печи.

Однако целесообразнее проводить изотермический отжиг. Для этого сталь, нагретая выше критической точки, быстро охлаждается до температуры, лежащей на 50-100⁰С ниже равновесной т. А₁ и при этой температуре выдерживается до полного распада аустенита. Так как температуру легче контролировать, чем скорость охлаждения, такой отжиг дает более стабильные результаты.

Нормализация более дешевая термическая обработка, чем отжиг: печи используются только для нагрева и выдержки при температуре нормализации.

Для низкоуглеродистых нелегированных сталей разница в свойствах между отожженными и нормализованными состояниями практически отсутствуют, поэтому такие стали рекомендуется нормализовать.

Для среднеуглеродистых сталей (0,3-0,5%) различие в свойствах более значительно. В этом случае нормализация не может заменить отжига. Но эти стали нормализуют для замены более дорогой операции улучшения, состоящей в двойной обработке: закалка + отпуск при высокой температуре. Нормализация придает в данном случае более высокую прочность по сравнению с отожженным состоянием, но пластичность и вязкость ниже.

Нормализация сопровождается охлаждением на спокойном воздухе. Если же после нагрева до аустенитной области следует охлаждение в струе воздуха, т.е. охлаждение с повышенной скоростью (чтобы превращение произошло в районе изгиба с кривой), то процесс называют одинарной термической обработкой (термин ввел Минкевич Н. А.).

Применяется в тех случаях, когда надо получить твердость выше, чем при нормализации, когда стремятся избежать закалки.

Закалка.

В большинстве случаев при закалке стремятся получить структуру наивысшей твердости, т.е. мартенсит. При полной закалке сталь переводят в однофазное состояние (в аустенит), т.е. нагревают выше критических температур Ас₃ и Аст. При неполной – до межкритических температур – между Ас₁ и Ас₃.

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке, оптимальная температура нагрева на 30÷50⁰С больше Ас₃.

При нагреве образуется мелкокристаллический аустенит; после охлаждения, соответственно, - мелкокристаллический мартенсит. Недогрев до Ас₃ приводит к неоднородности структуры (сохраняется кристаллический феррит).

Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура нагрева углеродистых и низколегированных сталей – Ас₁+30÷50⁰С. После закалки структура заэвтектоидной стали состоит из мартенсита и цементита. Твердость, из-за присутствия цементита выше, чем при полной закалке.

Для высоколегированных сталей ледебуритного класса (за т. Е) используют температуры, близкие к эвтектической (1147⁰С). Получают красностойкий мартенсит [красностойкость – способность сохранять твердость в нагретом состоянии]. Такую закалку называют закалкой на вторичную твердость.

Закалку при температуре 900-1000⁰С называют закалкой на первичную твердость. Получают износостойкие стали.

Охлаждение при закалке.

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую скорость – υ_кр.

υ_кр для углеродистых сталей от 1400 до 400⁰С/с. Такое резкое охлаждение достигается погружением изделий в холодную воду или воду с добавками NaOH. Легированные стали приобретают мартенситную структуру при охлаждении в холодных или подогретых маслах, а высоколегированные можно охлаждать на воздухе.

Иногда закалка сопровождается короблением. Коробление и растрескивание вызываются остаточными напряжениями, возникающими при закалке.

Величина напряжений значительно уменьшается при закалке в 2-х средах и ступенчатой закалке.

Закалка в 2-х средах осуществляется следующим образом:

После нагрева изделие погружается на определенное время в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение температурного района минимальной устойчивости аустенита, а затем переносится в более мягкую среду, обычно в масло.

При ступенчатой закалке изделие, нагретое до температуры закалки, переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50-100⁰С больше мартенситной точки Мн, выдерживают недолго, чтобы выровнять температуру по сечению, а затем окончательно охлаждают на спокойном воздухе. Такой способ охлаждения дает возможность получать мартенсит в легированных сталях с достаточно высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в районе температур перлитного превращения.