Понятие о термической обработке стали. Цели применения

В обывательском представлении термическая обработка стали заключается в ее упрочнении после проведения определенных манипуляций. В научном понимании это понятие приобретает более широкий смысл.

Сущность термообработки стали заключается в ее нагреве для получения структурных изменений при условии сохранения изначального химического состава. Любая термообработка производится в несколько этапов, идущих последовательно друг за другом по следующей схеме: нагрев, выдержка и охлаждение.

Каждый этап представляет собой ни что иное, как изменение температуры во времени, а все этапы в совокупности образуют полный цикл термообработки.

Конечной целью термообработки сплавов является придание материалам определенных свойств:

• механические (твердость, временное сопротивление разрыву, относительное удлинение и т.д.);
• физические (электропроводность, магнетизм и т.д.);
• физико-химические (коррозионная стойкость).

Для предметного понимания целей приведем несколько примеров, которые показывают, какие задачи могут быть решены с помощью термообработки металла.

Часто требуется сообщить деталям определенные прочностные свойства. С этой целью можно упрочнить, например, инструментальную сталь до высоких показателей твердости (порядка 60 HRC выше). Однако нередко сталкиваются и с диаметрально противоположной задачей, когда применяется отжиг для разупрочнения (снижения твердости), например, черной стали для токарной или фрезерной обработки.

В процессе мех.обработки или температурного воздействия (закалка, сварка, ковка) структура стали переходит в напряженное состояние, что связано с образованием механического наклепа, неравномерностью нагрева\охлаждения и т.д. Для устранения внутренних напряжений, возникших в результате проведения некоторых технологических операций, применяют низкий отпуск.

Специалистам также известно, что температурная обработка некоторых марок нержавеющих сталей увеличивает их коррозионную стойкость в агрессивных средах.

Существуют и специфические задачи, которые успешно решаются термообработкой. Для придания пластинам, из которых шихтуется ротор электродвигателя, необходимых магнитных свойств (магнитная индукция, коэрцитивная сила и т.д.), их нагревают и выдерживают по гостированному ступенчатому режиму в вакуумной среде. Таким же образом обрабатывают все изделия из электротехнических сталей.

Термообработка поверхности и приповерхностных слоев сталей производится в сорбитизационных машинах. Таким образом обрабатываются детали (например, колеса железнодорожных вагонов). Колеса калят только на определенную глубину, что позволяет получить твердый поверхностный слой при менее твердой, вязкой сердцевине, которая амортизирует знакопеременные нагрузки, удары, предотвращая разрушение.

Природа термообработки. Какие явления происходят в стали при нагреве

Для объяснения природы явлений, протекающих в металле при нагреве, и механизма их упрочнения, применяется понятие полиморфизма.

Теория гласит, что сталь – это сплав железа с углеродом. Содержание углерода в стали должно составлять не более 2,14%. На макроскопическом уровне сталь состоит из зерен, форма и размеры которых определяют структуру. На микроскопическом – из кристаллов и атомов, от взаимного расположения которых зависят физические и механические свойства. Аморфным телам не присуще какое-нибудь упорядоченное расположение атомов внутри кристалла. В твердых телах (сталь) атомы сориентированы правильно. Если соединить умозрительными линиями атомы, образующие одну «единичную систему», получится куб правильной формы. Упрочнение (или разупрочнение) металла происходит за счет изменения расположения атомов в кубе при нагреве. Данное явление в науке получило название «полиморфизм» (от «поли»- много и «морфизм»-превращение).

На диаграмме «железо-углерод» представлены основные структуры стали, образующиеся в зависимости от температуры нагрева и процентного содержания углерода. Также на ней нанесены критические точки температур, при достижении которых свойства меняются скачкообразно. При температурах до 910 оС атомы образуют кубическую объёмно-центрированную решетку (атомы расположены на пересечении ребер и один атом расположен на пересечении диагоналей куба). Это состояние металла носит название «альфа-железо» и ему соответствует решетка из 10 атомов.

Но как только температура в печи достигает температуры свыше 910 оС, атомы перестраиваются в пространстве и создают гранецентрированную кубическую решетку (атомы также располагаются на пересечении ребер и по одному атому расположено на пересечении диагоналей каждой из граней). Таким образом происходит не только геометрическое изменение, но и уплотнение решетки, в построении которой теперь участвуют 14 атомов. Такой решетке соответствует состояние металла, которое носит название «гамма-железо».

Упрочнение стали происходит в момент превращения решетки из объемно-центрированной в гранецентрированную.

Существует и третье состояние, при котором ориентация атомов такое же, как и у альфа-железа, но расстояние между атомами здесь значительно увеличено («растянутая» кристаллическая решетка). Она образуется при температуре 1390 оС и существует вплоть до полного плавления металла.

Как подобрать режимы термообработки

Термическая обработка черных металлов основана на диаграмме «железо-углерод». В соответствии с графиками этой диаграммы, подкрепленными эмпирическими данными, выведены режимы закалки, приведенные в различных справочниках сталей. В достоверности этих режимов можно легко убедиться, если самостоятельно найти критические точки для углеродистой стали, в зависимости от процентного содержания углерода. Для снятия внутренних напряжений в обязательном порядке применяется отпуск, температура которого выбирается в зависимости от твердости, которую необходимо получить. Легирующие элементы влияют на критические точки стали и превращения, поэтому термообработка легированной стали основывается на диаграммах состояния «железо-легирующий элемент».