Конспект лекций и ответы на экзаменационные вопросы по предмету Термическая Обработка - Металлургия - Скачать бесплатно
Теория термообработки.
Термообработкой называется тепловое воздействие на металл с целью
направленного изменения его структуры и свойств.
Классификация видов термообработки:
Отжиг.
Отжигом называют термообработку, направленную на получение в металлах
равновесной структуры. Любой отжиг включает в себя нагрев до определенной
температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное
охлаждение. Цель отжига – уменьшить внутренние напряжения в металле,
уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность. Отжиг делят на
отжиг 1 рода и 2 рода.
Отжиг 1 рода – это такой вид отжига, при котором не происходит структурных
изменений, связанных с фазовыми превращениями.
Отжиг 1 рода в свою очередь разделяют на 4 группы:
1. Гомогенизация – отжиг, направленный на уменьшение химической
неоднородности металлов, образующейся в результате рекристаллизации. В
отличие от чистых металлов, все сплавы после кристаллизации характеризуются
неравновесной структурой, т.е. их химический состав является переменным как
в пределах одного зерна, так и в пределах всего слитка.
Химическая неоднородность обусловлена различной температурой плавления
исходных компонентов. Чем меньше это различие, тем более заметна химическая
неоднородность, получающаяся в слитке. Избавится от нее невозможно, можно
только уменьшить. Для этого применяют высокотемпературный отжиг с
длительными выдержками (от 2 до 48 часов). При высокой температуре
подвижность атомов в кристаллической решетке высокая и с течением времени
за счет процессов диффузии происходит постепенное выравнивание химического
состава. Однако усреднение химического состава происходит в пределах одного
зерна, т.е. устраняется в основном дендритная ликвация. Чтобы устранить
зональную ликвацию (химическую неоднородность в пределах части слитка),
необходимо выдерживать слитки при данной температуре в течение нескольких
лет. А это практически невозможно.
В процессе отжига на гомогенизацию происходит постепенное растворение
неравновесных интерметаллидных фаз, которые могут образоваться в результате
кристаллизации с большой скоростью. При последующем медленном охлаждении
после отжига такие неравновесные фазы больше не выделяются. Поэтому после
гомогенизации металл обладает повышенной пластичностью и легко поддается
пластической деформации.
2. Рекристаллизационный отжиг. Холодная пластическая деформация вызывает
изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает
увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, таких как вакансии,
дислокации. Образование ячеистой структуры происходит с изменением формы
зерен, они сплющиваются, вытягиваются в направлении главной деформации. Все
эти процессы ведут к тому, что прочность металла постепенно увеличивается,
пластичность падает, т.е. возникает наклеп или нагартовка. Дальнейшая
деформация такого металла невозможна, т.к. происходит его разрушение. Для
снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т.е. нагрев
металла до температур выше начала кристаллизации, выдержку с последующим
медленным охлаждением. Температура нагрева зависит от состава сплава. Для
чистых металлов температура начала рекристаллизации tp=0,4Тпл, єК, для
обычных сплавов порядка 0,6Тпл, для сложных термопрочных сплавов 0,8Тпл.
Продолжительность такого отжига зависит от размеров детали и в среднем
составляет от 0,5 до 2 часов. В процессе рекристаллизационного отжига
происходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих
зародышей. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество
дефектов в кристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и
металл возвращается в исходное состояние.
Степень деформации определяет размер зерна после отжига. Если она близка к
критической ((кр=5-15%), то в результате после отжига в металле возникают
крупные зерна, что обычно нежелательно. Поэтому перед рекристаллизационным
отжигом деформацию металлов производят со степенью 30-60%. В результате
получается мелкозернистая однофазная структура, обеспечивающая хорошее
сочетание прочности и пластичности. Увеличение степени деформации до 80-90%
вызывает появление в металле текстуры деформации. После
рекристаллизационного отжига текстура деформации меняется на текстуру
рекристаллизации. Как правило, это сопровождается резким направленным
ростом зерна. Увеличение размеров зерна, т.е. снижение механических
свойств, может вызвать также слишком большая температура отжига или большая
выдержка. Поэтому при назначении режимов отжига необходимо использовать
диаграмму рекристаллизации.
Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная,
промежуточная, так и как окончательная термообработка. Как предварительная
термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное
состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как
промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между
операциями холодной деформации, если суммарная степень деформации слишком
велика и запасов пластичности металла не хватает. Как окончательный вид
отжига его применяют в том случае, если потребитель требует поставки
полуфабрикатов в максимально пластичном состоянии. В некоторых случаях
потребителю требуется полуфабрикат, сочетающий определенный уровень
прочности с необходимым запасом пластичности. В этом случае вместо
рекристаллизационного отжига используют его разновидность – отжиг на
полигонизацию. Отжиг на полигонизацию проводят при температуре, которая
ниже температуры начала рекристаллизации. Соответственно при такой
температуре происходит лишь частичное устранение наклепа за счет процессов
возврата второго рода, т.е. происходит уменьшение плотности дефектов
кристаллической решетки, образование ячеистой дислокационной структуры без
изменения формы зерен. Степень уменьшения наклепа зависит, прежде всего, от
температуры. Чем ближе температура к порогу рекристаллизации, тем меньше
наклеп, тем больше пластичность и наоборот.
3. Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения в металле
могут возникать в результате различных видов обработки. Это могут быть
термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева,
различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей
деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными,
т.е. появившиеся в результате структурных превращений, происходящих внутри
детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в
металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т.е.
возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и
приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений производится с
помощью специальных видов отжига. Этот отжиг проводится при температурах
ниже температуры рекристаллизации: tотж=0,2-0,3Тпл є К. Повышенная
температура облегчает скольжение дислокаций и, под действием внутренних
напряжений, происходит их перераспределение, т.е. из мест с повышенным
уровнем внутренних напряжений дислокации перемещаются в области с
пониженным уровнем. Происходит как бы разрядка внутренних напряжений. При
нормальной температуре этот процесс будет длиться в течение нескольких лет.
Увеличение температуры резко увеличивает скорость разрядки, и
продолжительность такого отжига составляет несколько часов.
4. Патентирование. Смотреть термообработку стали.
Отжиг второго рода – термообработка, направленная на получение равновесной
структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения.
При отжиге второго рода нагрев и последующее охлаждение может вызвать как
частичную, так и полную замену исходной структуры. Полная замена (((((() в
результате двойной перекристаллизации позволяет кардинально изменить
строение сплава, уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние
напряжения, т.е. полностью изменить структуру и свойства детали. Отжиг
второго рода может быть полным и неполным.
Полный отжиг сопровождается полной перекристаллизацией. При неполном отжиге
структурные превращения происходят не полностью, с частичным сохранением
исходной фазы. Неполный отжиг применяется в тех случаях, когда можно
изменить строение второй фазы, исчезающей и вновь появляющейся при этом
виде отжига.
Закалка – это термообработка, направленная на получение в сплаве
максимально неравновесной структуры и соответственно аномального уровня
свойств. Любая закалка включает в себя нагрев до заданной температуры,
выдержку и последующее быстрое резкое охлаждение. В зависимости от вида
фазовых превращений, происходящих в сплаве при закалке, различают закалку с
полиморфным превращением и закалку без полиморфного превращения.
Закалка с полиморфным превращением. Этот вид закалки применяется для
сплавов, в которых один из компонентов имеет полиморфные превращения.
При закалке с полиморфным превращением нагрев металла производится до
температуры, при которой происходит смена типа кристаллической решетки в
основном компоненте. Образование высокотемпературной полиморфной структуры
сопровождается увеличением растворимости легирующих элементов. Последующее
резкое охлаждение ведет к обратному изменению типа кристаллической решетки,
однако из-за быстрого охлаждения в твердом растворе остается избыточное
содержание атомов других компонентов, поэтому после такого охлаждения
образуется неравновесная структура. В металле сохраняются внутренние
напряжения. Они вызывают резкое изменение свойств, увеличивается прочность,
уменьшается пластичность. При быстром охлаждении перестройка
кристаллической решетки происходит за счет одновременного смещения целы
групп атомов. В результате вместо обычных зерен в металле появляется
игольчатая структура, которая называется мартенситом. Неравновесное
состояние металла после такого типа закалки является термодинамически
неустойчивым. Поэтому, чтобы перевести металл в более устойчивое состояние,
получить необходимый уровень внутренних напряжений, а соответственно и
необходимые механические свойства, применяют дополнительную термообработку,
которую называют отжиг.
Закалка без полиморфного превращения.
Применяется для сплавов, не испытывающих полиморфных превращений, но
имеющих ограниченную растворимость одного компонента в другом.
Если сплав, содержащий вторичные фазы, нагреть до температуры выше линии
солидус, то увеличение растворимости приведет к растворению вторичных фаз.
Если теперь такой твердый раствор быстро охладить, то выделение вторичных
фаз образоваться не успеет, т.к. для этого требуется время на прохождение
процесса диффузии, образование другой кристаллической решетки, границ
раздела между фазами. В результате, при нормальной температуре пересыщенный
метастабильный твердый раствор содержит избыток второго компонента. Такое
изменение структуры изменяет свойства сплава, прочность может, как
увеличиться, так и уменьшиться, а пластичность, как правило, увеличивается.
Состояние металла после такой закалки является термодинамически
неустойчивым. Самопроизвольно или под влиянием предварительного нагрева
метастабильный твердый раствор начинает распадаться с выделением вторичной
фазы, т.е. ?м(?+?ІІ. Этот процесс называется старением. Таким образом,
старение – это термообработка, которая проводится после закалки без
полиморфного превращения, направленная на получение в сплаве более
равновесной структуры и заданного уровня свойств.
Отпуск.
Отпуск – термообработка, направленная на уменьшение внутренних напряжений в
сплавах после закалки с полиморфным превращением. Образование вторичных фаз
после закалки с полиморфным превращением всегда сопровождается резким
увеличением внутренних. Соответственно максимально увеличиваются прочность
и твердость, до минимума падает пластичность. Чтобы получить необходимое
соотношение прочности и пластичности, такой сплав после закалки подвергают
дополнительной термообработке: отпуску. Нагрев вызывает уменьшение
концентрации легирующих элементов в твердом растворе и выделение вторичных
фаз.
После закалки без полиморфного превращения сплав имеет структуру
пересыщенного твердого раствора. Такое состояние сплава – нестабильное и с
течением времени начинает меняться. Пересыщенный твердый раствор
распадается с выделением из него мелких включений вторичной фазы. Этот
процесс проходит в несколько стадий:
На первой стадии в кристаллической решетке твердого раствора появляются
зоны, обогащенные атомами второго компонента. С течением времени эти зоны
увеличиваются.
На второй стадии концентрация атомов второго компонента достигает величины,
соответствующей по концентрации выделения вторичной фазы.
Наступает третья стадия, т.е. формирование в этих зонах промежуточной
кристаллической решетки, которая отличается то решетки твердого раствора и
от решетки вторичной фазы.
На четвертой стадии увеличение концентрации второго компонента приводит к
образованию окончательной кристаллической решетки вторичной фазы и
образованию границы раздела между твердым раствором и вторичной фазой. Так
как процесс распада твердого раствора основан, прежде всего, на
диффузионных процессах, то он в значительной степени зависти от
температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс распада. Если
температура нормальная, то процесс распада называется естественным
старением, а если температура повышенная, то - искусственным старением. В
результате, после старения структура сплава представляет собой зерна
твердого раствора равновесного химического состава, с равномерно
распределенным по объему, огромным количеством мелких выделений вторичной
фазы. Эти выделения, располагаясь на плоскостях скольжения, препятствуют
перемещению дислокаций, требуют увеличение скалывающего напряжения.
Соответственно, прочность и твердость сплава увеличиваются.
Химико-термическая обработка (ХТО).
Это одновременное воздействие на металл химической среды, тепла с целью
направленного изменения состава и свойств поверхности детали. Различные
виды ХТО направлены либо на повышение коррозионной стойкости, либо
прочности и твердости, износостойких, антифрикционных свойств. Изменяя
состав химической среды, можно в одних и тех же деталях получать различные
свойства.
Термомеханическая обработка.
Это сочетание пластической деформации, упрочняющей термообработки, причем
образующийся в результате деформации наклеп сохраняется и влияет на фазовые
превращения, происходящие при термообработке.
Такое комплексное воздействие на металл позволяет получить уровень свойств
в металле более высокий, чем можно получить после деформации или после
термообработки в отдельности.
Термообработка сталей.
Критические точки в диаграмме FE-C.
Это температурные точки фазовых превращений. Их обычно принято обозначать
буквами Ас и Аr.
Ас – точка соответствует нагреву, температура увеличивается.
Аr – точка соответствует охлаждению, температура уменьшается.
1) Точка АС1 – первая критическая точка (линия PSK). Температура
равновесная, равная 727 (С. На этой линии идет реакция перехода П (А.
2) Точка АС2 =768 (С. Переход железа из магнитного в парамагнитное
состояние.
3) Точка АС3 (линия GS), в зависимости от химического состава,
температура меняется от 911 до 727 (С. Превращение: Ф (А.
4) Точка АС4 (линия NY), температура 1400 (С и выше. Превращение: А (S
–феррит. Выше этой точки стараются не нагревать.
5) Точка Асm (линия SE) А+Ц(( (А
Нагрев и охлаждение.
