» » Термообработка стали в равновесном состоянии
23.01.2015

Диаграмма железо—углерод в области стали (≤2 % С) позволяет четко увидеть большие возможности термообработки в равновесии как в области фазовых превращений твердый/твердый, так и в области существования отдельных фаз.
Техническое значение стали можно согласовать с ее возможностями, чтобы путем подходящей обработки, предназначенной для различных требований, способствовать разумному решению, поэтому на диаграмме железо—углерод, например, можно изобразить термообработку в равновесном состоянии. Перенос подобной термообработки на другие материалы возможен в рамках соответствующих диаграмм состояния.
Отжиг для снятая напряжений

Отжиг для снятия напряжений — это термообработка при самой низкой температуре, не вызывающая существенных структурных изменений и связанных с этим воздействий на свойства. Изменения в структуре касаются преимущественно перемещений дислокаций. Поэтому снижение напряжений назначается с целью уменьшения различий собственных внутренних напряжений в детали и определенным образом снижения или уничтожения внутренних напряжений.
Причиной таких различных внутренних напряжений являются чаще всего предшествующие механические, механикотермические и термические способы обработки и переработки, например литье, ковка, рихтовка, обработка резанием, термическая сварка (швов) и другие. Поскольку требования к детали не предполагают других обширных превращений структуры путем термообработки, например, нормализационным отжигом, благодаря отжигу для снятия напряжений достигаются напряженные состояния, которые позволяют ожидать улучшения механических свойств и должны исключить более поздние изменения в свойствах и геометрии детали, например искривление детали.
Процессы, происходящие при этой обработке в решетке, соответствуют отдыху (возврату). Таким образом, изменения в расположении дислокаций согласно определению протекают без образования зародыша, однако при содействии диффузионно управляемых процессов, таких как переползание и поперечное скольжение дислокаций. Естественно, различие напряжений в детали уменьшается тем эффективнее, чем ближе по величине они расположены к пределу термической подвижности, вызываемой соответствующей температурой отжига.
Достижение или превышение предела термической подвижности, однако, не является обязательной предпосылкой для отжига для снятия напряжений, так как так называемые неконсервативные движения дислокаций происходят намного ниже этого уровня напряжений и температуры.
Данные о температурном режиме отжига для снятия напряжений часто колеблются; температуры, особенно верхние, сильно зависят от предшествующей обработки, так как с этой термообработкой ни в коем случае не должны быть связаны структурные изменения. Таким образом, верхние пределы температур у термически обработанных материалов или деталей с более высокой степенью холодной деформации ниже, чем, например, у деталей в литом состоянии.
Вообще температурный режим для отжига для снятия напряжений лежит в диапазоне 400—600 °C. При наличии соответствующих холодных деформаций этот температурный режим может быть перекрыт уже рекристаллизационным отжигом. В связи с отжигом для снятия напряжений рекристаллизация со всеми ее структурными изменениями может, однако, не проходить. Время отжига зависит от поперечного сечения детали. Оно может быть порядка 2 ч и более, причем происходит охлаждение с печью.
Между тем наряду с обработкой отжигом для устранения разницы напряжений применяется также вибрационная обработка. При этом заготовка с помощью виброагрегатов подвергается механическим колебаниям (вибрации), чтобы выровнять напряжения. Этот способ менее эффективен.
Рекристаллазационный отжиг

В противоположность отжигу для снятия напряжений рекристаллизационный отжиг связан с образованием совершенно новой структуры, которое протекает путем образования и роста зародыша. Наряду с минимальными температурой и длительностью отжига предпосылкой для рекристаллизации должна быть обязательно минимальная степень деформации, которую нельзя уменьшать. В зависимости от степени холодной деформации температуры рекристаллизации составляют от 500 до 700 °C. Время отжига сильно зависит от детали и оказывает значительное воздействие на конечную структуру и связанные с ней свойства (рис. 12.1.1).
Термообработка стали в равновесном состоянии

Нормализационный отжиг

Наряду с рекристаллизационным отжигом холоднокатаного или равномерно деформированного в холодном состоянии материала нормализация является самой важной термообработкой в равновесном состоянии, чтобы достигнуть равномерной мелкой структуры с хорошими и незначительно отличающимися свойствами материала. Подобно всем видам обработки с изменением твердости в результате фазового превращения нормализация требует прежде всего превращения решетки матрицы о.ц.к.-структуры в г.ц.к.-структуру, т.е. из ферритного в аустенитное состояние.
Это достигается в доэвтектоидных сталях путем превышения А3-линии, в заэвтектоидных сталях путем превышения А1-линии (рис. 12.1.2).
Термообработка стали в равновесном состоянии

