2. Теория термической обработки

Технология металлов состоит из трех основных видов: металлургия, механическая и термическая обработки.

Цель термической обработки состоит в нагреве изделия до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении в определенной среде для изменения (улучшения) механических свойств изделия. Изменение свойств сплава, которые создаются в режиме термообработки, должны быть остаточными, иначе в ней не будет никакого смысла.

Режим любой термообработки можно представить графиком Т (τ) – рис. 2.1,а.

Рис. 2.1. Графики различных видов термической обработки: а– общая схема;б– отжигІІ рода;в – закалка;г– отпуск

2.1. Классификация видов термической обработки

Все виды термообработки можно разделить на 4 основные группы:

1 группа. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пластическая деформация создает наклеп – искажение кристаллической решетки. Неравномерное распределение упругой деформации создается при быстром охлаждении металла или при неравномерном распределении механических напряжений в металле, а также приводит к химической неоднородности. Нагрев ниже температуры фазового превращения (727 ⁰С), повышая подвижность атомов, приводит к более равновесному состоянию в металле, уменьшает внутренние напряжения, устраняет частично или полностью химическую неоднородность. Такой вид термообработки называется отжигом І рода (рис. 2.1, г).

2 группа. Если в сплавах при нагреве происходят фазовые превращения (полиморфные, эвтектоидные, перитектоидные), то нагрев сплава выше этой температуры и последующее медленное охлаждение приведут к структурному выравниванию, и фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию. Такая термообработка называется отжигом ІІ рода или фазовой перекристаллизацией (рис. 2.1, б).

3 группа. Как и отжиг ІІ рода, осуществляется для металлов, имеющих фазовые превращения. Главное различие – в скорости охлаждения. Теоретически можно представить такие условия, при которых фазового превращения вовсе не произойдет. Зафиксируется состояние сплава при высоких температурах (такое состояние называется истинной закалкой). Но обычно фиксируется промежуточное состояние между равновесным и неравновесным. Между 2 и 3 группами общее – нагрев выше температуры фазового превращения (рис. 2.1, в), разница – цель 2 группы привести сплав в равновесное состояние, 3 группы – отдалить структуру от равновесной, привести к неравновесному состоянию.

4 группа. Состояние закаленного сплава характеризуется неустойчивостью. Нагревая такой сплав и выдерживая его определенное время ниже температуры фазового превращения, уменьшаются внутренние напряжения, и сплавы переходят в более равновесное состояние. Такая термообработка называется отпуском (рис. 2.1, г). Она применима только для закаленных сталей. Выдержка при комнатной температуре называется старением.

2.1. Превращения в стали при нагреве

Превращение перлита в аустенит. Согласно левой нижней части диаграммы состояния железо-цементит (см. рис. 2.2), при нагреве стали перлит превращается в аустенит при критической температуре а₁ (линия PSK, температура 727 °С) по такой реакции

Fe _α (C) + Fe₃C → Fe _γ (C)

Рис. 2.2. Критические точки диаграммы железо-углерод при нагреве и охлаждении

В действительности превращение перлита в аустенит не может происходить при 727 °С, т.к. при этой температуре свободная энер­гия перлита G_n равна свободной энергии аустенита G_a (т.е. G_n ⁼ G_A), поскольку движущая сила фазового превращения АП G=0. Для превращения необходимо, чтобы G  0, т.е. обязательно должен быть пере­грев Т⁺.

Рис. 2.3. Кривые свободной энергии аустенита и перлита

Процесс превращения перли­та в аустенит при нагреве в эвтектоидной стали (0,8 % С) происхо­дит следующим образом. Сталь в исходном состоянии пред­ставляет смесь фаз феррита и це­ментита. Центры кристаллизации аустенита возникают в кристаллах феррита (т.к. аустенит и феррит – твердые растворы) с примерной концентрацией углерода 0,8%. Но для роста зародышей аустенита необходим приток атомов углерода. Поэтому превращение  происходит на границе ферритной и цементитной фаз, начинается превращение приводящее к образованию низкоуглеродистого аустенита, в котором растворяется цементит.

Рис. 2.4. Пример превращения аустенита в перлит

Превращение  происходит быстрее, чем растворение це­ментита, поэтому, когда вся  - фаза (феррит) превратится в  - фазу (аустенит), цементит Fe₃С еще остается. После растворения всего цементита превращение заканчивается. Только при дальнейшем по­вышении температуры или дополнительной выдержке аустенит стано­вится однородным по всему объему в результате диффузии углерода.

Наиболее интенсивно зерно аустенита растет у эвтектоиной стали. Наличие феррита и цементита в до- и заэвтектоидных сталях тормозит рост зерен аустенита.

На скорость превращения перлита в аустенит влияют многие факторы: температура, скорость нагрева, дисперсность исходной структуры, пластинчатая или зернистая форма перлита, химический состав стали.