Термічна обробка сталі – це потужний механізм впливу на її структуру і властивості. Він ґрунтується на видозміни кристалічних граток в залежності від гри температур. В різних умовах железоуглеродистом сплаві можуть бути присутніми ферит, перліт, цементит і аустеніт. Останній відіграє основну роль у всіх термічних перетворень в сталі.

Визначення

Сталь – це сплав заліза і вуглецю, в якому вміст карбону складає до 214% теоретично, проте технологічно застосовна, що містять його в кількості не більше 13%. Відповідно, всі структури, які утворюються в ній під впливом зовнішніх впливів, також є різновидами сплавів.


Теорія представляє їх існування в 4 варіаціях: твердий розчин проникнення, твердий розчин винятку, механічна суміш зерен або хімічну сполуку. Аустеніт – це твердий розчин проникнення атома вуглецю в гранецентрическую кубічну кристалічну гратку заліза, іменовану як ?. Атом карбону впроваджується в порожнину ?-решітки заліза. Його розміри перевищують відповідні пори між атомами Fe, що пояснює обмеженість проходження їх через «стінки» основної структури. Утворюється в процесах температурних перетворень фериту і перліту при підвищенні тепла вище 727?С.

Діаграма залізовуглецевих сплавів

Графік, іменований діаграми стану залізо-цементит, побудований експериментальним шляхом, являє собою наочну демонстрацію всіх можливих варіантів перетворень в сталях і чавунах. Конкретні температурні значення для певної кількості вуглецю в сплаві утворюють критичні точки, в яких відбуваються важливі структурні зміни в процесах нагрівання або охолодження, вони ж формують критичні лінії.


Лінія GSE, яка містить точки Ac 3 і Ac m відображає рівень розчинності карбону при підвищенні рівня тепла.

Таблиця залежності розчинності вуглецю в аустените від температури



Температура, ?З



900



850



727



900



1147



Приблизна розчинність З в аустените, %



02



05



08



13



214

Особливості освіти

Аустеніт – це структура, яка формується в процесі нагрівання сталі. При досягненні критичної температури перліт і ферит утворюють цілісне речовина. Варіанти нагрівання:

Рівномірний, до досягнення необхідного значення, коротка витримка, охолодження. В залежності від характеристик сплаву, аустеніт може бути як повністю сформований, так і частково.

Повільне підвищення температури, тривалий період підтримання досягнутого рівня теплоти з метою отримання чистого аустеніту.

Властивості отриманого розігрітого матеріалу, а також того, який буде мати місце в результаті охолодження. Дуже багато залежить від рівня досягнутого тепла. Важливо не допустити перегрівання або перепав.

Мікроструктура і властивості

Кожній з фаз, характерних для залізовуглецевих сплавів, властиво власне будова решіток зерен. Структура аустеніту – пластинчаста, що має форми, близькі і до игольчатому увазі, і до хлопьевидному. При повному розчиненні вуглецю в ?-залізі, зерна мають світлу форму без наявності темних цементитних включень.
Твердість становить 170-220 НВ. Теплопровідність і електропровідність на порядок нижче, ніж у фериту. Магнітні властивості відсутні. Варіанти охолодження і його швидкості призводять до утворення різних модифікацій «холодного» стану: мартенсіту, бейніта, троостита, сорбіту, перліту. Вони мають схожу голчасту структуру, однак відрізняються дисперсністю частинок, розміром зерен і цементитних частинок.

Вплив охолодження на аустеніт

Розпад аустеніту відбувається в тих критичних точках. Результативність його залежить від наступних факторів:

Швидкість охолодження. Впливає на характер вуглецевих включень, формування зерен, освіти підсумкової мікроструктури і властивостей. Залежить від середовища, яка використовується в якості охолоджувача.

Наявність ізотермічного складової на одному з етапів розпаду – при зниженні до певного температурного рівня, підтримується стабільний тепло деякий період часу, після чого продовжується швидке охолодження, або ж воно відбувається разом з нагрівальним пристроєм (піччю).

Таким чином, виділяють безперервне і ізотермічне перетворення аустеніту.

Особливості характеру перетворень. Діаграма

С-подібний графік, який відображає характер змін мікроструктури металу в часовому інтервалі, в залежності від ступеня зміни температур – це діаграма перетворення аустеніту. Реальне охолодження безперервно. Можливі лише деякі фази примусового утримання тепла. Графік описує ізотермічні умови. Характер може бути дифузійний і бездиффузионний. При стандартних швидкостях зниження тепла зміна аустенітного зерна відбувається дифузійно. В зоні термодинамічної нестійкості атоми починають переміщатися між собою. Ті, які не встигають проникнути в гратку заліза, формують цементитние включення. До них приєднуються сусідні частки карбону, звільнені зі своїх кристалів. Цементит формується на кордонах розпадаються зерен. Очищені кристали фериту утворюють відповідні пластини. Формується дисперсна структура – суміш зерен, розмір і концентрація яких залежать від інтенсивності охолодження і змісту карбону в сплаві. Утворюється також перліт і його проміжні фази: сорбіт, троостит, бейніт.
При значних швидкостях зниження температур розпад аустеніту не має дифузійного характеру. Відбуваються комплексні спотворення кристалів, всередині яких всі атоми одночасно зміщуються в площині, не змінюючи розташування. Відсутність диффузионности сприяє зародженню мартенсіту.