Процесс термообработки стали, в любом случае, включает в себя нагрев и
охлаждение, при этом происходят структурные и фазовые превращения. Эти
превращения принято разделять на четыре основных вида:
1. П ( А при повышении температуры;
2. А ( П при уменьшении температуры;
3. А ( М при закалке (температура значительно уменьшается, быстрое
охлаждение);
4. М ( П при отпуске (температура увеличивается).
По прохождении этих процессов при редких вариантах термообработки зависит
окончательная структура сталей а, следовательно, свойства деталей.
Первое основное превращение в стали:
П ( А (температура
увеличивается)
Первое основное превращение происходит, практически, при всех видах отжига
и закалки в процессе нагрева стали. Превращение перлита в аустенит
начинается при нагреве стали выше первой критической точки АС1. При этом
зерна (Ф+Ц) в перлитном зерне взаимодействуют между собой и образуется
зародыш зерна аустенита: Ф+Ц(А
Так как поверхности раздела между ферритом и цементитом в зерне перлита
очень много, то в начальный момент времени возникает огромное количество
зародышей аустенита. Начальное зерно аустенита всегда очень мелкое.
Увеличение температуры нагрева вызывает постепенный рост зерна аустенита.
Чем выше температура, тем крупнее зерно.
Одновременно с ростом зерна аустенита происходит растворение крупных
включений цементита и выравнивание содержания углерода по сечению деталей.
Рост зерна аустенита в различных сталях идет по-разному. Если увеличение
температуры вызывает медленный рост зерна, чем больше температура, тем
больше зерно, то такую сталь называют наследственно крупнозернистой. Если
же увеличение температуры вызывает рост зерна только при нагреве до
температуры 950-1000 (С, то такую сталь называют наследственно
мелкозернистой.
Крупнозернистая сталь – это кипящая, т.е. раскаленная Mg и C.
В структуре этой стали нет никаких включений, сдерживающих границы зерен.
Поэтому зерно в такой стали увеличивается пропорционально росту
температуры.
Наследственно мелкозернистая сталь – это спокойная сталь, она раскалена Al.
FeO + Al ( Fe + Al2O3
Мелкое включение окиси Al сдерживает границы зерен от перемещения при
нагреве до температур до 950 (С, но дальнейший рост температуры вызывает
резкий рост зерна и его размер может даже превысить размер зерна в
крупнозернистой стали. Для того чтобы определить, к какому типу относится
данная сталь, проводят испытания на стандартную пробу, т.е. нагревают сталь
до температуры 930 (С и держат 8 часов. Если зерно увеличилось, то сталь
крупнозернистая, если не увеличилось, то сталь мелкозернистая.
Размер зерна аустенита является очень важной характеристикой. Чем крупнее
зерно аустенита, тем соответственно будет крупнее зерно перлита или
мартенсита, образующиеся после отжига или закалки. Крупное же зерно всегда
нежелательно, т.к. снижает ударную вязкость стали.
Второе основное превращение:
А ( П (температура уменьшается)
Это превращение происходит при медленном охлаждении стали, т.е. в процессе
отжига. Начинается оно образованием первых зародышей цементита на границе
зерна аустенита при понижении температуры ниже точки А1.
Если зерно А было крупным, соответственно крупным будет и зерно П.
Если охлаждение идет медленно, то диффузия углерода успевает пройти на
большее расстояние, соответственно образуется зерно перлита и цементита
большой толщины.
Если охлаждение идет быстро, то диффузия пройти не успевает, образуются
тонкие пластины Ф и Ц, структура перлита будет мелкодисперсной, от которой
зависти твердость стали. Чем крупнее перлитные пластины, тем меньше
твердость и наоборот. Поэтому, при медленном охлаждении твердость стали
всегда получится меньше.
Изотермическая диаграмма распада.
Четвертое превращение М ( П.
Структура закаленной стали, то есть М является т/д неустойчивой. Это
объясняется, во-первых чрезмерным количеством с в твердом растворе. Во-
вторых, большим количеством внутренних дефектов кристаллического строения,
в-третьих наличием остаточного аустенита. Однако, самопроизвольно при
нормальной температуре сталь не может перейти в более устойчивое состояние,
так как для перестройки структуры требуется дополнительная энергия. Распад
неустойчивой структуры возможен лишь при повышении температуры. Такая
перестройка начинается начиная с небольшого нагревания до 1000 и
заканчивается при достижении температурой т. А1 (то есть 7000). Условно
процесс перестройки температуры можно разбить на три стадии:
1. При нагреве до 2000С. В этом интервале температур из М закалки
выделяется избыток углерода в виде мельчайших выделений цементита Fe3C. В
результат внутреннее напряжение в мартенсите уменьшается, и такой
мартенсит называют мартенситом отпуска. Выделение из мартенсита цементита
сопровождается уменьшением объема стали.
