Термообработка основного металла и сварного соединения

Процесс термической обработки заключается в нагреве изделия до определенной температуры и последующем охлаждении с целью вызвать изменение строения металла. Основные факторы воздействия при термической обработке - температура и время. При этом важную роль играют время нагрева и охлаждения, температура максимального нагрева и время выдержки при этой температуре. График процесса термической обработки представлен на рисунке слева. Для изменения свойств сплава необходимо, чтобы в сплаве в результате термической обработки произошли остающиеся изменения, обусловленные в первую очередь фазовыми превращениями.

Все виды термической обработки можно разделить на три основные группы:

Первая группа. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пластическая деформация создает наклеп - искажение кристаллической решетки. При затвердевании - не успевают протекать диффузионные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказывается неоднородным. Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его в более устойчивое состояние, называется отжигом. Если при этом не протекают фазовые превращения, то это отжиг первого рода, а, если протекают - второго рода или фазовая перекристаллизация.

Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой.

Третья группа. Состояние закаленного сплава характеризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий подвижность атомов, способствует этим превращениям. Такая обработка, т.е. нагрев закаленного сплава ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском. Как и при отжиге первого рода, так и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не было фазовых превращений, а для отпуска - предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск - вторичная операция, осуществляемая всегда после закалки.

В соответствии с этим основные виды термической обработки железо-углеродистых сплавов могут быть охарактеризованы таким образом. Поскольку мы рассматриваем термическую обработку стали, то нам интересны только сплавы с концентрацией до 2% С и соответственно область на диаграмме железо - углерод с концентрацией углерода до 2% (точнее до 2,14% С). Приведем общепринятые обозначения критических точек. Критические точки обозначаются буквой А. Нижняя критическая точка, обозначаемая А1 лежит на линии PSK. диаграммы железо-углерод и соответствует превращению аустенита в перлит. Верхняя критическая точка А3 лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита (вторичного) в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву "с", в первом случае и "r" - во втором. Следовательно, критическая точка превращения аустенита в перлит обозначается Ar1 а перлита в аустенит Ас3.

Ниже дана характеристика основных видов термической обработки стали в соответствии с приведенной классификацией.

Отжиг - фазовая перекристаллизация, заключающаяся в нагреве выше Ас3 с последующим медленным охлаждением. При нагреве выше Aс1, но ниже Ас3 полная перекристаллизация не произойдет; такая термическая обработка называется неполным отжигом. Если после нагрева выше Ас3 провести охлаждение на воздухе, то это будет первым шагом к отклонению от практически равновесного структурного состояния. Такая термическая операция называется нормализацией.

Закалка - нагрев выше критической точки Ас3 с последующим быстрым охлаждением. При быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе). Неполная закалка - термическая операция, при которой нагрев проводят до температуры, лежащей выше Ас1, но ниже Ас3, и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цементит).

Отпуск - нагрев закаленной стали ниже Aс1 и охлаждение.

Рассмотрим процессы протекающие при разных видах термической обработки. При отжиге, нагрев выше Ас3 вызывает превращение перлита в аустенит. На границах перлитных зерен образуется большое количество мелких аустенитных зерен, которые при медленном охлаждении превращаются в мелкие перлитные зерна. То есть, в результате термической обработки -отжига, получаем существенное измельчение структуры и снижение внутренних напряжений, которые релаксируются под воздействием высокой температуры. Разновидностью отжига является гомогенизация. Этот процесс применяют для литых изделий, которые в результате процесса кристаллизации имеют существенные ликвационные зоны. Он заключается в нагреве до 1000-1100°С, длительной выдержке для протекания диффузионных процессов и охлаждении. Для измельчения структуры после гомогенизации, как правило, делают обычный отжиг. Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называют сфероидацией и позволяет получить зернистый перлит, имеющий более высокие механические свойства, чем пластинчатый.

При закалке большая скорость охлаждения способствует образованию мартенситной структуры. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 - 50°С выше Ас3, а заэвтектоидные - на 30-50°С выше Ас1, что обеспечивает после быстрого охлаждения для доэвтектоидных сталей структуру мартенсита, а для заэвтектоидных - мартенсита и цементита. Общее время нагрева складывается из времени нагрева до заданной температуры (τн) и времени выдержки при этой температуре (τв), следовательно:

τобщ = τн + τв

Величина τн зависит от нагревающей способности среды, от размеров и формы деталей, от их укладки в печи; τв зависит от скорости фазовых превращений, которая определяется степенью перегрева выше критической точки и дисперсностью исходной структуры. Практически величина τв может быть принята равной 1 мин для углеродистых и 2 мин для легированных сталей. Точно установить время нагрева можно лишь опытным путем для данной детали в данных конкретных условиях.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°С в течение 15 - 30 мин. Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на остаточные напряжения. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Ускоренное охлаждение после отпуска при 550 - 650°С повышает предел выносливости за счет образования в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия. Однако изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500 -650°С во всех случаях следует охлаждать быстро. Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска:

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при нагреве до 250°С. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование.

Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350 - 500°С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали после среднего отпуска - троостит отпуска или троостомартенсит; твердость стали 40 - 50 HRC.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500 - 680°С. Структура стали после высокого отпуска - сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Термическую обработку состоящую из закалки и высокого отпуска называют улучшением.

Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3 - 0,5% С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости. Улучшение значительно повышает конструктивную, прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу развития трещин и снижая температуру порога хладноломкости Отпуск при 550 - 600°С в течение 1 - 2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке.