Теоретические основы термической обработки сталей

Основными видами термической обработки (ТО) углеродистых сталей являются: 1) отжиг на мелкое зерно; 2) нормализация; 3) одинарная термическая обработка; 4) закалка; 5) отпуск (после закалки).

Первым этапом при проведении первых четырех видов ТО является нагрев сталей до оптимальных температур: доэвтектоидных – на 30-50°С выше линии GS, т.е. А₃ + (30-50)°С, а эвтектоидной и заэвтектоидных – на 30-50 °С выше линии PSK т.е. А₁ + (30-50)°С (рис. 1). В результате фазовой перекристаллизации стали приобретают структуру мелкозернистого аустенита, причем в заэвтектоидных сталях сохраняются еще и включения вторичного цементита.

Рис. 1. Оптимальный интервал температур проведения ТО углеродистых сталей

После выдержки при этих температурах для полного завершения фазовой перекристаллизации и диффузионного выравнивания содержания углерода в мелкозернистом аустените следует охлаждение с заданной скоростью. При этом из мелкозернистого аустенита образуются и мелкозернистые структуры продуктов его превращения, что является необходимым условием достижения оптимальных механических свойств. Эти структуры определяются по соответствующим диаграммам превращения переохлажденного аустенита (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали: 1 – кривая начала диффузионного распада аустенита; 2 – кривая конца диффузионного распада аустенита; M_н – линия начала мартенситного превращения; V_кр – критическая скорость охлаждения (П –перлит,
С – сорбит, Т – тростит, М – мартенсит)

При относительно небольших скоростях охлаждения V ₁, V _2, V ₃ в верхнем районе температур (727-550°С) происходит диффузионное перлитное превращение – распад аустенита на структуры перлитного типа: перлит, сорбит или троостит. Они представляют собой феррито-цементитные смеси разной степени дисперсности (измельченности) пластинчатого строения, т.е. в них частицы цементита имеют форму пластинок. Самой грубой смесью является перлит, а самой дисперсной (и потому самой твердой и прочной из них) – троостит, так как он образуется при большей степени переохлаждения.

В доэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует вы- деление из аустенита феррита, а в заэвтектоидных – цементита, количество которых с понижением температуры уменьшается до нуля в районе выступа левой С-образной кривой диаграммы превращения переохлажденного аустенита.

При высоких скоростях охлаждения, равных или больших V _кр, например, V ₅, диффузионный распад аустенита подавляется и он переохлаждается до интервала температур М_н – M_к (М_н – температура начала, а М_к– конца мартенситного превращения) (рис. 2). По мере охлаждения от М_н до М_к происходит бездиффузионное превращение аустенита в предельно неравновесную структуру – мартенсит. Он представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α -железе с тетрагональной кристаллической решеткой и обладает высокими твердостью и хрупкостью из-за сильного перенасыщения углеродом. Происходит закалка стали. Минимальная скорость охлаждения, необходимая для преобразования переохлажденного аустенита в мартенсит, называется критической скоростью закалки (рис. 2, V _кр – кривая охлаждения, касательная к выступу С-образной кривой).

Охлаждение со скоростью V ₄ приводит к образованию структуры троостит + мартенсит (рис. 2).