2. 200-4000С. При этих температурах продолжается превращение мартенсита
закалки в мартенсит отпуска при уменьшении объема и одновременно с этим
остаточный аустенит, который сохранился в закаленной стали, превращается
в мартенсит закалки. Этот процесс идет с увеличением объема стали. Если
остаточного аустенита много, то это увеличение объема можно
компенсировать. Изменение объема связано с переходом мартенсита закалки
в мартенсит отпуска.
3. 400-6000С. При этих температурах мартенсит отпуска распадается на смесь
феррита и цементита Мотп ( Ф+Ц. Чем выше температура, тем больше размер
образовавшихся зерен феррита и цементита. Кроме того, меняется и форма
цементитных включений. В отличии от пластинчатой формы, которая
образуется при распаде аустенита в момент перехода его в перлит, при
превращении мартенсита в перлит частицы цементита округлые, то есть
сферические. В результате такого изменения структуры меняется вязкость
стали. Чем мельче частицы цементита и чем они более круглые, тем выше
вязкость. Размер округлых включений цементита зависит только от
температуры, чем выше температура, тем включений больше, но одновременно
с увеличением размера включений уменьшается и твердость и вязкость стали.
Практика термообработки сталей.
При изготовлении деталей для изменения структуры и свойств стали
применяют различные операции термообработки. К ним относят отжиг, закалку и
отпуск.
Отжиг сталей.
Отжиг – это термообработка, направленная на уменьшение прочности и
твердости и повышение пластичности стали. Температура отжига определяется
его назначением и зависит от содержания углерода.
Для доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей применяют различные виды отжига.
Это объясняется разным назначением сталей.
Отжиг доэвтектоидной стали.
Для доэвтектоидной стали можно применять как отжиг 1 рода, так и отжиг 2
рода. Из отжигов 1 рода для стали применяют отжиг на рекристаллизацию
(применяют для малоуглеродистой стали, то есть содержании с менее от
0,25%). Эта сталь предназначена для холодной штамповки. При деформации в
ней возникает упрочнение, то есть наклеп, который снимается отжигом на
рекристаллизацию.
1. Рекристаллизационный отжиг проходит при температурах 6800С, время отжига
4-12 часов.
2. Отжиг на снятие внутренних напряжений. Этот вид отжига применяется для
устранения внутренних напряжений, которые возникают в процессах резки,
сварки, шлифования. Снятие внутренних напряжений происходит за счет
процессов возврата. Продолжительность и температура такого отжига зависит
от вида напряжений, от размеров деталей, химического состава стали (до
6000С), 2-12 часов. Большинство конструкционных деталей изготавливается
из средне- и высокоуглеродистых сталей. Температура рекристаллизационного
отжига таких сталей практически совпадает с температурой т. А1, поэтому в
большинстве случаев для изменения структуры и свойств стали применяют
отжиг 2 рода.
Для доэвтектоидной стали в основном применяют полный отжиг. При таком
отжиге происходит полная смена структуры стали, что позволяет устранить
все дефекты, вызванные холодной деформацией, сваркой, резкой и так далее.
Отжиг 2 рода для доэвтектоидной стали принято разделять на 4 вида:
1. полный отжиг
2. изотермический отжиг
3. нормализация
4. патентирование
1. Полный отжиг
Производится с нагревом стали до температуры, превышающей точку А3 с
последующим медленным охлаждением вместе с речью. Медленное охлаждение
вызывает полное равновесное превращение А(Ф + П. В результате получается
максимально возможная пластичность, минимальная твердость и прочность и
полное снятие внутренних напряжений. Если внутренние направления не имеют
значения то после охлаждения с печью до 5000, дальнейшее охлаждение можно
вести на воздухе. Полный отжиг применяют для устранения дефектов структуры,
вызванных литьем, холодной деформацией, сваркой.
Основной недостаток полного отжига – это его большая продолжительность,
возможная неравномерность зеренного строения в центре и на поверхности
крупногабаритных изделий, вызванная неодинаковой скоростью охлаждения.
2. Изотермический отжиг.
При изотермическом отжиге, заготовки, нагреваются до температуры выше т. А3
быстро охлаждают на 100є С ниже точки А1, затем помещают в печь и при этой
температуре выдерживают до полного превращения А(П.
Так как превращение А(П идет при постоянной температуре и во всем объеме
детали одновременно, такой способ отжига позволяет получить равномерную
структуру по всему объему детали. Такой вид отжига применяется для
крупногабаритных деталей ответственного назначения.
3. Нормализация.
Нормализацией называют отжиг с охлаждением детали на свободном воздухе.
Условия охлаждения при нормализации позволяют получить более мелкое зерно,
по сравнению с обычным отжигом. Уменьшение размера зерна вызывает
увеличение прочности и твердости, при некотором снижении пластичности.
Особенно это заметно на деталях, содержащих 0,3-0,6%С. Прочность и
твердость таких сталей при нормализации имеет промежуточное значение между
твердостью, полученной после отжига и твердостью, полученной при закалке,
поэтому нормализация таких сталей является основным видом термообработки.
Для малоуглеродистых сталей свойства после отжига и после нормализации
практически совпадают, поэтому для малоуглеродистых сталей отжиг всегда
заменяют на нормализацию. Нормализацию применяют и как окончательный вид
термообработки и как промежуточный, например, между операциями холодной
деформации для снятия наклепа или перед обработкой резанием для уменьшения
твердости.
4. Патентирование.
Это особый вид отжига, который применяется для изготовления высокопрочной
проволоки.
Низкая температура превращения позволяет получить равномерную мелкую
структуру. Такая структура называется троостит. После отжига сталь
подвергают холодной деформации, волочению. В результате мелкой структуры и
наклепа позволяют получить металл прочностью 2000-5000 Мпа.
Отжиг заэвтектоидной стали.
1. Отжиг на сфероинизацию является неполным, поэтому при нагреве полного
растворения цементитных включений не происходит. В процессе охлаждения
оставшиеся включений цементита при распаде аустенита. В результате форма
включений цементита меняется. Из бывшей пластинчатой она превращается в
округлую сферическую. Поэтому такой отжиг называется сфероинизирующим.
Изменение формы включений цементита позволяет повышать вязкость стали;
облегчает процесс обработки резанием. Такая структура стали является
идеальной перед закалкой. Для ускорения процесса сфероинизации иногда
применяют отжиг с циклированием температуры на 20-30є С выше или ниже точки
А1. Такой отжиг называют маятниковым.
При нагреве стали происходит растворение краев цементитных пластин, при
охлаждении же цементит выделяется равномерно по всей поверхности. Поэтому
при таком виде отжиге процессе сфероинизации идет быстрее.
2. Нормализация.
Применяется для заэвтектоидной стали с целью устранения выделений цементита
по границам зерен. Сплошная цементитная сетка крайне нежелательна. Она
образуется при медленном охлаждении с высоких температур. Нагрев сталей до
температур выше точки Аст приводит к растворению цементитной сетки по
границам зерен. При ускоренном охлаждении на воздухе вторичный цементит
выделяется в виде отдельных включений, не образуя сплошной сетки по
границам зерен. В результате вязкость стали восстанавливаются.
Закалка сталей.
Закалкой называют термообработку, включающую в себя нагрев сталей до
температур выше критических и быстрое, резкое охлаждение, с целью получения
высокой прочности и твердости. Различают закалки объемную и поверхностную.
При объемной закалке нагревают и охлаждают весь объем детали, при
поверхностной – только поверхность.
В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При
полной закалке сталь нагревают выше точки А3. Полная закалка применяется
для доэвтектоидной стали. В этом случае при нагреве выше точки А3 сталь
имеет полностью аустенитную структуру и после резкого охлаждения имеет
полностью мартенситную структуру. При неполной закалке полного превращения
не будет, и оставшийся в структуре феррит не даст получить высокой
твердости и прочности. Поэтому в доэвтектоидной стали неполную закалку не
применяют. Для заэвтектоидной стали применяют только неполную закалку. В
этом случае вторичный цементит, который сохраняется в стали, дополнительно
повышает твердость закаленных сталей. Если же применить полную закалку, то
вторичный цементит растворяется в аустените. Это сопровождается резким
увеличением зерна. После охлаждения в такой стали будет большое количество
остаточного аустенита. Это дополнительно уменьшит твердость стали, поэтому
для заэвтектоидной стали полная закалка никогда не применяется. Выдержка
при закалке стали должна быть такой, чтобы успели пройти все структурные и
фазовые превращения. Однако она не должна быть чрезмерной, чтобы не вызвать
роста аустенитного зерна. Обычно ориентировочно выдержку детали принимают
из расчета 1 минуту на 1 миллиметр толщины для нагрева и + 1 минута на 1
миллиметр толщины для выравнивания температуры по сечению и прохождения
всех структурах и фазовых превращений. Охлаждение при закалке должно быть
резким, для того, чтобы не допустить образования перлита, но в то же время
– максимально медленным, чтобы уменьшить уровень внутренних напряжений,
образующихся в деталях при резком охлаждении. Внутренние напряжения должны
быть термические и структурные. Термические возникают из-за неодинаковой
скорости охлаждения поверхности и центров массивных деталей, а также при
неодинаковой скорости охлаждения тонких и толстых сечений детали.
