Строительные материалы и изделия

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали основана на зависимости струк­туры от скорости охлаждения аустенита. При термической обра­ботке изменяется только структура стали; химический состав ос­тается неизменным. Нагрев стали с переходом температуры через критическую точку 727 °С вызывает превращение перлита в аусте­нит. При медленном охлаждении аустенит переходит в перлит, а при резком — в мартенсит. При этом атомы железа, так же как и при медленном охлаждении, перестраиваются из решетки у-же - леза в решетку a-железа, но атомы углерода не успевают поки­нуть у-решетку и оказываются зажатыми в решетке a-железа, где в нормальных условиях углерода не может содержаться более 0,01 %.

Таким образом, получается сильно пересыщенный твердый ра­створ углерода в a-железе, называемый мартенситом.

Углерод искажает решетку a-железа, сообщая ей высокие внут­ренние напряжения, обусловливающие высокую твердость и хруп­кость стали. Эти напряжения вызывают стремление углерода к выходу из решетки a-железа путем диффузии, образованию це­ментита и тем самым распаду мартенсита на феррит и цементит. Этот процесс при нормальных температурах заторможен, но при нагревании он может пойти достаточно быстро с превращением мартенсита в перлит.

При невысоком нагреве мартенсита могут получаться проме­жуточные структуры, которые отличаются от перлита гораздо меньшим размером кристаллов феррита и цементита: троостит (коллоидный раствор цементита в феррите) и сорбит (тонко­дисперсная смесь феррита и цементита). Эти структуры имеют меньшую, чем у мартенсита, но достаточно высокую твердость и в то же время обладают значительной ударной вязкостью.

Закалка стали. Закалка стали проводится с целью повышения ее твердости. При закалке доэвтектоидную сталь нагревают до тем­пературы на 30... 50 °С выше линии GS(см. рис. 6.6), а заэвтектоид - ную — на 30... 50 °С выше линии SK. Заэвтектоидная сталь не тре­бует нагрева до полного превращения в аустенит, так как не име­ет смысла заменять цементит другой структурой, потому что ни­чего тверже цементита получить нельзя. После определенной вы­держки нагретые изделия резко охлаждают, погружая их в воду, масло, растворы или расплавы солей. Мартенсит получается при самой высокой скорости охлаждения (в воде), троостит — при меньшей скорости (в масле), сорбит — при еще более медленном, охлаждении (в расплавах солей).

В результате закалки значительно возрастают твердость, изно­состойкость, а также прочность стали, но резко снижаются ее пластичность и ударная вязкость.

Отпуск стали. Отпуск стали проводится с целью уменьшения хрупкости закаленной стали путем устранения внутренних напря­жений, возникающих при закалке. Закаленную сталь нагревают до температуры, не превышающей 727 °С, и выдерживают опреде­ленное время. Чем выше температура отпуска, тем полнее снима­ются напряжения. При отпуске стали происходит переход мартен­сита в более устойчивые структуры за счет диффузии углерода при повышении температуры. Фазовых превращений при этом не происходит. Различают следующие виды отпуска:

• низкий отпуск (150...200°С) — повышается прочность и не­значительно ударная вязкость, твердость почти не снижается. Структура после отпуска — мартенсит;

• средний отпуск (350...500°С) — повышается пластичность, немного снижается твердость. Структура после отпуска — троостит;

• высокий отпуск (500...680 °С) — возрастает ударная вязкость, снижается твердость. Структура после отпуска — сорбит.

Отжиг стали. Отжиг стали отличается от закалки очень медлен­ным охлаждением изделий вместе с печью или под слоем песка, золы, шлака.

Отжиг I рода проводят с целью устранения физической или химической неоднородности стали, независимо от того, протека­ют при этом фазовые превращения или нет. Различают:

• диффузионный отжиг (1 100... 1 200°С) — для выравнивания химического состава стали по объему за счет диффузии углерода в аустените;

• рекристаллизационный отжиг (680...730°С) — для выравни­вания неоднородностей кристаллического строения, образовав­шихся в результате деформаций стали в холодном состоянии (ус­транение наклепа);

• отжиг для снятия остаточных напряжений (160...700°С), которые возникают при сварке, механической обработке, ков­ке и т. д.

Отжиг Ирода проводят с целью повышения пластичности и сни­жения твердости стали (для лучшей обрабатываемости). Это достига­ется путем замены метастабильных структур (мартенсита, троости - та, сорбита) равновесными (ферритом, перлитом, цементитом).

При отжиге II рода сталь нагревают до тех же температур, что и при закалке, выдерживают до полного завершения фазовых пере­ходов (получения структуры аустенита) и медленно охлаждают, чтобы обеспечить распад аустенита и избежать образования сорби­та. Скорость охлаждения для углеродистых сталей обычно составля­ет 100... 150°С/ч, для легированных сталей — 40...60°С/ч.