1.8.3. Применение диаграммы Fe—Fe3c

Диаграмму Fe—Fe₃C используют для определения видов и температурных ин­тервалов термической обработки стали; для назначения температур­ного интервала при обработке давлением; для определения темпера­туры плавления и заливки сплава и его литейных свойств (жидкотекучести, усадки).

Основой процессов термической обработки является полимор­физм железа и его твердых растворов на базе α- и γ-железа. Поли­морфные превращения стали данного состава происходят в опреде­ленном интервале температур, ограниченном нижней А₁ и верхними А₃ и А_т критическими точками.

В результате полиморфизма происходит перекристаллизация в твердом состоянии. Перекристаллизация — это изменение кри­сталлического строения стали при ее нагреве или при охлаждении до определенных температур.

Таким образом, термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенных температур, выдержке их при этих тем­пературах и последующем охлаждении с различной скоростью. При этом изменяются структура сплава, а, следовательно, и его свойства. Изменяя режим термической обработки, можно получить различные физико-механические свойства и структуры железоуглеродистых сплавов.

Температурный интервал при горячей обработке давлением. Этот интервал находится ниже линии солидуса на 100...150 °С (верхний предел) и выше линии критических точек А_а на 25...50 °С (нижний предел).

Температуру плавления определяют по линии ликвидуса. Тем­пература заливки должна быть выше линии ликвидуса.

1.8.4. Основные виды термической обработки стали

Изменяя режим охлаждения нагретой до аустенитного состояния стали, можно в широком диапазоне изменять ее дислокационное и фазовое строение получая различные комплексы механических и других свойств. На этом, собственно, и основаны такие наиболее часто применяе­мые виды термообработки, как отжиг, нормализация и закалка. Важным ви­дом термообработки, выполняемым после закалки, является отпуск.

Отжиг. Традиционно сложившееся понятие «отжиг» охватывает не­сколько отличающихся друг от друга по режиму операций термообработки, объединенных единой целью — привести сталь в термодинамически равновесное состояние с минимальной плотностью дислокаций, по возмож­ности низкой твердостью и высокой пластичностью.

Наиболее распространенной разновидностью отжига является обыкно­венный отжиг, который производится с целью смягчить сталь перед механи­ческой обработкой и подготовить ее структуру к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска. Этому отжигу подвергаются имеющие не­благоприятную грубозернистую структуру литые заготовки, а также заготов­ки, прошедшие ковку, штамповку и другие виды обработки давлением, также нуждающиеся в исправлении структуры.

В ряде случаев, когда получающиеся после отжига свойства обеспечи­вают долголетнюю службу детали, он оказывается окончательным видом термообработки. При обыкновенном отжиге сталь нагревается до температу­ры на 30...50 °С выше линии GSK диаграммы Fe-Fe₃C, выдерживается при этой температуре до полного завершения структурно-фазовых превращений и охлаждается с очень малой скоростью (менее 100 °С/ч) в камере печи с отключенными источ­никами теплоты.

Диффузионный отжиг, или гомогенизация, является разновидностью отжига, применяемого с целью устранения в легированной стали (как и в других сплавах) дендрит­ной ликвации.

При диффузионном отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000…1100 °С и подвергается длительной выдержке (18…24 ч). Для устранения крупнозернистости после гомогениза­ции производится обыкновенный отжиг, или нормализация.

Рекристаллизационный отжиг. Этот вид отжига производит­ся с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла.

Температура нагрева при этом виде отжига выбирается на 150…250 °С выше температуры рекристаллизации (Т_р) обрабатываемого сплава. Это наи­меньшая температура, необходимая для протекания в наклепанном металле процессов, возвращающих ему исходные (до деформации) значения характе­ристик механических и других свойств.

Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали производится при температуре нагрева в пределах 600…700 °С.

Наклеп необходимо устранять после холодной обработки металла дав­лением, производимой при Т < Т_р (ковка, штамповка, тонколистовая прокатка и в других случаях).

Нормализация. Особенностями режима этого вида термообработки яв­ляются температура нагрева на 30…50° выше линии GSE диаграммы Fe-Fe₃C, и охлаждение на спокойном воздухе. Эти особенности обусловлены специфи­ческими целями нормализации. Применительно к доэвтектоидным сталям, особенно низкоуглеродистым (0,05...0,25% С), нормализация за более ко­роткое время и при большей простоте режима охлаждения позволяет полу­чить те же результаты, что и при отжиге, т. е. весьма эффективное измельче­ние зерна у литых и кованых заготовок.

Нормализацией можно получить более благоприятную мелкозернистую структуру стали, обладающую повышенны­ми прочностными свойствами.

При нормализации заэвтектоидных сталей из-за ускоренного выделения из аустенита избыточного (вторичного) цементита (в интервале температур Ас_m—Аr₁ нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не об­разуется. В связи с этим одной из целей нормализации является разрушение упомянутой сетки у заэвтектоидных сталей.

Закалка. Режим закалки включает нагрев до температуры на 30…50° выше линии GSK диаграммы Fe-Fe₃C и охлаждение со скоростью не ниже критической с целью измельчения зерна и повышения прочности. Закалку на мартенсит, представляющий собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе, принято считать истинной закалкой. Важнейшим пре­имуществом истинной закалки является возможность получения из мартенсита за счет последующего отпуска продуктов с такими ценными комплексами свойств, которые другими видами термообработки получить невозможно.

Отпуск стали. Отпуском называется операция нагрева закаленной ста­ли для уменьшения имеющихся в ней остаточных напряжений и придания ей комплекса механических и других свойств, которые необходимы для долго­летней эксплуатации изделия.

При отпуске закаленной на мартенсит стали в ней происходят превра­щения, приводящие к распаду мартенсита и образованию равновесного структурно-фазового состава. Интенсивность и результат этих превращений зависят от температуры отпуска.

С целью недопущения аллотропических превращений отпуск произво­дится при температурах ниже точки Ac₁. Однако поскольку от температуры зависят степень распада мартенсита и комплекс получаемых при этом физи­ко-механических и других свойств, то температуру отпуска выбирают в за­висимости от функционального эксплуатационного назначения изделия.

В зависимости от температуры нагрева существует три вида отпуска: низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (сред­ний) и высокотемпературный (высокий).

Отпуск преследует цель не просто устранить внутренние напряжения в закаленной стали. Он является средством придания стали требуемого комплекса свойств. И еще очень важно иметь в виду: при увеличении температуры отпуска возрастает степень диффузион­ного распада мартенсита на ферритно-цементитную смесь, что обусловлива­ет уменьшение прочностных свойств стали и повышение ее вязкости.

Таким образом, при нагреве и выдержке создаются условия для проте­кания диффузионных процессов в пересыщенной углеродом ОЦК решетке мартенсита, превратившейся в тетрагональную.

Низкотемпературный (низкий) отпуск производится при 150…180 °С, а для легированных сталей — до 250 °С. В этом случае при низкой интенсив­ности диффузионных процессов в мартенсите происходит только начальная стадия к его переходу в равновесное состояние.

При низком отпуске мартенсит лишь частично освобождается от пере­сыщающих его решетку атомов углерода. Поэтому основу мартенсита от­пуска составляет все еще пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe.

Образующийся в результате низкого отпуска отпущен­ный мартенсит обладает более благоприятным комплексом механических свойств, сочетающим высокий уровень твердости с некоторым, хотя и не­большим, запасом вязкости и пластичности.

Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре от 350 до 450 ^оС (иногда до 470 ^оС). При таком нагреве завершается распад мартенсита, приводящий к образованию нормальных по составу и внутреннему строению феррита и цементита. Однако вследствие все еще недостаточной интенсивности диффузионных процессов размер зерен образующихся фаз оказывается очень малым.

Образующийся при среднем отпуске продукт называется трооститом отпуска. В нем, в отличие от тростита закалки, цементит представлен не пластиночками, а в виде мельчайших зерен, что обусловливает его более высокую вязкость в сравнении с троститом закалки.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводится при 500…650 °С. При таких условиях нагрева при усилившихся диффузионных процессах происходит образование более крупных, чем у троостита отпуска, зерен феррита и цементи­та, сопровождающееся дальнейшим снижением плотности дислокаций и практически полным устранением остаточных напряжений.

Получающийся при высоком отпуске продукт распада мартенсита, на­зываемый сорбитом отпуска, обладает максимальной для стали вязко­стью, сочетающейся с удовлетворительными показателями прочности. Такой комплекс является идеальным для деталей машин, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам. Благодаря этому преимуществу термиче­скую обработку, сочетающую закалку и высокий отпуск, издавна называют улучшением.

Отпуск при более высоких температурах (близ точки Ас₁,) нецелесообра­зен вследствие чрезмерного роста зерен цементита, что приводит к образо­ванию структуры зернистого перлита и, как следствие, к значительному снижению прочности и особенно вязкости.