Основы термической обработки

ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Термической обработкой называют технологические процессы теплового воздействия, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий по определенным режи­мам с целью изменения структуры и свойств сплава.

Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах тем­пература — время (рис. 30). Параметрами про­цесса термической обработки являются макси­мальная температура нагрева (t _max) сплава; вре­мя выдержки ( τ _k) сплава при температуре нагре­ва; скорость нагрева (V_н) и охлаждения (V_o). На практике обычно подсчитывают среднюю ско­рость нагрева или охлаждения. Она равна мак­симальной температуре нагрева, поделенной на время нагрева или охлаждения, т. е. Vн.ср = t _max / τ _н и

Vо.cp = t _max / τ _o.

Рис 30 График термической обработки

По классификации Бочвара А.А. различают четыре основных вида термической обработки:1) отжиг 1 рода; 2) отжиг 2 рода; 3) закалка; 4) отпуск

А- общая сжема; б – отжиг 2 рода; 3- закалка ; г отпуск

Отжиг 1 рода – не обусловлен фазовыми преобразованиями в твердом состояни;

А0 повышается подвижность атомов;

Б) частично иполностью устраняет химическую неоднородность;

В0 уменьшает внутреннее напряжение, т.о. способствуе получению более равномерного состояния

Основное значение- температуры нагрева и время выдержки.

Виды отжига.

Диффузионный (гомогенизирующий) для устранения химической неоднородности благодаря диффузии, скорость котоорого завмсит от температцры Е= 0,8- 0.9 Т пл

Время –определяется опытным путем

10 диффузионный;

2) полный;

3) изотермический;

4) неполный;

5) сфероиздизирующий;

рекристаллизационный

Рекристаллизационный отжиг

Применяют после холодной пластической деформации ( холодной обработки давлением) для снятия наклепа и получения равновесного состояния сплава.

В результатае рекристаллизации в деформируемом металле образуются новые зерна, снимается напряжения и восстанавливается пластичность металла.

Отжиг для снятия напряжений, возникают при ковке, сварке, литье и т.п., котрые могут вызвать коробление, т.е. изменение формы, размеров и даже разрушение изделий.

Отжиг 2 рода- фазовые превращения при нагреве и охлаждении

α →β β →α

нагрев охлаждение

α → β → α

Для сплавов – 1) полиморфные;

20 эвтектоидные;

3) перетектоидные превращения

Термическая обработка изменяет в нужном направлении прочностные, пластические и другие свойства материала изделий.

В основе теории термической обработки ле­жат фазовые и структурные превращения, проте­кающие при нагреве и охлаждении металлов и сплавов. Эти превращения характеризуются оп­ределенными критическими точками. При мед­ленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплаве I фазовых изменений не происхо­дит (рис. 31).

Рис. 31. «Стальной» участок диаграммы состояния желе­зо—цементит:

1 - доэвтектоидная сталь, II - эвтектоидная сталь, III — заэвтектоидная сталь

При температуре 727°С перлит превращается в аустенит (точка а). Точку а) на диаграмме называют нижней критиче­ской точкой и обозначают Ac ₁ (при охлаж­дении — Ar ₁). Буквы с и г указывают на то, что превращение происходит соответственно при на­греве или охлаждении стали, а индекс единица внизу этих букв — на точки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава 1 зерна феррита растворяются_в аустените.

Растворение аустенита заканчивается в точке a₁ (линия GS), которую называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Ас₃, охлаждении Аг ₃.

Если нагревать эвтектоидный сплав II, то перлит в точке S (линия PSK) при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Ac₁ и Ac₃ при этом совпадают.

Перлит сплава III при 727°С превращается в аустенит (точка b). Даль­нейший нагрев сплава III вызывает растворение цементита (вторичного) в аустените. В точке b₁ лежащей на линии SE, процесс растворения за­канчивается. Эту точку обозначают А _cm.

Таким образом, на диаграмме железо - цементит критические точки, образующие линию PSK, обозначают A с₁ (при нагреве) и Ar ₁ (при охлаждении), точки по линии GS – Ас ₃ и Аг ₃, по линии SE - А _cm. Знание критических точек об­легчает изучение процессов термической обра­ботки сталей.

Превращения в стали при нагреве.

Нагрев стали при термической обработке используют для получения аустенита. Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки Ac₁ состоит из зерен перлита и феррита. В точ­ке Ac ₁ происходит превращение перлита в мелко­зернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ac₁ до Ас₃ избыточный феррит растворяет­ся в аустените и в точке Ас₃ (линия GS) превра­щения заканчиваются. Выше точки Ас₃ структу­ра стали состоит из аустенита.

Таким же образом происходят превращения при нагреве заэвтектоидной стали, но с той лишь разницей, что при дальнейшем повышении темпе­ратуры от точки Ac₁ до точки А _cm в аустените начинает растворяться избыточный цементит (вторичный). Выше точки А _cm (линия SE) струк­тура состоит только из аустенита. Вновь образовавшийся аустенит неоднороден даже в объеме одного зерна. В тех местах, где раньше были пла­стинки цементита, содержание углерода значи­тельно больше, чем в тех местах, где находились пластинки феррита.