Структурные напряжения возникают из-за объемного эффекта (v ^) при
переходе А> М. В зависимости от содержания углерода этот объемных эффект
достигает 5-6%. Уровень внутренних напряжений может быть настолько велик,
что в результате происходит искажение формы детали или ее растрескивание.
Охлаждение при закалке может вестись в предельных средах (вода, масло
минеральное, водо-воздушные смеси). От скорости охлаждения зависит
структура, которая в стали после закалки. Если скорость недостаточная, то
получает перлитная структура. Они отличаются друг от друга различным
размером частиц перлита и цементита. Если скорость охлаждения при закалке
достаточно велика, для того, чтобы не образовался перлит, но слишком мала
для образования мартенсита в сталях, появится промежуточная структура –
бейнит. Внешне она имеет игольчатую структуру как мартенсит, но сами иглы
представляют собой феррит, внутри которого выделяется мельчайшие частицы
цемента. Если скорость охлаждается стали превышает критическую скорость, то
образуется в мартенсит, обеспечивающий максимальную твердость в закаленной
стали. Наиболее эффективное охлаждение обеспечивает вода, но её недостаток
– слишком быстрое охлаждение в интервале мартенситного превращения. В
результате возникают большие внутренние напряжения. Минеральное масло
наоборот дает малую скорость охлаждения в области мартенситного
превращения, но не достаточно быструю в области перлитного превращения.
Способы закалки.
Для того, чтобы обеспечить закалку сталей на мартенсит необходимо быстро
охлаждать её в области перлитного превращения. Но если с такой же скоростью
охлаждать её и дальше в области мартенситного превращения, то в детали
возникают резкие закалочные напряжения. Поэтому желательно проводить
охлаждение в области мартенситного превращения по возможности медленнее, но
среды с переменной скоростью охлаждения не существует и поэтому для разных
деталей применяют различные способы охлаждения, чтобы получить закаленное
состояние с минимум уровнем внутренних напряжений.
1. Охлаждение в одном охладителе (воде, масле). Недостаток - очень резкие
внутренние напряжения. Чтобы их уменьшить применяют второй способ закалки.
2. Закалка в двух средах (из воды в масло). По этому способу в начале
деталь охлаждают в воде, до температуры ниже перлитного превращения, а
затем перебрасывают до окончательного охлаждения в масло. Этот способ
сложен и требует высокой квалификации рабочих, от которых требуется
выдерживать деталь определенное количество времени в воде. Если выдержка
будет мала, то при дальнейшем охлаждении попадаем в перлитное превращение,
и закалки не будет, а если выдержка слишком большая, то в деталях возникают
большие внутренние напряжения.
3. Ступенчатая закалка. При ступенчатой закалке нагретую деталь охлаждают
быстро до заданной температуре в специально горячей среде, в качестве
которой используются расплавы металлов или солей. Время выдержки в горячей
среде определяются маркой стали и может быть четко определено по
секундомеру, после этого идет окончание охлаждение в воде или масле.
Выдержка в горячей среде позволяет выровнять температуру по всему сечению
деталей, поэтому при окончательном охлаждении в воде, или масле превращение
аустенита в мартенсит идет одновременно по всему объему детали, что
позволяет резко снизить уровень внутренних напряжений. Такой способ закалки
применяют для крупногабаритных деталей сложной формы, чтобы до минимума
снизить искажение формы.
4. Изотермическая закалка. Этот способ применяется для крупногабаритных
деталей, которые нельзя охлаждать очень быстро, из-за опасности разрушения.
При изотермической закалке нагретые детали помещают в горячую среду,
нагретую до заданной температурой 350-400 градусов, в которой выдерживают
до полного прохождения превращения аустенита в троостит или бейнит. После
полного превращения деталь обычно охлаждается на воздухе. Дополнительного
отпуска после такой закалке не требуется. Температура окружающей среды
выбирается термообработкой, чтобы получить в детали структуру,
обеспечивающую заданную твердость.
5. Закалка с обработкой холодом. При закалке высокоуглеродистых сталей,
содержащих никель, молибден, вольфрам даже после полного охлаждения до
нормальной температуры превращение аустенита в мартенсит проходит не
полностью. Остаточный аустенит имеет невысокую твердость и поэтому
твердость детали после закалки будет недостаточной. Для устранения
остаточного аустенита закаленные детали дополнительно охлаждают в области
отрицательных температур 70-80 градусов, парами углекислоты или жидкого
азота. Дополнительное охлаждение вызывает переход остаточного аустенита в
мартенсит и твердость закаленной стали повышается.
