Организационно-правовые формы автотранспортных предприятий

деформационно-термическая  обработка - деформация и последующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа.

 

7.3. Основные виды термической обработки стали

 

Если основой при  рассмотрении термической обработки  сплавов является соответствующая диаграмма состояния, то очевидно, что основой для изучения термической обработки стали является диаграмма железо - углерод. Поскольку мы рассматриваем термическую обработку стали, то нам интересны только сплавы с концентрацией до 2 % С и соответственно область на диаграмме железо-углерод с концентрацией углерода до 2 % (точнее до 2,14 % С).

Участок диаграммы железо-углерод, который будем рассматривать, изображен на рис.7.2.

 

Рис.7.2. «Стальной» участок диаграммы Fe-С

 

Приведем общепринятые обозначения критических точек.

Критические точки обозначаются буквой А.

Нижняя критическая  точка, обозначаемая А₁ лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенит - перлит. Верхняя критическая точка А₃ лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита (вторичного) в заэвтектоидных сталях.

Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с, в первом случае и r - во втором.

Следовательно, критическая  точка превращения аустенита  в перлит обозначается A_r1 а перлит в аустенит А_с1 начало выделения феррита из аустенита обозначается А_r3; конец растворения феррита в аустените А_с3. Начало выделения вторичного цементита из аустенита обозначается также А_r3, а конец растворения вторичного цементита в аустените - А_с3 (эту точку часто обозначают А_ст).

Ниже дана характеристика основных видов термической обработки стали.

Отжиг - фазовая перекристаллизация, заключающаяся в нагреве выше A_c3 с последующим медленным охлаждением. При нагреве выше А_с1 но ниже А_с3 полная перекристаллизация не произойдет; такая термическая обработка называется неполным отжигом. При отжиге состояние стали приближается к структурно равновесному; структура стали после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит.

Если после нагрева  выше A_c3 провести охлаждение на воздухе то это будет первым шагом к отклонению от, практически равновесного структурного состояния. Такая термическая операция называется нормализацией.

Закалка - нагрев выше критической точки А_с3 с последующим, быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит распадается на феррит + цементит при А_r3. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температурах. Феррито-цементитная смесь по мере снижения А_r1 становится все более мелко дисперсной и твердой. Если же скорость охлаждения была так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение цементита и феррита не произошло, то и распада твердого раствора не происходит, а аустенит превращаете в мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе) Неполная закалка - термическая операция, при которой нагрев проводят до температуры, лежащей выше А_с1( но ниже Ас₃ и в структур; стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цементит).

Отпуск - нагрев закаленной стали ниже А_с1,

 

7.4. Четыре основных превращения  в стали

 

Фазовые превращения, которые совершаются в стали, вызваны тем, что вследствие изменившихся условий, например температуры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое. Этим и вызываются превращения, протекающие в стали.

Рассматривая структурные  превращения в стали, мы прежде всего должны указать, что основными являются три структуры, а переход их из одной в другую характеризуют основные превращения.

Укажем эти структуры:

аустенит (А) - твердый раствор углерода в g-железе Fe_g (С);

мартенсит (М) - твердый раствор углерода в а-железе Fе_а (С);

перлит (П) - эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида Fe_a + Fe₃С (ничтожно малой равновесной растворимостью углерода в феррите пренебрегаем).

При термической обработке  стали наблюдаются четыре основных превращения.

1. Превращение перлита  в аустенит, протекающее выше  точки A₁ выше температуры стабильного равновесия аустенит-перлит; при этих температурах из трех основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит:

Fe_a + Fe₃C = Fe_g(С) или П = А

2. Превращение аустенита  в перлит, протекающее ниже А₁:

Fe_g(С) = Fe_a + Fe₃C или А = П

3. Превращение аустенита  в мартенсит:

Fe_g(С) = Fe_a(С) или А = М

Это превращение наблюдается  ниже температуры метастабильного  равновесия аустенит-мартенсит (Т₀). При Т₀ более устойчивой фазой является перлит, однако работа, необходимая для образования мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита, поэтому ниже Т₀ образование перлита (феррито-карбидной смеси) из аустенита может произойти только в результате превращения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.

Таким образом, аустенито-мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.

4. Превращение мартенсита  в перлит, точнее, в феррито-карбиднуго смесь:

Fe_a(С) = Fe_g + Fe₃(С) или М = П.

Оно происходит при всех температурах, так как при всех температурах свободная энергия  мартенсита больше свободной энергии  перлита (точнее феррито-карбидной смеси).

8. ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ  СТАЛИ

 

Под теорией термической обработки понимается описание процессов формирования структур (при превращениях), а также особенностей структурного состояния сплавов (неравновесные состояния).

 

8.1. Образование аустенита

 

Превращение перлита  в аустенит в полном соответствии с диаграммой состояния Fe-С может совершиться лишь при очень медленном нагреве. При обычных условиях нагрева превращение запаздывает и получается перенагрев, т.е. превращение происходит лишь при температурах, несколько более высоких, чем указано на диаграмме Fe-С.

Перенагретый выше критической  точки перлит с различной скоростью  в зависимости от степени перенагрева превращается в аустенит.

На рис.8.1. приведены  данные, показывающие время превращения  перлита в аустенит для стали, содержащей 0,86 % С, при разных температурах (в зависимости от степени перенагрева). Расположение кривых показывает, что чем выше температура, тем быстрее (т.е. за меньший отрезок времени) протекает превращение.

