Виды термической обработки металлов. Основы теории термической обработки стали.
Виды термической обработки металлов.
Свойства сплава зависят от его структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру, а, следовательно, и свойства является термическая обработка.
Основы термической обработки разработал Чернов Д.К.. В дальнейшем они развивались в работах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.
Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (представляется в виде графика в осях температура – время, см. рис. 8.1 ).
Рис.8.1. Графики различных видов термообработки: отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)
Различают следующие виды термической обработки:
1. Отжиг 1 рода – возможен для любых металлов и сплавов.
Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.
Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутреннее напряжения.
Основное значение имеет температура нагрева и время выдержки. Характерным является медленное охлаждение
Разновидностями отжига первого рода являются:
· диффузионный;
· рекристаллизационный;
· отжиг для снятия напряжения после ковки, сварки, литья.
2. Отжиг II рода – отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении.
|
|
|
Проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии.
Проводят отжиг второго рода с целью получения более равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.
Характеризуется нагревом до температур выше критических и очень медленным охлаждением, как правило, вместе с печью (рис. 8.1 (1, 1а)).
3. Закалка – проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).
Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охлаждения (рис. 8.1 (2, 2а)).
4. Отпуск – проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей.
Характеризуется нагревом до температуры ниже критической А1 (рис. 8.1 (3)). Скорость охлаждения роли не играет. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.
|
|
|
Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.
Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).
Окончательная – формирует свойство готового изделия.
Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении
Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат стремления системы к минимуму свободной энергии (рис 8.2).
Рис. 8.2. Зависимость свободной энергии структурных составляющих сталей от температуры: аустенита (FA), мартенсита (FM), перлита (FП)
1. Превращение перлита в аустенит 
, происходит при нагреве выше критической температуры А1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.
2. Превращение аустенита в перлит 
, происходит при охлаждении ниже А1, минимальной свободной энергией обладает перлит:
3. Превращение аустенита в мартенсит 
, происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия
|
|
|
4. Превращение мартенсита в перлит 
; – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.
Технологические возможности и особенности отжига, нормализации, закалки и отпуска
При разработке технологии необходимо установить:
· режим нагрева деталей (температуру и время нагрева);
· характер среды, где осуществляется нагрев и ее влияние на материал стали;
· условия охлаждения.
Режимы термической обработки назначают в соответствии с диаграммами состояния и диаграммой изотермического распада аустенита.
Нагрев может осуществляться в нагревательных печах, топливных или электрических, в соляных ваннах или в ваннах с расплавленным металлом, пропусканием через изделие электрического тока или в результате индукционного нагрева.
С точки зрения производительности, нагрев с максимальной скоростью уменьшает окалинообразование, обезуглероживание и рост аустенитного зерна. Однако необходимо учитывать перепад температур по сечению, что ведет к возникновению термических напряжений. Если растягивающие напряжения превысят предел прочности или предел текучести, то возможно коробление или образование трещин.
|
|
|
Рис. 8. 3. Левый угол диаграммы состояния железо – цементит и температурные области нагрева при термической обработке сталей
Скорость нагрева тем выше, чем менее легирована сталь, однороднее ее структура, проще конфигурация.
Скорость нагрева принимается 0,8…1 мин на 1 мм сечения. Время выдержки принимается около 20 % от времени нагрева.
Составляющие среды нагревапри нагреве в печи с газовой средой могут оказывать на сталь различное действие:
· окисляющее (О2, СО2, Н2О);
· восстанавливающее (СО, СН4);
· обезуглероживающее (О2, Н2);
· науглероживающее (СО, СН4);
· нейтральное (N2, инертные газы).
Окисление с образованием окалины 
, препятствует получению высокой и равномерной твердости при закалке, приводит к изменению размеров, требует увеличения припусков на механическую обработку.
Обезуглероживание (выгорание углерода в поверхностном слое металла) способствует появлению мягких пятен при закалке и возникновению растягивающих напряжений в поверхностном слое, снижающих усталостную прочность.
На рис. 8.3. показаны температурные области нагрева при термической обработке сталей.
