240. Термическая обработка стали.

Термической (тепловой) обработкой стали называется измеиеине ее структуры, а следовательно, и свойств, достигаемое нагреванием до определенной температуры, выдерживанием при этой температуре и охлаждением с заданной скоростью. Термическая обработка стали — важнейшая операция в технологии стали; она может очень сильно изменить свойства стали. Ей подвергают как готовые изделия, главным образом инструменты и детали машин, так и полуфабрикаты, например, отливки, прокат.

Применяются различные виды термической обработки, придающие стали различные свойства. Важнейшими являются закалка и отпуск.

Закалка осуществляется нагреванием стали до температуры, несколько превышающей температуру превращения перлита в аустенит, выдержкой при этой же температуре и быстрым охлаждением. Закалка придает стали твердость, прочность, но в то же время делает ее хрупкой. Поэтому закаленную сталь обычно подвергают еще одной операции — отпуску. Он состоит в нагревании стали до температуры, при которой еще не достигается превращение в аустенит, выдержке при этой температуре и сравнительно медленном охлаждении. Отпуск — конечная операция термической обработки. В результате закалки и отпуска, проводимых по заданному режиму, сталь получает требуемые механические свойства.

Что представляют собой те процессы, которые протекают в стали при закалке и отпуске? Для ответа на этот вопрос вспомним диаграмму состояния системы —С. На рис. 173 приведена часть этой диаграммы, отвечающая содержанию углерода до 2,14% и температуре до . При нагреванин стали эвтектоидного состава углерода) перлит при превращается в аустенит. При нагреванин стали, содержащей меньшие количества углерода, например 0,4% (структура такой стали состоит из перлита и феррита), при перлит превращается в аустенит с 0,8% углерода (точка 1 на рис. 173), а при дальнейшем нагреванин феррит постепенно растворяется в аустепите; содержание углерода в аустепите при этом уменьшается в соответствии с линией SG. По достижении точки 2 феррит исчезает, а концентрация углерода в аустеиите становится равной его общему содержанию в стали.

Аналогично протекают превращения в случае стали, содержащей большие количества углерода, например, . Такая сталь состоит из перлита и цементита. При перлит превращается в аустенит, содержащий углерода (точка 3), а при дальнейшем нагревании цементит растворяется в аустените. По достижении точки 4 цементит исчезает, а содержание углерода в аустепите становится равным .

Рис. 173. Часть диаграммы состояния системы железо — углерод. А — аустенит; Ф — феррит; Ц — цементит; П — перлит.

Таким образом, первый этап закалки — нагревание сопровождается переходом стали в состояние аустенита. Диффузия атомов даже при высоких температурах происходит в твердом теле далеко не мгновенно. Для полноты превращения сталь выдерживают некоторое время при температуре, немного превышающей соответствующую точку линии GS или .

Процессы, протекающие при медленном охлаждении аустенита, обратны только что рассмотренным. Но при быстром его охлаждении эти процессы, связанные с диффузией атомов углерода и железа, не успевают происходить. В результате сталь оказывается в неравновесном состоянии.

При охлаждении аустенит делается термодинамически неустойчивой фазой; при температурах ниже термодинамически устойчив перлит или перлит с избытком феррита или цементита. Чем больше переохлаждение, тем больше разность энергий Гиббса аустенита и перлита, стимулирующая превращение. Но, в то же время, чем больше переохлаждение (т. е. чем ниже температура), тем медленнее протекает диффузия атомов. В результате одновременного действия этих противоположных тенденций скорость превращения аустенита в перлит оказывается максимальной при небольших переохлаждениях, т. е. при медленном понижении температуры. При больших же переохлаждениях, при быстром снижении температуры скорость диффузионных процессов приближается к нулю и превращение становится невозможным. Однако кристаллическая решетка железа перестраивается при любой скорости охлаждения, так что в результате понижения температуры -железо превращается в -железо. Таким образом, в основе закалки стали лежит превращение аустенита в пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Эта фаза носит название мартенсита; будучи термодинамически неустойчивой, она не находит отражения на диаграмме состояния.

Если в равновесном состоянии растворимость углерода в -железе при на превышает , то в мартенсите его содержится столько же, сколько в исходном аустепите. Мартенситное превращение не сопровождается диффузионным перераспределением углерода, т. е. перемещение атомов углерода я железа не превышают в ходе этого превращения межатомных расстояний. Происходит лишь перестройка кубической гранецентрированной решетки -железа в кубическую объемноцентрированную ( -железо). Однако сохранение в повой решетке атомов углерода приводит к ее искажению, а точнее говоря, к превращению в тетрагональную с отношением осей, незначительно отличающимся от единицы. При содержании углерода в стали выше часть аустенита не испытывает превращения и сохраняется в закаленной стали.

Мартенсит обладает высокой твердостью, возрастающей с увеличением содержания углерода. Его твердость обусловлена очень тонкой неоднородностью строения, препятствующей передвижению дислокаций. Но в то же время, в связи с большими внутренними напряжениями, возникающими при его образовании, мартенсит хрупок. Поэтому закаленная сталь тверда, но хрупка.

При отпуске мартенсит и остаточный аустенит частично распадаются. При этом степень превращения мартенсита и структура образующихся продуктов зависят от температуры нагрева при отпуске.

При низкотемпературном отпуске изделия нагревают до . При этом углерод лишь частично выделяется из мартенсита, образуя включения пластинок карбида железа (цементита). Низкотемпературный отпуск снижает внутренние напряжения в стали, повышает ее прочность, а ее твердость и износостойкость сохраняются.

Этому виду отпуска подвергают режущие и измерительные инструменты.

Среднетемпературный отпуск проводится при . При этих температурах диффузия атомов углерода и железа протекает достаточно быстро; углерод полностью выделяется мартенсита и сталь приобретает структуру феррита и тонкопластинчатых частиц цементита. Она становится упругой, в связи с чем средпетеыпературному отпуску подвергают пружины и рессоры.

Отпуск, проводимый , называется высокотемпературным, пли высоким. При этих температурах происходит рост кристаллитов карбида железа — тонкие пластннкп его укрупняются и приобретают округлую форму. Высокий отпуск повышает вязкость стали; прочность и твердость ее немного снижаются, но остаются все же значительными. При высоком отпуске создается наилучшее соотношение механических свойств стали. Поэтому закалка с высоким отпуском называется улучшением стали. Улучшение — основной вид термической обработки конструкционных сталей (см. § 241).

В некоторых случаях поверхность изделия или детали должна обладать механическими свойствами, отличными от свойств в ее массе. Например, автомобильная ось должна иметь твердую поверхность, хорошо сопротивляющуюся истиранию, и в то же время не быть хрупкой, т. е. обладать известной упругостью во избежание поломок толчках. В таких случаях применяется химико-термическая обработка стали. При химико-термической обработке поверхность изделия насыщается углеродом, азотом или некоторыми другими элементами, что достигается диффузией элемента из внешней среды при повышенных температурах. Насыщение углеродом, или цементация, осуществляется нагреванием изделия в атмосфере СО, или в массе активного угля. При этом поверхностный слой стали глубиной приобретает большую твердость и прочность, тогда как остальная масса стали остается вязкой и упругой. При азотировании стали, т. е. насыщении ее поверхности азотом, изделие подвергают длительному нагреванию в атмосфере аммиака при . Азотированная сталь обладает еще большей твердостью, чем цементированная, вследствие образования в поверхностном слое нитридов железа. Она выдерживает нагревание до , не теряя своей твердости.