Термическая обработка углеродистой стали

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.












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

свойств за счет нагрева и охлаждения с заданной скоростью.
Процессы изменения

структуры и свойств стали за счет изменения химического состава поверхностного слоя

Критические точки диаграммы
железо-углерод
при нагреве и охлаждении

превращения

при 650-700°С. Межластинчатое расстояние l0= 1мкм. Твердость НВ=250 кгс/мм2. Среда

охлаждения – печь. Скорость охлаждения – 1 0С/мин.
Сорбит - мелкая ферритно-цементитная смесь, образующаяся при 600-650°С.
l0=0,3 мкм. Твердость НВ=300-350 кгс/мм2.
Среда охлаждения – спокойный воздух. Скорость охлаждения – 30-50 0С/мин.
Троостит - еще более мелкая ферритно -цементитная смесь, образующаяся при 600-550°С.
l0= 0,15мкм. Твердость НВ=400-450 кгс/мм2.
Среда охлаждения – минеральное масло. Скорость охлаждения – 100-150 0С/мин.

имеет
тетрагональную
кристаллическую рещетку.
Особенностью
мартенситного
превращения является его
бездиффузицонный

характер.

~300 °С). Бейнит
-это игольчатый троостит.
Бейнит содержит ферритную фазу ,

частицы цементита и остаточный аустенит. Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависит от температуры превращения:

до 500 0С l0 = 0,12 мкм – верхний бейнит;
до 300 0С l0 = 0,08 мкм – нижний бейнит. У верхнего бейнита наблюдается плохое сочетание механических свойств – недостаточная прочность при низкой пластичности. У нижнего – высокая прочность при хорошем сочетании с пластичностью и вязкостью. Твердость нижнего бейнита – около 500 кГ/мм2.

А3 на 30-50 0С, выдержка до полного растворения и охлаждение

в печи. Применяется для повышения пластичности. Структура-перлит.
Нормализация-это нагрев стали выше А3 на 30-50 0С, выдержка и охлаждение на воздухе, минеральном масле и т.д. Применяется для измельчения зерна. Структура –сорбит, троостит.
Закалка-это нагрев стали выше или ниже А3 на 30-50 0С, выдержка и охлаждение в воде, соляных растворах и т.д. Структура-мартенсит.
Отпуск-нагрев стали ниже А1 , выдержка и охлаждение в печи, на воздухе, в масле. Структура –мартенсит отпуска, троостит отпуска, сорбит отпуска, перлит отпуска.

выдержка до 10-100 ч в зависимости от массы изделия и

его химического состава и охлаждение в печи с минимальной скоростью. Применяется для устранения ликвации химической неоднородности. Подвергают, в основном, легированные стали. Основной недостаток – укрупнение зерна, поэтому после этого отжига применяется нормализация.

прутков – до 700-730 0С), выдержка и охлаждение в печи.

Он применяется для устранения наклепа холоднокатаных листов из углеродистой стали с 0,1-0,2%С. Процесс протекает за счет образования новых зерен. Время выдержки зависит от толщины сечения. Применяют после холодной деформации, волочения, штамповки.

с выдержкой 2,5 мин на 1 мм сечения. Основное его

назначение – возможно более полное изменение фазового состава.
Полный отжиг – это нагрев доэвтектоидной стали до температур выше Ас3 на 30-500С, выдержка и охлаждение в печи, что обеспечивает полную перекристаллизацию.

Неполный отжиг – это нагрев заэвтектоидной стали до температур выше Ас1 на 30-500С, выдержка и охлаждение в печи В структуре сохраняется вторичный цементит, который в результате отжига получается в виде зерен (глобулей). Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой цементитная сетка дробится. Зернистый цементит улучшает обработку резанием.

быстром охлаждении до температур на 1000С ниже Ас1 и выдержке

в печи при этой температуре до полного превращения аустенита в перлит. Этот отжиг приводит к экономии времени отжига, но лишь для деталей с небольшим сечением из легированных сталей с целью получения более однородной структуры.

охлаждение на спокойном воздухе, в кипящей воде и т.п.
Получаемая

структура – сорбит или троостит (в зависимости от скорости охлаждения).
Применяется для измельчения зерна.
Ее применяют как промежуточную операцию и как окончательную, например, при изготовлении сортового проката (рельсы, швеллеры и т.д.).
Нормализацию с последующим высоким отпуском часто применяют для исправления структуры легированных сталей вместо отжига.