Вплив загартування на особливості розпаду аустеніту. Мартенсит

Загартування – це вид термічної обробки, суть якого полягає у швидкому нагріванні до високих температур вище критичних точок Ac 3 і Ac m , після чого слід швидке охолодження. Якщо зниження температури відбувається за допомогою води зі швидкістю більше 200?З за секунду, то утворюється тверда голчаста фаза, що має назву мартенсит. Він являє собою пересичений твердий розчин проникнення карбону в залізо з кристалічною решіткою типу ?. Внаслідок потужних переміщень атомів вона спотворюється і формує тетрагональну гратку, що і виступає причиною зміцнення. Сформована структура має більший обсяг. В результаті цього кристали, обмежені площиною, стискаються, зароджуються голчасті пластини. Мартенсит – міцний і дуже твердий (700-750 НВ). Утворюється виключно в результаті високошвидкісний загартування.

Загартування. Дифузійні структури

Аустеніт – це формування, з якого можуть бути штучно зроблені бейніт, троостит, сорбіт і перліт. Якщо охолодження загартування відбувається на менших швидкостях, здійснюються дифузійні перетворення, їх механізм описаний вище. Троостит – це перліт, для якого характерна висока ступінь дисперсності. Формується при зменшенні тепла 100?За секунду. Велика кількість дрібних зерен фериту і цементиту розподіляється по всій площині. «Загартованого» властивий цементит пластинчастої форми, а троостит, отриманий в результаті подальшого відпустки, має зернисту візуалізацію. Твердість – 600-650 НВ. Бейніт – це проміжна фаза, яка являє собою ще більш дисперсну суміш кристалів високовуглецевого фериту і цементиту. За механічними і технологічними властивостями поступається мартенситу, але перевищує троостит. Утворюється в температурних інтервалах, коли дифузія неможлива, а сили стиснення і переміщення кристалічної структури для перетворення в мартенситную – недостатньо. Сорбіт – крупнодисперсная иглообразная різновид перлітних фаз при охолодженні зі швидкістю 10?За секунду. Механічні властивості займають проміжне положення між перлітом і трооститом. Перліт – це сукупність зерен фериту і цементиту, які можуть бути зернистою або пластинчастої форми. Формується в результаті плавного розпаду аустеніту зі швидкістю охолодження 1?За секунду. Бейтит і троостит – більше відносяться до закалочним структурам, тоді як сорбіт і перліт можуть формуватися і при відпустці, відпалу і нормалізації, особливості яких визначають форму зерен і їх розмір.

Вплив відпалу на особливості розпаду аустеніту

Практично всі види відпалу і нормалізації засновані на взаимообратном перетворенні аустеніту. Повний і неповний відпал застосовують до доевтектоидним сталі. Деталі нагрівають в печі вище критичних точок Ac 3 і Ас 1 відповідно. Для першого типу характерна наявність тривалого періоду витримки, який забезпечує повне перетворення: ферит-аустеніт і перліт-аустеніт. Після чого слід повільне охолодження заготовок в печі. На виході отримують дрібнодисперсну суміш фериту і перліту, без внутрішніх напружень, пластичну і міцну. Неповний відпал менш енергоємний, змінює тільки будова перліту, залишаючи ферит практично без змін. Нормалізація передбачає більш високу швидкість зниження температур, однак і більш грубозернисту і менш пластичну структуру на виході. Для сталевих сплавів з вмістом вуглецю від 08 до 13% при охолодженні в рамках нормалізації відбувається розпад за напрямом: аустеніт-перліт і аустеніт-цементит. Ще одним видом термічної обробки, який заснований на структурних перетвореннях, є гомогенізація. Він застосовний для великих деталей. Передбачає абсолютне досягнення аустенітного грубозернистого стану при температурах 1000-1200?З і витримку в печі в період до 15 годин. Ізотермічні процеси тривають повільним охолодженням, яке сприяє вирівнюванню структур металу.

Ізотермічний відпал

Кожен з перерахованих способів впливу на метал для спрощення розуміння розглядається як ізотермічне перетворення аустеніту. Проте кожен з них лише на певному етапі має характерні особливості. В реальності ж зміни відбуваються при стабільному зниженні тепла, швидкість якого визначає результат. Один із способів, найбільш близький до ідеальних умов, - ізотермічний відпал. Його суть полягає в нагріванні і витримці до повного розпаду всіх структур в аустеніт. Охолодження реалізовується в кілька етапів, що сприяє більш повільному, більш тривалого і більш термічно стабільному його розпаду.

Стрімке зниження температури до значення на 100?З нижче точки Ас 1 .

Примусове утримання досягнутого значення (приміщенням в піч) тривалий час до повного завершення процесів утворення ферритно-перлітних фаз.

Охолодження на спокійному повітрі.

Метод застосовний і для легованих сталей, для яких характерна наявність залишкового аустеніту в охолодженому стані.

Залишковий аустеніт і аустенітні сталі

Іноді можливий неповний розпад, коли має місце залишковий аустеніт. Це може відбутися в наступних ситуаціях:

Занадто швидке охолодження, коли повний розпад не відбувається. Є структурною складовою бейніта або мартенсіту.

Високовуглецева Сталь або низьколегована, для якої ускладнені процеси аустенітних дисперсних перетворень. Вимагає застосування особливих способів термообробки, як, приміром, гомогенізація або ізотермічний відпал.

Для високолегованих – відсутні процеси описуються перетворень. Легування сталі нікелем, марганцем, хромом сприяє формуванню аустеніту як основний міцної структури, яка не вимагає додаткових впливів. Аустенітні сталі відрізняються високою міцністю, корозійною стійкістю і жаростійкістю, жароміцністю і стійкістю до складних агресивних умов роботи. Аустеніт – це структура, без утворення якої неможливе жодне високотемпературне нагрівання сталі і яка бере участь практично у всіх способах її термічної обробки з метою поліпшення механічних і технологічних властивостей.