Благодаря двойному превращению α-γ—α возникает совершенно новая структура зерна в зависимости от образования и роста зародыша. Свойства материала поэтому в значительной степени не зависят от всех предшествующих этапов обработки, хотя для условий образования и частично также роста зародышей могут существовать еще определенные связи с исходной структурой и имеющимися там текстурами. У многих деталей, в частности у стальных отливок, нормализация является предпосылкой к тому, чтобы благодаря устранению неблагоприятной, так называемой видманштетовой структуры ее ферритной части, получить требующиеся свойства и детали.
Согласно диаграмме (см. рис. 12.1.2) ферритная решетка (α) преобразуется в аустенитную (γ), причем при процессе охлаждения из доэвтектоидного аустенита выделяются a-твердые растворы, до тех пор, пока, наконец, остаточный аустенит (γ) не перейдет в перлит, т.е. распадется на цементит (Fe3C) + феррит (α). При этом распаде возникают благодаря условиям образования зародыша и его роста феррит и цементит в пластинчатом виде, который проявляется в виде полос и по внешнему виду соответствует структурным образованиям, наблюдаемым многократно в эвтектике.
При распаде аустенита с его сравнительно высокой растворимостью углерода на определенных местах зародыша выделяется цементит.
Вследствие связи углерода с цементитом аустенитные области, граничащие с растущими пластинами из цементита, объясняются до тех пор, пока, наконец, образование зародыша для a-твердого раствора не станет благоприятнее, чем условия роста для цементита (Fe3C). Благодаря этому на граничной плоскости в аустените с обедненным углеродом начинает расти ферритная пластина, причем из-за незначительной растворимости в ней углерода в аустените накапливается углерод до величины, которая, наконец, снова способствует образованию и росту цементита (рис. 12.1.3).
Термообработка стали в равновесном состоянии

Таким образом, в ходе распада аустенита появляются, чередуясь, пластины цементита и феррита в распадающемся аустените, причем последний превращается в перлит. Для случая эвтектоидного превращения, т.е. полного превращения аустенита в перлит, возникает изменение во временном ходе подобно рекристаллизации, при которой деформированная структура вытесняется новой (рис. 12.1.4).
Результатом описанного превращения в ходе нормализации является практически тонкопластинчатый перлит вместо аустенита, имевшийся при достижении перлитной линии. Тонкопластинчатость перлита увеличивается при возрастании скорости охлаждения. При эвтектоидном составе согласно диаграмме имеется чисто перлитная структура.
При заэвтектоидном составе уже перед достижением перлитной линии на границах аустенитных зерен образуется цементит. Это влияет на свойства материала весьма отрицательно и этого следует избегать или устранять с помощью соответствующей обработки отжигом. Для устранения или для формирования цементита на границах зерен заэвтектоидные стали при нормализованном отжиге нагреваются только примерно на 50 °C выше линии S—K. Части карбида, находящиеся в существующей аустенитной основной структуре, при этом не растворяются. Карбиды могут выделяться при охлаждении не на границах зерен аустенита, а имеющаяся сетчатая структура карбида формируется благодаря возрастающей коагуляции.
Разновидностью нормализации может считаться отжиг на крупное зерно. В частности, доэвтектоидные стали доводятся при этом до высокой температуры в зоне аустенита (900 и 1000°C) и медленно охлаждаются до A1 (линия перлита). Возникающее при этом крупное зерно облегчает обработку со снятием стружки.
Неполный отжиг

Благодаря обработке неполным отжигом пластины перлита превращаются в зерна, т.е. цементит принимает шаровидную форму (рис. 12.1.5). В эвтектоидных сталях, в частности с содержанием от 0,4 до 0,8 % С, отжиг проводится несколько часов в зависимости от поперечного сечения вплотную ниже A1, так как следует избегать растворения и нового образования цементита. Для заэвтектоидных сталей часто применяется циклический отжиг при температуре A1, так как при этом, в частности, значительно ускоряется формирование сетчатой структуры цементита (рис. 12.1.6).
Термообработка стали в равновесном состоянии

Диффузионный отжиг

Вследствие ликвации в кристаллах в зависимости от разной растворимости в твердом и жидком состоянии элементов, образующих твердый раствор, создаются различия в концентрации внутри кристаллитов или образующихся из расплава дендритов. В стали таким элементом, склонным к ликвации кристаллов, является фосфор. Опираясь на этот факт, в технических сталях следует различать первичную и вторичную структуру.
Благодаря диффузионному отжигу от 1000 до 1200 °C в γ-области можно уменьшить такие различия концентрации в структуре. Для нелегированных углеродистых сталей получается, однако, такое длительное время отжига, что применять этот способ экономически невыгодно. Вместо этого для таких сталей содержание фосфора стремятся выдержать на возможно низком уровне, чтобы по возможности обеспечить равномерные свойства материала. У легированных сталей и цветных металлов, напротив, диффузионный отжиг может использоваться в зависимости от коэффициента диффузии с большим или меньшим успехом для гомогенизации материала.