максимально неравновесного состояния с высокими внутренними напряжениями.
Пересыщение приводит к

искажению кристаллической решетки и большим внутренним напряжениям.
Большая скорость охлаждения приводит к образованию мартенсита бездиффузицонным способом.

- Вода при температуре, 180С - мартенсит+остаточный аустенит. Скорость охлаждения 600 0С/мин.
- 10%-ный раствор NaOH в воде 180С - мартенсит. Скорость охлаждения 1200 0С/мин.
- 10%-ный раствор NaCl в воде 180С – мартенсит. Скорость охлаждения 1100 0С/мин.

при закалке.
Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны. Это расстояние от

поверхности до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Величиной, по которой оценивается прокаливаемость, называется критическим диаметром Dкр. Критический диаметр – это диаметр цилиндра из данной стали, который в данном охладителе прокаливается насквозь.

до температуры закалки деталь быстро переносят в охладитель (вода, масло

и т.д.). Для углеродистых сталей диаметром менее 10 мм закалочной средой служит вода, а для больших размеров – масло. Недостаток – вследствие неравномерного охлаждения возникают большие термические напряжения.
Прерывистую закалку или закалку в двух средах используют для деталей более сложной формы и инструментов из высокоуглеродистой стали. Сначала деталь охлаждают в воде до 300 0С, затем переносят в масло. Уменьшение скорости охлаждения в области мартенситного превращения уменьшает структурные напряжения.

когда сердцевина изделия имеет еще значительное количество тепла (не совсем

охладилась). За счет этого тепла поверхностные слои изделия вновь нагреваются и таким образом происходит отпуск. Применяется в мелкосерийном производстве для изготовления ударных инструментов (кернов, зубил и т.д.).
Обработка холодом. Метод обработки стали, имеющей в своей структуре остаточный аустенит. Для того, чтобы избавиться от остаточного аустенита, нужно охладить деталь до нижней мартенситной точки, т.е. ниже 0 0С. Остаточный аустенит вреден тем, что со временем он может распасться на феррито-цементитную смесь, что нежелательно для калиброванных деталей. Применяется этот метод также для повышения износостойкости, твердости, стабилизации размеров (инструменты, шарикоподшипники и т.д., а также для сталей с аустенитной структурой Р18, 12Х2Н4А, ХГ, 18ХНВА и т.д.).

слоев изделия. Одновременно повышаются сопротивление истиранию, предел выносливости и т.д.

Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Быстрым нагревом поверхности создается резкий градиент температур и повышенная скорость охлаждения. Различие в методе нагрева изделий. Толщина закаленного слоя определяется глубиной нагрева. 1 способ – закалка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ).
2 способ – закалка с нагревом пламенем газовой горелки. Применяется главным образом для закалки изделий с большой поверхностью, при индивидуальном производстве и ремонте, иногда для закалки чугунных и стальных валков.
Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струей воды. Применяется тогда, когда нужно закалить часть детали после индукционного нагрева. Например, коренные и шатунные шейки коленвала. Закаленный слой получается до 4 мм.

течение 1-3 часов и охлаждают в печи. Структура –й мартенсит

отпуска. Твердость такая, как после закалки, но повышается пластичность за счет снятия напряжений. Применяют низкий отпуск для инструментальных сталей, после цементации, поверхностной закалки и т.д.
При среднем отпуске сталь нагревают до ≈400-450 0С, выдерживают и охлаждают обычно на воздухе. Получается структура троостита отпуска (игольчатый феррит и зернистый цементит). Сталь имеет хорошее сочетание: высокую твердость, прочность с хорошей упругостью и вязкостью. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.
При высоком отпуске сталь нагревают до ≈600-650 0С, выдерживают и охлаждают в масле. Структура – сорбит или перлит с зернистым цементитом. Такой отпуск применяют для деталей машин, испытывающих при эксплуатации ударные нагрузки.

охлаждение на спокойном воздухе, в минеральном масле, кипящей воде, расплав

свинца и т.д. Структура – сорбит и троостит.
Закалка – охлаждение в холодной воде, среда сухого льда, растворы солей, щелочей, минеральном масле. Структура – мартенсит.
Отпуск - охлаждение в печи, минеральном масле, на воздухе. Структура – мартенсит отпуска, сорбит отпуска, троостит отпуска, перлит отпуска в зависимости от температуры нагрева.