Упрочняющая термическая обработка: закалка и старение.

Упрочняющей термической обработкой или термическим упрочнением называются технологические операции, в результате которых в сплавах достигается уровень прочности, повышенный со сравнению с отожженным (или нормализованным) состоянием.

Термин «термическое упрочнение» применяют к обработке, которая включает два этапа: закалку и старение или закалку и отпуск.

Закалка – операция термической обработки, которая заключается в нагреве сплавов в высокотемпературную область твердых растворов и охлаждении с высокой скоростью, предотвращающей равновесные фазовые превращения. В зависимости от диаграммы состояния, т.е. от фазовых превращений, характерных для данной системы легирования, результатом закалки является неравновесная фаза:

– пересыщенный твердый раствор («закалка на пересыщенный твердый раствор»);

– мартенсит – твёрдый раствор, получаемый в полиморфных сплавах, который может быть как пересыщенным, так и непересыщенным («закалка на мартенсит»). 

Вторым этапом термического упрочнения, создающим метастабильное состояние, являются такие операции какстарениеилиотпуск.

Старение или отпуск – операции термической обработки, которые заключаются в нагреве ниже температур закалки с последующим произвольным охлаждением. При старении или отпуске формируется то структурно-фазовое состояние, которое и определяет конечный комплекс механических свойств материала (детали).

Термическое упрочнение широко применяется для ответственных деталей, изготавливаемых из углеродистых и легированных сталей, а также для сплавов на основе цветных металлов: никелевым, алюминиевым, магниевым, титановым, медным и др.

Упрочняющую термическую обработку, состоящую из закалки со старением, применяют к сплавам, в которых возможно при быстрой закалке получить пересыщенный легирующим элементом твёрдый раствор. Это сплавы на основе цветных металлов: алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, а также высоколегированные мартенситостареющие стали и титановые сплавы.

Рис. 2.26. Схема изменения твердости стареющих сплавов в зависимости

от температуры (а) и времени (б) старения: t ₁ ‹ t ₂ ‹ t ₃ ; о – максимум твёрдости;

А – область недостаривания; В – область перестаривания

При старении в сплавах образуются высокодисперсные частицы промежуточных фаз. Эти частицы существенно тормозят перемещение дислокаций в сплавах, что и обеспечивает повышенную прочность. При этом, варьируя температуру и время старения, можно получить различное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости (рис. 2.26).

Закалка и отпуск сталей.

Цель закалки и отпуска – двухэтапной термообработкисостоит вобе­спечении повышенной прочности (по сравнению с отжигом и нормализацией) и необходимого комплекса механических свойств.  

Закалка с отпуском используется для широкой номенклатуры углеродистых и легированных машиностроительных и инструментальных сталей. Эти стали относятся к диаграммам состояния «железо - углерод» или «железо - углерод - легирующий элемент». 

Закалка сталей на мартенсит.

Закалка сталей - сплавов на основеполиморфного металла – этооперация термической обработки, заключающаяся в нагреве в однофазную аустенитную область (иногда в двухфазные области), и быстром охлаждении со скоростью, предотвращающей распад аустенита по диффузионному механизму.

Цель закалки – получение мартенсита, как самостоятельной фазы, так и сочетании с аустенитом, трооститом или цементитом. Полученное структурно - фазовое состояние является подготовительным этапом для проведения последующего отпуска.

В углеродистых сталях неравновесная фаза мартенсит как результат сдвигового превращения одновременно является: твердым раствор внедрения; твердым раствором внедрения, пересыщенным по отношению к равновесному содержанию углерода в феррите при комнатной температуре – 0,006 %;

Кристаллическая решетка мартенсита – тетрагональная объемноцентрированная существенно отличается от исходной решетки аустенита (ГЦК). Тетрагональность решетки (отношение осей с/а) увеличивается с повышением содержания углерода.

Вследствие большой разницы в удельных объемах аустенита и образующегося из него мартенсита (около 3 %), результатом превращения является значительный фазовый наклеп. Фазовый наклеп – пластическая деформация, реализующаяся внутри зерна, которая осуществляется не внешним воздействием, а только за счет фазового превращения.

 Значительная разница в удельных объемах аустенита и мартенсита углеродистых сталей (около 3 %) создает не только пластическую деформацию внутри зерен твердого раствора, но и упругую деформацию в объеме детали. К этому добавляются и термические напряжения. В результате резкого охлаждения при закалке детали с мартенситной структурой склонны к «короблению» («поводке») – неравномерному изменению формы и размеров, которые тем больше, чем сложнее форма детали. Это является главным недостатком закалки углеродистых сталей.

 В ряде углеродистых и легированных сталей при закалке из аустенитной области возможно протекание бейнитного превращения (рис. 2.26, область А → Б).

 Полученная в результате бейнитного превращения двухфазная структура (α + Ц) не называется перлитом, потому что получена не при эвтектоидном превращении. Кроме того, частицы карбида не имеет пластинчатого строения; при этом они очень дисперсны.