Для выравнивания химического состава и по­лучения однородного аустенита доэвтектоидную сталь нагревают немного выше верхней критической точки Ас₃ и выдерживают некоторое время при этой температуре для завершения диффузнойных процессов.

По окончании процесса превращения перлита в аустенит образуется большое количество мел­ких аустенитных зерен. Эти зерна называют начальными зернами аустенита.

Дальнейший нагрев стали или увеличение вы­держки приводит к росту аустенитного зерна. Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной термической обработки, называют действительным зерном. Величина та­кого зерна зависит не только от термической об­работки, но и от способа выплавки стали. Одна­ко склонность к росту аустенитных зерен с повы­шением температуры нагрева различная. Стали, раскисленные в процессе плавки кремнием и мар­ганцем, обладают большой склонностью к непре­рывному росту зерен аустенита при повышении температуры. Такие стали называют наследственно крупнозернистыми. К ним от­носят кипящие стали.

Стали, раскисляемые в процессе выплавки дополнительно алюминием и в особенности легированные титаном или ванадием, мало склонны к росту зерна аустенита при нагреве до 950 - 1000°С. Такие стали называют наследствен­но мелкозернистыми. К ним относят спо­койные стали.

Размер наследственного зерна не оказывает влияния на свойства стали. От размера действи­тельного зерна зависят механические свойства стали, главным образом ударная вязкость, она значительно понижается с увеличением размера зерна. Размер действительного зерна в стали за­висит от размера зерна аустенита. Как правило, чем крупнее зерна аустенита, тем крупнее дейст­вительные зерна.

Размер наследственного зерна оказывает влияние на технологические свойства стали. Ес­ли сталь наследственно мелкозернистая, то ее можно нагревать до более высокой температуры и выдерживать при ней более длительное время, не опасаясь чрезмерного роста зерна по сравнению с наследственно крупнозернистой сталью. Горячую обработку давлением — прокатку, ковку, объемную штамповку наследственно мелкозернистой стали — можно начинать и оканчи­вать при более высокой температуре, не опасаясь получения крупнозернистой структуры.

Для определения размера наследственного (аустенитного) зерна применяют различные методы. Например, для низкоуглеродистых цементуемых сталей применяют метод цементации, т.е. науглероживание поверхности стали. При нагре­ве стали до 930 ±10°C в углеродсодержащей смеси и выдержке при данной температуре в течение 8 ч поверхностный слой ее насыщается углеродом до заэвтектоидного состава. При охлаж­дении из аустенита выделяется избыточный це­ментит, который располагается по границам зе­рен аустенита в виде сетки. После полного ох­лаждения эта цементитная сетка окружает зерна перлита и показывает размер бывшего при на­греве аустенитного зерна. Подготовленную таким образом структуру стали рассматривают в мик­роскоп при 100^х увеличении, видимые под микро­скопом зерна сравнивают с эталонными, предус­мотренными стандартной шкалой размеров зерна (рис. 32). Зерна от № 1 до № 4 считают крупны­ми, а с № 5 — мелкими.

Рис. 32. Шкала для определения размера зерна: 1-10- номера зерен при 100^х увеличении

Превращения в стали при охлаждении. Аустенит является устойчивым только при температу­ре выше 727°С (точка Ar ₁). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния (ниже точки, Аr₁), аустснит становится неустойчивым — начинается его превращение. Такое превращение может начаться только лишь при некотором переохлаждении аустенита. Для случая эвтектоидной углеродистой стали аустенит превратится в перлит, т. е. в механическую смесь феррита и цементита. При этом, с одной стороны, чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение и тем быстрее будет происходить превращение аустенита в перлит. С другой стороны, это превращение сопровождает­ся диффузионным перераспределением углерода и чем ниже температура переохлаждения, тем медленнее протекает процесс диффузии, что в свою очередь замедляет превращение аустенита в перлит. Такое противоположное действие обо­их названных факторов (переохлаждения и диф­фузии) приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигая при определенной величине переохлаждения максимума, а затем убывает.

Процесс превращения аустенита в перлит экспериментально проводят при постоянной тем­пературе, т. е. в изотермических условиях. Для этого образцы из стали нагревают до температу­ры, при которой ее структура состоит из одно­родного аустенита, а затем быстро переносят в термостаты с заданной температурой.

ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ

Отжиг. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной тем­пературы, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.

В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига (рис. 39): 1 — диффузионный; 2 -— пол­ный; 3 — изотермический; 4 — неполный; 5 — сфероидизирующий; 6 — рекристаллизационный.

Рис. 39. Режимы различных видов отжига

Диффузионный отжиг (гомогенизи­рующий) - применяют для уменьшения химиче­ской неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Неоднородность строения обусловлена карбид­ной и дендритной ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скопления легирующих элемен­тов. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой темпе­ратуры, при которой атомы элементов приобрета­ют большую подвижность. Благодаря этому происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией. В результате такой диф­фузии обеспечивается выравнивание химического состава слитка или отливки по объему.

Для обеспечения необходимой скорости диф­фузии атомов отжиг стали проводят при высокой температуре (1100—1200°С) с выдержкой 10— 20 ч (рис. 39, кривая 1).