Ответы на вопросы к экзамену по металлам, страница 4

Чтобы восстановить структуру и свойства наклёпанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путём прокатки, протяжки, волочения и т.п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Пластическое деформирование выше температуры рекристаллизации, хотя и приводит к упрочнению, но это упрочнение устраняется протекающим при этих температурах процессом рекристаллизации. Рекристаллизация протекает не во время деформации, а сразу после её окончания и тем быстрее, чем выше температура. При очень высокой температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации, она завершается в секунды и даже в доли секунд.

При пластическом деформировании выше температуры рекристаллизации упрочнение и наклёп металла, если и произойдут, то будут немедленно сниматься динамической рекристаллизацией. Такая обработка, при которой нет упрочнения (наклёпа), называется горячей обработкой давлением. Обработка давлением (пластическая деформация) ниже температуры рекристаллизации вызывает наклёп и называется холодной обработкой.

Следовательно, пластическое деформирование железа при 600ºС следует рассматривать как горячую обработку, а при 400ºС – как холодную.

По мере повышения температуры твёрдость сначала слегка снижается вследствие явлений возврата. После отжига при температуре, несколько превышающей температуру рекристаллизации, твёрдость резко падает и достигает исходного значения (значения твёрдости до наклёпа). Эта температура и есть минимальная температура рекристаллизации, или порог рекристаллизации.

Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:

1. Первичная рекристаллизация, или рекристаллизация обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зёрна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зёрна;

2. Вторичная, или собирательная рекристаллизация, заключающаяся в росте зёрен и протекающая при более высокой температуре.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых зёрен. Это обычно мелкие, можно даже сказать очень мелкие зёрна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зёрен. К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из таких зёрен, то есть очень мелких зёрен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс вторичной рекристаллизации, заключающийся в росте зёрен.

Рост кристаллов – процесс самопроизвольный, определяемый стремлением системы к уменьшению запаса внутренней энергии.

Возможны три существенно различных механизма роста зерна:

1) зародышевый – состоящий в том, что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, и их рост приводит к образованию новых зёрен, но их меньше, чем зёрен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса зерна в среднем станут крупнее;

2) миграционный – перемещении границы зерна и увеличении его размеров. Так как крупное зерно термодинамически устойчивее мелкого, то растут крупные зёрна за счёт «поедания» мелких зёрен;

3) слияние зёрен – состоящее в постепенном «растворении» границ зёрен и объединении многих мелких зёрен в одно крупное.

1. Теория термической обработки стали. Основные превращения в стали. Превращения в стали при нагреве. Превращение переохлажденного аустенита. Превращение аустенита в мартенсит. Превращение мартенсита в перлит. Классификация видов ТО по А.А.Бочвару. Отжиг и его разновидности. Закалка. Основные параметры процесса. Закалочные среды. Закалочные напряжения. Способы закалки. Закаливаемость и прокаливаемость стали. Химико-термическая обработка. Цементация и цементируемые стали, режимы ТО после цементации. Азотирование и ТО улучшаемых сталей.

Технология металлов состоит из трёх основных видов:

= Металлургии – получение металла заданного состава,

= Механической технологии – получение из металла изделий заданной внешней формы,

= Термической обработки – получение заданных свойств.

Основные факторы воздействия при термической обработке – температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах t (температура) и (время).

Все виды термической обработки можно разделить на четыре основные группы .

ПЕРВАЯ ГРУППА. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пласти­ческая деформация создаёт наклёп - искажение кристаллической решетки. При затвердевании - не успевают протекать диффузион­ные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказы­вается неоднородным. Быстрое охлаждение или неравномерное приложение напряжений делает неравномерным распределение упру­гой деформации. Неустойчивое состояние при комнатной темпера­туре сохраняется долго, так как теплового движения атомов при комнатной температуре недостаточно для перехода в устойчивое состояние.

Нагрев (увеличение тепловой подвижности атомов) приводит к тому, что процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической ре­шетки, рекристаллизация, диффузия), достигают заметных ско­ростей.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла. который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его в более устойчивое со­стояние, называется отжигом.

Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых превращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг назы­вается отжигом первого рода. Если у сплава есть фазовое превращение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусловленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется как отжиг второго рода или фазовая перекристаллизация.

