Превращение аустенита при отжиге и нормализации

Назначение отжига – измельчение зерна и устранение внутренних напряжений. После отжига сталь обладает низкой твердостью, умеренной прочностью и высокими пластическими свойствами.

При отжиге скорость охлаждения V₁ ≈ 0,03 ºС/с, т. е. менее V_КР, аустенит превращается в феррит и цементит: Fe_γ(C)→ Fe_α(C) + Fe₃C.

Полный отжиг состоит в нагреве выше линии GSE на 30‒50°С. В результате нагрева и выдержки при этой температуре получается структура из мелких зерен аустенита (т. е. произошла перекристаллизация).

Если сталь нагреть до температуры ниже линии GSE, то в доэвтектоидной стали, кроме мелких зерен аустенита, будут находиться крупные зерна феррита, а в заэвтектоидной стали сохранится сетка цементита.

При нагреве до температур соответствующих линии GSE, превращение будет завершаться медленно, в результате возрастут окисление и обезуглероживание.

Нагрев до температур более высоких, чем 30‒50°С выше А_с3 и А_сm, нецелесообразен так как приводит:

1. к перерасходу топлива или электрической энергии на нагрев;

2. к интенсивному росту зерна и образованию структуры Видманштетта, которая характеризуется пониженной вязкостью.

Такой дефект называется перегревом. Он может быть исправлен повторным отжигом.

Нагрев до температур, близких к линии солидус приводит к оплавлению и окислению границ. Это пережог стали – неисправимый дефект.

Полный отжиг обеспечивает устранение остаточных напряжений.

При отжиге после нагрева и выдержки сталь охлаждают вместе с печью или постепенно снижают температуру печи. При таком медленном охлаждении из аустенита образуются равномерные структуры. В доэвтектоидной стали это структура – Ф+П, в эвтектоидной – П, в заэвтектоидной – П+Ц.

Заэвтектоидные стали с целью измельчения структуры и разупрочнения подвергаются неполному отжигу. Нагрев происходит до температур немного превышающих A_c1. При нагревании до такой температуры происходит превращение в аустенит только перлита, а цементит остается. При последующем медленном охлаждегнии из аустенита образуется феррито-цементитная структура с зернистой формой цементитных частиц – зернистый перлит. В связи с этим этот вид термической обработки называется отжигом на зернистый перлит или сфероидизирующим отжигом.

На величину частиц цементита влияет скорость охлаждения. С ее уменьшением размер зерен цементита возрастает, поэтому заэвтектоидные стали медленно охлаждают (вместе с печью) до температур 700-650 ºС, а затем ускоренно на воздухе.

Заэвтектоидные стали со структурой зернистого перлита обладают, по сравнению со сталями с пластинчатым перлитом, меньшей твердостью, большей пластичностью и лучшей обрабатываемостью резанием. Характеристики прочности и пластичности структур пластинчатого и зернистого перлита приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Нормализация заключается в нагреве до тех же температур, что и при полном отжиге, но с охлаждением в спокойном воздухе. Цель нормализации: получение мелкозернистой структуры и устранение внутренних напряжений.

В результате нормализации скорость охлаждения углеродистых сталей также меньше критической(V₂ ≈ 30 °С/с). Превращение диффузионное. Структура и свойства металла после нормализации зависят от размера детали. Крупные детали остывают медленно, в них распад аустенита завершается образованием перлита. Мелкие детали остывают быстро. В них аустенит превращается в сорбит – дисперсная (т. е. мелкая) ферритоцементитная смесь пластинчатой формы. За счёт увеличения дисперсности фаз твёрдость стали несколько возрастает. Кроме того, частично подавляется выделение избыточной фазы (феррита или вторичного цементита). Таким образом, прочность стали после нормализации должна быть больше, чем после отжига. Например, твердость сталей, содержащих 0,2; 0,4 и 0,8% С, после отжига равна соответственно 1200, 1600 и 1800НВ, а после нормализации 1300, 1900 и 2400НВ.

Нормализацию применяют чаще всего как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием, для устранения пороков строения и общего улучшения структуры перед закалкой. Таким образом, назначение нормализации как промежуточной обработки аналогично назначению отжига.

Так как нормализация выгоднее отжига, то ее всегда следует предпочесть отжигу, если оба эти вида обработки дают одинаковые результаты. Но нормализация не всегда может заменить отжиг как операцию смягчения стали.

В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше точки А_сm вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе он не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. Так, если после горячей прокатки в инструментальных сталях У11‒У13 имеется грубая цементитная сетка, то перед неполным (сфероидизирующим) отжигом ее устраняют нормализацией с нагревом до 850 °С и последующим ускоренным охлаждением.