 

Рис.8.1. Превращения перлита (П) в аустенит (А) при постоянной температуре

 

Например, при 780 °С превращение  перлит + аустенит завершится за 2 мин, а при 740 °С - за 8 мин.

Нагрев с бесконечно малой скоростью пересечет горизонталь в бесконечности, где сливаются кривые начала и конца превращения и где превращение перлита в аустенит произойдет в одной «точке», т.е. при постоянной температуре. Это, очевидно, и будет случай равновесного превращения - по диаграмме Fe-С. Реальные превращения, в отличие от равновесных, протекают при температуре выше А₁ и не при одной температуре, а в интервале температур, лежащем тем выше, чем быстрее нагреваем сталь.

Окончание процесса превращения  характеризуется образованием аустенита и исчезновением перлита. Однако этот вновь образовавшийся аустенит даже в объеме одного зерна неоднороден. В тех местах, в которых ранее были пластинки (или зерна) перлитного цементита, содержание углерода больше, чем в тех местах, где залегали пластинки феррита. Поэтому только что образовавшийся аустенит неоднороден.

Для получения однородного  по составу (гомогенного) аустенита при нагреве требуется не только перейти через точку окончания перлитно-аустенитного превращения, но и перегреть сталь выше этой точки или дать выдержку для завершения диффузионных процессов внутри аустенитного зерна.

Скорость гомогенизации аустенита в значительной степени определяется исходной структурой стали - степенью дисперсности цементита и его формой. Чем мельче частицы цементита и, следовательно, больше их суммарная поверхность, тем быстрее происходят описанные превращения.

Начало перлито-аустенитного превращения сопровождается образованием первых зерен аустенита. Первые зерна аустенита образуются на границе между ферритом и цементитом - структурными составляющими перлита. Так как эта граница весьма разветвлена, то превращение начинается с образования множества мелких зерен. Следовательно, по окончании превращения перлита в аустенит образуется большое количество малых аустенитных зерен. Размер этих зерен характеризует так называемую величину начального зерна аустенита.

Дальнейший нагрев (или выдержка) по окончании превращения вызывает рост аустенитных зерен. Рост зерна - самопроизвольно протекающий процесс, так как при этом уменьшается суммарная поверхность зерен (уменьшается поверхностная энергия), высокая температура обеспечивает лишь достаточную его скорость.

Различают два типа сталей: наследственно мелкозернистую и наследственно крупнозернистую; первая характеризуется малой склонностью к росту зерна, вторая - повышенной склонностью.

Переход через критическую  точку А₁ сопровождается резким уменьшением зерна (рис.8.2.). При дальнейшем нагреве зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет до 950-1000°С, после чего устраняются факторы, препятствующие росту, и зерно начинает быстро расти. У крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна, который и начинается вскоре после перехода через критическую точку.

Под наследственной зернистостью следует подразумевать склонность аустенитного зерна к росту.

Размер зерна, полученный в стали в результате той или  иной термической обработки, - это так называемое действительное зерно.

Таким образом, различают:

1) начальное зерно  - размер зерна аустенита в  момент окончания перлито-аустенитного  превращения; 2) наследственное (природное)  зерно - склонность аустенитных зерен к росту; 3) действительное зерно - размер зерна аустенита в данных конкретных условиях.

 

Рис.8.2. Схема изменения размера зерна перлита в зависимости от нагрева в аустенитной области

 

На свойства стали  влияет только действительный размер зерна, наследственный размер зерна влияния не оказывает. Если у двух сталей одной марки (одна наследственно крупнозернистая, другая наследственно мелкозернистая) при различных температурах термических обработок будет получен одинаковый действительный размер зерна, то свойства их будут одинаковыми. Если размер зерна будет различный, то существенно будут различаться многие свойства стали.

Укрупнение зерна аустенита  в стали почти не отражается на статистических характеристиках механических свойств (твердость, сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение), но сильно снижает ударную вязкость, особенно при высокой твердости (отпуск при низкой температуре). Это явление сказывается из-за повышения порога хладноломкости с укрупнением зерна.

 

8.2. Распад аустенита

 

Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита - твердого раствора углерода в - g-железе, на почти чистое а-железо и цементит:

Fe_g(С) = Fe_a + Fe₃C.

Превращение может начаться не в точке А₁ а при некотором переохлаждении, когда свободная энергия феррито-карбидной смеси (перлита) окажется меньшей, чем свободная энергия аустенита.

Чем ниже температура  превращения, тем больше переохлаждение, тем больше разность свободных энергий, тем быстрее происходит превращение.

В случае перлитного превращения  образуются фазы, резко отличающиеся по составу от исходной: феррит, почти не содержащий углерода, и цементит, содержащий 6,67% С. Поэтому превращение аустенит-перлит сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Скорость диффузии резко уменьшается с понижением температуры, следовательно, с этой точки зрения увеличение переохлаждения должно замедлять превращения.

Итак, мы приходим к важному  выводу, что при увеличении переохлаждения (снижения температуры превращения) вступают в борьбу два фактора, прямо противоположно влияющие на скорость превращения.

Снижение температуры (увеличение переохлаждения), с одной  стороны, увеличивает разность свободных энергий аустенита и перлита, что ускоряет превращение, а с другой, вызывает уменьшение скорости диффузии углерода, а это замедляет превращение. Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигает при каком-то значении переохлаждения максимума и затем убывает.

Следовательно, разная скорость перлитного превращения при разной степени переохлаждения определяется тем, что подобным образом зависят от степени переохлаждения скорость роста (с.к.) и число образующихся центров (ч.ц.) перлита.