ВТОРАЯ ГРУППА. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно

себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой. Во многих случаях закалка не фиксирует совсем (или фиксирует не полностью) состояние сплава, устойчивое при высоких температурах. Поэтому предельный случай закалки, когда состояние сплава, характерное для высоких температур, фиксируется, называется истинной закалкой, в отличие от закалки в более широком смысле, когда фиксируется не состояние сплава при высокой тем­пературе, а некоторая его стадия структурного превращения, при которой в сплаве не достигнуто еще равновесное состояние.

Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхностный) нагрев.

Между закалкой и отжигом второго рода есть общее. И в том, в другом случае сплав нагревается выше температуры фазового превращения, и окончательное строение приобретает в результате превращения при последующем охлаждении. Однако между обоими видами имеется и принципиальная разница. При отжиге второго рода цель охлаждения - приближение сплава к равновесному состоянию, поэтому охлаждение проводят медленно. При закалке охлаждение быстрое, чтобы отдалить структурное состояние сплава от равновесн­ого.

ТРЕТЬЯ ГРУППА. Состояние закаленного сплава харак­теризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий подвижность атомов, способствует этим превращениям. При повышении температуры закаленный сплав все больше приближается к разновесному состоянию. Такая обработка, т. е. нагрев закаленного сплава, но ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском. И при отжиге первого рода, как и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не было фазовых превращений, а для отпуска - предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск - вторичная операция, осушествляемая всегда после закалки. Отпуск иногда называют старением. В одних случаях ста­рением называют длительный низкотемпературный нагрев, объеди­няя при этом отжиг 1 рода и отпуск; в других - нагрев закаленной стали называют отпуском, а, нагрев закаленных, сплавов цветных металлов - старением. Сейчас рекомендуют такое разграничение отпуска и старения: отпуск - это нагрев закалённого сплава, имею­щего фазовые превращения; старение - это нагрев закаленного сплава, не имеющего фазовых превращений. В этом случае закален­ное состояние характеризуется пересыщением твердого раствора.

О т ж и г - термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая 'металл в более устойчивое состояние.

3 а к а л к а - термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым ох­лаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

О т п у с к - термическая операция, состоящая в нагреве зака­ленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.

Кроме этих основных видов термической обработки, имеются еще два принципиально отличных способа, представляющих сочетание термической обработки с металлургией или механической техноло­гией.

Способность металлов растворять различные элементы позволяет при повышенных температурах атомам вещества, окружающего поверхность металла, диффундировать внутрь его, создавая поверх­ностный слой измененного состава. При этой обработке изменяется не только состав, но и структура поверхностных слоев, а иногда серд­цевины, Такая обработка называется химико-термической обработ­кой (ХТО). К этому виду химико-термической обработки относится как бы обратный процесс - удаление элементов путем подбора соот­ветствующих сред. Диффузионная подвижность неметаллов (С, N, О, Н, В) существенно отлична от подвижности металлов, поэ­тому химико-термическую обработку подразделяют на диффузион­ное насыщение неметаллами и металлами.

В последнее время применение получает обработка, в которой в едином технологическом процессе сочетаются деформация и структурные превращения. Такая обработка получила название деформационно-термическая.

Существенное значение имеет и такой факт, когда осуществляется пластическая деформация до или после превращения. Для того, чтобы разделить эти процессы, деформационно-термическую обработку разделяют на термомеханическую обработку ТМО (деформацию осуществляется до превращения) и механико-термическую обработку МТО (деформация осуществляется после превращения). Таким образом, к трём основным видам термической обработки (отжиг, закалка, отпуск) должны быть добавлены две сложные обработки:

Химико-термическая обработка – нагрев сплава в соответствующих химических реагентах для изменения состава и структуры поверхностных слоёв,

Деформационно-термическая обработка – деформация и последующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклёпа.

Характеристика основных видов термической обработки стали

О т ж и г - фазовая перекристаллизация, заключающаяся в на­греве выше А_С3 с последующим медленным охлаждением. При на­греве выше А_С1, но ниже А_С3 полная перекристаллизация не произой­дет; такая термическая обработка называется неполным отжигом. При отжиге состояние стали приближается к структур но равновес­ному; структура стали после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит.

Если после нагрева выше А_С3 провести охлаждение на воздухе, то это будет первым шагом к отклонению от практически равновес­ного структурного состояния. Такая термическая операция назы­вается нормализацией.