6. Закалка с самоотпуском. Этот способ закалки применятся для деталей,
которые должны иметь различную твердость в различных местах. Чтобы получить
переменную твердость, нагретую деталь помещают в охлажденную среду только
рабочей поверхностью, оставляя хвостовик над поверхностью охлаждающей
среды. После полного охлаждения поверхности деталь извлекают из охлаждающей
среды и за счет тепла, сохранившегося в хвостовой части, происходит
разогрев рабочей поверхности и ее отпуск. Температуру разогрева поверхности
контролируют по цветам побежалости.
Поверхностная закалка.
Этот способ применяется для изделий, у которых должна быть поверхность и
вязкая сердцевина (шестерни, валы). При поверхностной закалке нагрев
проводится не всей детали, а только её поверхности. После нагрева сразу
проводится охлаждение. Поэтому структурные измерения затрагивают только
поверхность. В зависимости от способов нагрева различают несколько видов
поверхностей закалки:
1. Закалка погружением – разогрев поверхности ведется за счет
кратковременного погружения детали в горячую среду. После нагрева детали
охлаждают в воде или масле. Толщина закаленного слоя определяются временем
выдержки в горячей среде. Недостаток – невозможность получения тонкого
закаленного слоя.
2. Газопламенная закалка. Разогрев поверхности детали проводится за счет
нагрева пламенем газовой горелки. Достоинство способа в его
универсальности, недостаток – высокая температура пламени вызывает перегрев
поверхности и как следствие - крупное зерно, выгорание углерода, легирующих
элементов, резкий температурой градиент, возможно отслаивание закаленного
слоя.
3. Закалка ТВЧ – токами высокой частоты (индукционная закалка). Разогрев
детали производится за счет наведения в ней токов высокой частоты. Деталь
помещается внутрь индуктора, подключенного к истокам токов высокой частоты.
Достоинство способа – высокая производительность недостаток – потребность в
сложном оборудовании, для каждой детали необходим свой индуктор, наличие
вредных электромагнитных полей.
4. Закалка с нагревом поверхности лазером. При этом способе закалки
разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на неё
высокоэнергетического пучка излучения. Интенсивность энергии настолько
велика, что поверхность в течении нескольких долей секунд может быть
нагрета до расплавления. Охлаждение поверхности после нагрева происходит за
счет теплоотвода вглубь детали. Дополнительное охлаждение водой не
требуется. Перемещая луч лазера по поверхности можно закаливать как
отдельные участки детали, так и всю её поверхность. Этим способом можно
закаливать внутренние поверхности детали, не закаливая её наружную
поверхность. Глубина закаленного слоя регулируется временем, освещая её
лазером. При таком способе закалки она может меняться от нескольких микрон
до десятков и сотен микрон.
Отпуск стали.
Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью
структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом
растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также
внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная
сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим
имеет практически нулевой запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать
быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной структуры
закаленной стали в более стабильную может происходить с течением времени
самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних
нагрузок. Этот переход сопротивляется изменением объёма и поэтому такая
ситуация недопустима для высокоточных деталей или для измерительного
инструмента. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной
термообработке – отпуску.
Различают 3 вида отпуска по температуре: низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск 150-220 градусов
Средний отпуск 350-450 градусов
Высокий отпуск 550-650 градусов
Низкий отпуск применяется для деталей, которые должны иметь высокую
твердость и прочность. При низком отпуске мартенсит закалки превращается в
мартенсит отпуска. Мартенсит отпуска отличается от мартенсита закалки
отсутствием внутренних напряжений за счет выделения из него избытка
углеводорода в виде мельчайших карбидов. Твердость мартенсита отпуска
такая же или немного больше, чем у мартенсита закалки (58 – 62 HRC).
Средний отпуск проводится для деталей, в которых требуется максимальный
предел упругости. При температурах среднего отпуска происходит распад
остаточного аустенита в мартенсит, и затем переход мартенсита в троостит.
Троостит представляет собой игольчатую структуру феррита, вдоль игл
которого расположены выделившиеся из твердого раствора мелкие карбиды.
Такая структура обладает малым запасом вязкости, но зато высоким пределом
упругости. Поэтому такой вид отпуска применяют для изготовления упругих
деталей машин. Твердость 40 – 45НRС и очень маленькая ударная вязкость.
Высокий отпуск применяется для деталей, в которых
|
