Окончательная термическая обработка (ОТО) стальных изделий

ОТО деталей машин, механизмов, конструкций из конструкционных сталей.

Требуемый для таких изделий комплекс механических характеристик (сочетание высоких значений прочности, вязкости, усталостных характеристик) обычно достигается двойной ТО: полной закалкой с высоким отпуском.

Стандартная Т_ЗАК = А_С3 + 30 – 50^оС, Т_отп = 500 – 680^оС. Температура и время отпуска выбираются, исходя из требуемой твердости изделия (что обеспечивается нужной дисперсностью сорбита отпуска).

При закалке образуется мартенсит, он твердый, причины: высокая плотность дислокаций, мелкое зерно и пересыщенный твердый раствор.

Твердость феррита 80НВ, твердость мартенсита безуглеродистого (техническое железо) порядка 200НВ, то есть упрочнение от дислокаций и границ зерен порядка 120НВ. Но твердость мартенсита с более 0.35 – 0.4%С уже около 650НВ. Значит, твердорастворное упрочнение порядка 450НВ.

Отметим, что остаточный аустенит в инструментальных сталях препятствует получению высокой твердости, поэтому от него надо избавляться, например, с помощью обработки холодом. В конструкционной стали остаточный аустенит исчезнет в процессе отпуска. Его роль может быть в обеспечении минимальной деформации при закалке, что связано с различием объемов изделия в исходном (перлитном) и послезакалочном (мартенсит + Аост) состояниях. Удельный объем уменьшается в ряду Мартенсит – Бейнит – Троостит – Сорбит – Перлит – Аустенит. Подбором соотношения количества М-А можно обеспечить так4 называемую «бездеформационную закалку».

Все эти виды упрочнения (кроме величины зерна) ведут к снижению пластичности и вязкости, мартенсит – твердая и хрупкая фаза. Поэтому обязательно надо давать отпуск, который также обязателен для уменьшения или устранения остаточных закалочных напряжений.

Низкий отпуск (~ 200^оС) почти не изменяет твердость, так как уменьшение твердорастворного упрочнения (%С снижается до ~ 0,3%) компенсируется появлением вклада от сопротивления частиц второй фазы (ε-карбиды). Низкий отпуск применяется при ОТО инструмента, его основное назначение уменьшить закалочные напряжения. При этом сохранение высокой твердости обеспечивает работу инструмента как режущего, так и штампового и мерительного.Также он применяется для деталей типа валы и шестерни в случае поверхностного упрочнения цементацией, нитроцементацией или закалкой ТВЧ – также для сохранения твердости и соответственно износостойкости.

Средний отпуск уже заметнее снижает дислокационный и твердорастворный вклады, твердость заметно снижается (несмотря на то, что аустенит перешел в «бейнит»), структура приобретает характерный для всех термоупрочненных сплавов вид: матричная фаза – на базе твердого раствора примесей в решетке основного компонента (здесь феррит – твердый раствор углерода в α-железе) и вторая фаза в виде мелких зерен – частиц, которые могут быть когерентными или полукогерентными матрице.

В интервале температур высокого отпуска в сталях уже карбидная фаза некогерентна с матрицей, поэтому с повышением температуры отпуска в большей мере проходят процессы сфероидизации и укрупнения (по механизму коагуляции или коалесценции) карбидных частиц. В результате чем выше Тотп, тем менее дисперсна вторая фаза, частицы укрупняются, количество их уменьшается, а расстояния между ними увеличиваются, в результате чего вклад частиц в прочность уменьшается, твердость стали понижается. Но при этом, как правило, повышаются пластические и вязкие характеристики. Поэтому температуру отпуска (и время) выбирает для стали и изделия индивидуально.

В высоколегированных сталях могут быть труднорастворимые специальные карбиды, часть которых может остаться в аустените к концу нагрева. В этом случае Т_ЗАК будет определять степень их растворения, содержание в аустените углерода и легирующих элементов: чем выше Т_ЗАК,

тем больше их в аустените и затем в мартенсите.

Дополнения

Зародыш А-та появляется в Феррите в местах с повышенным %С. А это наиболее вероятно на границе с Цементитом (или на границе ферритных зерен). Значит, число зародышей должно зависеть от площади межфазной границы Ф/Ц (2000 – 10000 мм2 / мм3), то есть от дисперсности и вида Перлита: оно больше в пластинчатом П-те, чем в зернистом, и тем больше, чем Перлит дисперснее.

Перегрев также должен увеличивать скорость зарождения зерен А-та, так как уменьшается Ркр., а также, в соответствие с диаграммой, повышается растворимость С в Ф-те (по продолжению линии PQ), уменьшается %С в образующемся А-те (по линии GS).

Процесс образования аустенита происходит эндотермически. Поэтому требует для своего развития непрерывного подвода тепла, что лимитируется теплопередачей от нагревающей среды к металлу.

Поэтому кинетика аустенитизации может зависеть от способа подачи необходимого для превращения тепла, и процесс протекает особенно интенсивно при использовании таких методов нагрева, при которых тепло непрерывно и в избытке генерируется внутри нагреваемого образца (индукционный нагрев или нагрев непосредственно пропусканием электрического тока). Именно с этим связаны встречающиеся в литературе противоречивые данные о зависимости температуры начала образования и развития аустенизации от скорости нагрева.

Повышение скорости нагрева смещает температурный интервал аустенитного превращения вверх. При этом возникает возможность бездиффузионного полиморфного превращения а---у с последующим за этим растворением карбидов в у-железе, насыщением у-железа углеродом.

Лекция 12