Физические основы термоупрочнения металла.

Термическое упрочнение проката проводят посредством интенсивного охлаждения прокатных изделий, нагретых до температуры выше верхней критической точки, т. е. до температуры закалки.

Если изделия охлаждают с прокатного нагрева непосредственно после деформации металла в прокатном стане, то осуществляется процесс ВТМО. При этом упрочнение, возникающее в результате пластической деформации аустенита в прокатных валках, суммируется с упрочнением, обусловленным быстрым охлаждением стали. При ВТМО, как правило, одновременно повышаются прочность, пластичность, а также ударная вязкость стали.

Если же прокат охлаждают после отдельного (повторного) нагрева, то осуществляется обычная упрочняющая термическая обработка. Эффектов дополнительного упрочнения и увеличения пластичности, имеющихся при ВТМО, в этом случае не наблюдается.

Для ускорения процесса охлаждения и уменьшения площади холодильников, занимающих в современных прокатных цехах много места прокат охлаждают водой.

В этом случае регламентированное (регулируемое) охлаждение проката позволяет легко осуществить его термическое упрочнение.

В результате интенсивного охлаждения проката прочностные свойства стали повышаются в среднем в полтора—два раза. Предел текучести увеличивается более значительно, иногда в два—три раза, предел прочности (возрастает в среднем в полтора раза. Пластические свойства, в частности, относительное сужение и ударная вязкость в упрочненной стали, как правило, выше, чем в неупрочненной. Особенно ценно наблюдающееся при упрочнении повышение ударной вязкости при низких температурах, т. е. снижение хладноломкости стали. Относительное удлинение в результате упрочнения несколько уменьшается, но остается на сравнительно высоком уровне и полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к конструкционной стали. Склонность стали к старению снижается.

Сущность метода термоупрочнения проката состоит в том, что по окончании прокатки сталь из аустенитного состояния охлаждается ускоренно, в результате чего образуются более низкотемпературные продукты распада аустенита, чем в обычной горячекатаной стали.

В горячекатаной стали аустенит как в центре проката, так и на его поверхности распадается в верхней части перлитной области, в результате чего образуется феррито-перлитная структура. При термоупрочнении температура превращения аустенита зна­чительно понижается, в резуль­тате чего в центральных зонах проката частично предотвращается выделение избыточного феррита и получается пер­лит более дисперсного строения — псевдоэвтектоид (иногда частично бейнит). В поверхностных слоях проката неболь­шого сечения возможно обра­зование мартенсита, однако из-за высокой температуры начала мартенситного превращения в стали с низким содержанием углерода (Mh=400—450° при 0,2 % С) будет протекать самоотпуск мартенсита.

Кроме того, технология термоупрочнения проката в большинстве случаев предусматривает ускоренное охлаждение только в течение определенного времени (прерванное охлаждение), по окончании которого температура поверхностных слоев проката повышается за счет тепла внутренних слоев. Поэтому через некоторое время после того, как охлаждение прервано, температуры центра и поверхности выравниваются и происходит самоотпуск стали. При такой технологии термоупрочнения дополнительный отпуск стали не требуется, а проведенная термическая обработка проката является окончательной. Необходимо отметить, что при термоупрочнении закалки стали фактически не происходит (кроме некоторых случаев закалки тонких поверхностных слоев). Обусловлено это тем, что низкоуглеродистая нелегированная сталь имеет низкую устойчивость переохлажденного аустенита и, следовательно, весьма большую верхнюю критическую скорость охлаждения при закалке (500—1000 С/с), а также, как отмечалось, высокую температуру начала мартенситного превращения. Поэтому при охлаждении реальных профилей проката обеспечить закалку на мартенсит практически невозможно.

При термоупрочнении непосредственно по окончании деформации возможно дополнительное упрочнение за счет эффекта термомеханической обработки. Возможность реализации такого эффекта вероятна лишь для низколегированных сталей.

Процесс термоупрочнения при оптимальной технологии наряду с упрочнением обеспечивает понижение порога хладноломкости и снижение склонности к деформационному старению. На рис. 1 показана зависимость порога хладноломкости (по началу появления хрупкого излома) арматурной углеродистой стали в зависимости от степени упрочнения. Наблюдается снижение порога хладноломко­сти до степени упрочнения 1,8. Лишь при степени упрочне­ния более 2,2 хладостойкость термоупрочненной стали становится выше, чем горячекатаной. Значение степени уп­рочнения, при котором порог хладноломкости повышается, будет различным для разных профилей проката и марок стали. Но даже и в толстостенных профилях проката уп­рочнение не сопровождается увеличением критической температуры хрупкости выше, чем для горячекатаной стали.

Рис 1. зависимость порога хладноломкости арматурной углеродистой стали в зависимости от степени упрочнения.

Таким образом, термоупрочнение углеродистых строи­тельных сталей позволяет повысить прочностные характе­ристики стали в 1,3—1,5 и более раз, снизить порог хладноломко­сти (для большинства видов про­ката) или сохранить его на преж­нем уровне, при этом характери­стики пластичности стали оста­ются соответствующими нормам стандартов.