По дисперсности, расположению карбидов и структуре α - фазы различают верхний и нижний бейнит. Наилучшими свойствами обладает нижний бейнит, образующийся при температурах ниже 350ºС. Дисперсные частицы карбида расположены внутри зерен феррита. Такая структура обеспечивает сочетание высокой прочности, пластичности и ударной вязкости.

 Изотермическая закалка, использующая бейнитное превращение, широко применяется для деталей из легированных сталей, обеспечивая им высокую конструкционную прочность.

Технология закалки.

Температуру закалки выбирают по отношению к критическим точкам (линиям) на диаграмме состояния – Ас₁, Ас₃, А_сm. Закалка от температур выше Ас₃ и А_сm, называется полной закалкой, а закалка от температур в интервале Ас₁ – Ас₃ или Ас₁ – А_сm называется неполной закалкой.

К сталям доэвтектоидным применяют полную закалку, т.е. из аустенитной области. от температур выше А_с3 на 30 - 50ºС; к сталям заэвтектоидным применяют неполную закалку, т.е. из области «аустенит + цементит», от температур на 30 - 50ºС выше Ас₁ .

Скорость охлаждения при закалке для получения мартенсита выбирают в соответствии с термокинетической диаграммой (ТКД) распада переохлажденного аустенита. Скорость охлаждения при закалке должна исключить какое-либо равновесное превращение. Наименьшая скорость, при которой получается мартенсит называется критической скоростью охлаждения при закалке V_крит (на рис. 1.33 это скорость V₄), поэтому их линии на ТКД должна находится левее начала С - образной кривой распада (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Схема скоростей охлаждения из аустенитной области, дающих в центре

образца( V _ц ), перлитную структуру на поверхности( V _п ) – мартенситную

 

Критическая скорость охлаждения сталей (V_крит) – минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит.

Для мартенситного превращения характерен определённый температурный интервал превращения: существуют температуры начала и конца превращения: М_н и М_к находящиеся ниже выступа С-образной кривой диффузионного распада (рис. 2.27).

Прокаливаемость – одна из важнейших технологических характеристик при термической обработке стали.

Прокаливаемость определяется темпом, с какой температура во время быстрого охлаждения распространяется по сечению детали конкретного размера с конкретной теплопроводностью. При высокой скорости охлаждения обеспечить мартенситное превращение в интервале температур М_н и М_к, т.е. «прокалить» деталь возможно только при небольших ее размерах. На деталях больших размеров охлаждение с критической скоростью успевает произойти только в приповерхностных слоях. А в глубинных слоях охлаждение происходит с меньшей, чем критическая, скоростью, что приводит к распаду аустенита уже не сдвиговому, в диффузионному механизму. Результатом различия скоростей охлаждения по сечению детали является различие в фазовом составе: в приповерхностном слое - мартенсит, а в центре - феррит + цементит.

Прокаливаемость – это свойство стали приобретать в результете закалки мартенситную или мартенсито - трооститную структуру с высокой твердостью в слое определенного размера. Количественно прокаливаемость характеризуется критическим диаметром.

Критический диаметр – максимальный диаметр детали, при котором в результате закалки получается мартенситная или полумартенситная (50 % мартенсита + 50 % троостита) структура. Критический диаметр обратно пропорционален критической скорости охлаждения:

d_кр = f (1/V_кр).

Для того, чтобы прокалить насквозь детали крупного сечения, их изготавливают их легированных сталей, потому что все легирующие элементы (кроме кобальта) снижают критическую скорость закалки.

Способы закалки  разделяются по следующим признакам:

– по среде охлаждения (закалка в воде, в масле, на воздухе, в полимерных средах);    

– по объему детали, к которому применяется закалка – объемная и поверхностная;

– по ступенчатости охлаждения (закалка в двух средах, ступенчатая закалка, изотермическая и др.).

Применение различных сред охлажденияпри объёмной закалке определяется критической скоростью охлаждения. Снижение критической скорости охлаждения сталей позволяет переходить к более «мягким» средам: от воды к маслу и далее к воздуху.

Применение объемной или поверхностной закалки диктуется требованиями, предъявляемыми к изделиям. Для большинства деталей применяют объемную закалку, когда мартенситная (мартенситно - трооститная) структура получается по всему сечении.

Поверхностную закалку применяют для деталей, в которых по условиям работы требуется высокая поверхностная твердость, износостойкость, а также высокий предел выносливости.  

Применение ступенчатого охлаждения при объёмной закалке вызвано стремлением к снижению того высокого уровня остаточных упругих напряжений, которые характерны для закаленных стальных деталей.  

Для ослабления возникающих напряжений, используют различные способы охлаждения (рис. 2.28).

«Тепловые» напряжения снижаются при понижении скорости охлаждения в интервале температур М_н  - М_к (закалка в двух средах). Закалку в двух средах осуществляют при погружении детали сначала в воду – для быстрого прохождения температурного интервала минимальной устойчивости аустенита, а затем в масло – для охлаждения с меньшей скоростью в интервале мартенситного превращения.

 

Рис. 2.28. Схемы различных способов объемной закалки сталей:

---

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 1065; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!