Отжиг и нормализация. Назначение и режимы
Отжиг, снижая твердость и повышая пластичность и вязкость за счет получения равновесной мелкозернистой структуры, позволяет:
· улучшить обрабатываемость заготовок давлением и резанием;
· исправить структуру сварных швов, перегретой при обработке давлением и литье стали;
· подготовить структуру к последующей термической обработке.
Характерно медленное охлаждение со скоростью 30…100oС/ч.
Отжиг первого рода.
1. Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг. Применяется для устранения ликвации, выравнивания химического состава сплава.
В его основе – диффузия. В результате нагрева выравнивается состав, растворяются избыточные карбиды. Применяется, в основном, для легированных сталей.
Температура нагрева зависит от температуры плавления, ТН = 0,8 Тпл.
Продолжительность выдержки: 
часов.
2. Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации.
Температура нагрева связана с температурой плавления: ТН = 0,4 Тпл.
Продолжительность зависит от габаритов изделия.
3. Отжиг для снятия напряжений после горячей обработки (литья, сварки, обработки резанием, когда требуется высокая точность размеров).
Температура нагрева выбирается в зависимости от назначения, находится в широком диапазоне: ТН = 160……700oС.
Продолжительность зависит от габаритов изделия.
Детали прецизионных станков (ходовые винты, высоконагруженные зубчатые колеса, червяки) отжигают после основной механической обработки при температуре 570…600oС в течение 2…3 часов, а после окончательной механической обработки, для снятия шлифовочных напряжений – при температуре 160…180oС в течение 2…2,5 часов.
Отжиг второго рода предназначен для изменения фазового состава.
Температура нагрева и время выдержки обеспечивают нужные структурные превращения. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы успели произойти обратные диффузионные фазовые превращения.
Является подготовительной операцией, которой подвергают отливки, поковки, прокат. Отжиг снижает твердость и прочность, улучшает обрабатываемость резанием средне- и высокоуглеродистых сталей. Измельчая зерно, снижая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность способствует повышению пластичности и вязкости.
В зависимости от температуры нагрева различают отжиг:
1. полный, с температурой нагрева на 30…50 oС выше критической температуры А3
Проводится для доэвтектоидных сталей для исправления структуры.
При такой температуре нагрева аустенит получается мелкозернистый, и после охлаждения сталь имеет также мелкозернистую структуру.
2. неполный, с температурой нагрева на 30…50oС выше критической температуры А1
Применяется для заэвтектоидных сталей. При таком нагреве в структуре сохраняется цементит вторичный, в результате отжига цементит приобретает сферическую форму (сфероидизация). Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой дробится цементитная сетка. Структура с зернистым цементитом лучше обрабатываются и имеют лучшую структуру после закалки. Неполный отжиг является обязательным для инструментальных сталей.
Иногда неполный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей, если не требуется исправление структуры (сталь мелкозернистая), а необходимо только понизить твердость для улучшения обрабатываемости резанием.
3. циклический или маятниковый отжиг применяют, если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым. В этом случае после нагрева выше температуры А1 следует охлаждение до 680 oС, затем снова нагрев до температуры 750…760) oС и охлаждение. В результате получают зернистый цементит.
4. изотермический отжиг – после нагрева до требуемой температуры, изделие быстро охлаждают до температуры на 50…100oС ниже критической температуры А1 и выдерживают до полного превращения аустенита в перлит, затем охлаждают на спокойном воздухе (рис. 8.4). Температура изотермической выдержки близка к температуре минимальной устойчивости аустенита.
В результате получают более однородную структуру, так как превращение происходит при одинаковой степени переохлаждения. Значительно сокращается длительность процесса. Применяют для легированных сталей.
Рис. 8.4. Режимы изотермического отжига
5. Нормализация. – разновидность отжига.
Термическая обработка, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния, на 30…50 oС выше А3 или Аст с последующим охлаждением на воздухе.
или
В результате нормализации получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки. Твердость и прочность несколько выше чем после отжига.
В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита.
Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Иногда проводят как окончательную обработку, например, при изготовлении сортового проката.
Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига.
Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском. В этом случае механические свойства несколько ниже, но изделие подвергается меньшей деформации, исключаются трещины.
Лекция 9
Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 181; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!