3 (Лекции)

Основные виды термической обработки

Термическая обработка

отжиг закалка

1 рода 2 рода отпуск

Отжиг 1 рода – вид термической обработки, направленный на формирование равновесной структуры стали, подвергнутой предварительной пластической деформации.

Наклеп – явление упрочнения металла под действием значительной пластической деформации.

Структура состоит из кристаллов, деформированных в одном направлении и отличающихся разными свойствами в разных направлениях (анизотропическая структура).

Отжиг II рода.

Отжиг II рода – устранение последствий предварительной термической обработки, повышение равновесности структуры.

1. Гомогенизация – высокотемпературный отжиг.

Задача: выравнивание химического состава (устранение химических ликваций), образование полностью равновесной структуры.

+ полностью устраняются последствия предварительной термической обработки.

- увеличение размеров кристаллов (убыстряется рост зерен)  ухудшение механических свойств.

2. Полный отжиг

Последствия термической обработки устраняются; ликвации и другие неоднородности сохраняются.

+ нет роста зерен.

3., 4. Неполный отжиг

Сохранение следов термообработки; система не полностью равновесна.

+ уменьшение внутренних напряжений.

5. Сфероидизация - применяется для заэвтектических сталей.

цель: разрушение цементитного скелета, формирование равноосных кристаллов цементита.

результат: улучшение механических свойств – сохранение твердости, снижение хрупкости.

Закалка.

Закалка – вид термической обработки, заключающийся в:

а) нагреве до температуры выше критической (образование аустенита)

б) выдержке при этой температуре

в) охлаждении со скоростью больше критической (образующаяся структура - мартенсит)

 повышение твердости и прочности сталей.

Доэвтектоидные стали.

1. формирование аустенита за максимально короткое время (чем выше температура, тем быстрее происходит формирование)

2. предотвращение роста зерен (чем ниже температура, тем лучше).

Заэвтектоидные стали.

опасность - высокое содержание углерода  повышается устойчивость аустенита  при нагреве выше линии SE после закалки мартенсит почти не образуется, а сохраняется аустенитная структура.

оптимально - нагрев выше линии SK (на 20-50); при этом содержание углерода в аустените падает (~ 0.8%С)  большая часть аустенита после закалки превращается в мартенсит, а пониженная твердость от остаточного аустенита компенсируется цементитом вторичным, т.е. обеспечивается максимальная твердость закаленной стали.

Получающаяся структура: М+Ц_II+А_ост

К
ритическая скорость охлаждения сталей – минимальная скорость охлаждения, при которой не происходит распад аустенита с образованием перлитной структуры.

V₁>V_кр – закалка возможна; но слишком высокая скорость охлаждения может привести к трещинам.

V₂<V_кр – неполная закалка; частичный распад аустенита, структура после закалки: М+П.

V₃<V₂<V_кр – закалка невозможна; полный распад аустенита.

Свойства сталей по отношению к закалке.

Закаливаемость – способность стали существенно изменять свои свойства после закалки. Определяется химическим содержанием углерода (имеет смысл производить закалку для сталей с С > 0.25%).

Прокаливаемость – толщина поверхностного слоя массивной детали, имеющего мартенситную структуру после закалки. Чем толще слой, тем выше прокаливаемость. Определяется значением критической скорости охлаждения (чем меньше V_{охл. кр}., тем выше прокаливаемость).

Виды закалки сталей.

1 – простая закалка – охлаждение в одной закалочной среде Vохл>Vкр. Результат: Мартенсит закалки

+ простота низкая стоимость

- высокие внутренние напряжения  необходимость дополнительной термообработки (отпуск).

2 – закалка в двух закалочных средах. Результат: Мартенсит.

+ снижение внутренних напряжений

- сложность  повышение стоимости.

3 – закалка с промежуточной выдержкой. Результат: Мартенсит.

+ существенное снижение внутренних напряжений

- высокая сложность  дороговизна.

4 – закалка на бейнит.

Бейнит – особая структура, образующаяся в результате превращения аустента при низкой температуре (~Мн), представляет собой промежуточное состояние между мартенситной и перлитной структурами.

При закалке на бейнит нет кристаллов цементита, а есть сочетание микрообластей с повышенной концентрацией углерода (~6.67%) и областей с пониженной концентрацией углерода (>0.06%).

+ улучшение механических свойств (твердость, прочность, пластичность)

• сложность, высокий процент брака.

Отпуск.

Отпуск – вид ТО, заключающийся в нагреве закаленной стали (на мартенсит) до температуры ниже критической (<727), выдержке и охлаждении на воздухе.

Существуют 3 вида отпуска:

1) низкотемпературный t_отп =150-250С;

 структура: М_отп + карбиды;

 небольшое снижение твердости и прочности, снижение внутренних напряжений.

 низкая температура отпуска  низкая диффузионная подвижность углерода  из мартенсита уходит малая часть углерода  мартенсит сохраняется, но степень пересыщения падает; избыточный углерод концентрируется в микроскопических областях по составу близких к цементиту, но сохраняющих общую решетку с кристаллами мартенсита ( карбиды).

2) среднетемпературный t_отп=250-450С;

 структура: Т_отп (тростит отпуска);

 диффузионный процесс  М распадается  образование равновесной структуры перлитного типа;

 недостаточная энергия у атомов углерода для перемещения на большие расстояния  образующиеся кристаллы Ф и Ц очень маленького размера. Эти кристаллы имеют не пластинчатую, а равноосную форму.

3) высокотемпературный t_отп=450-650С;

 структура: С_отп (сорбит);

 активные диффузионные процессы, углерод проходит большие расстояния, укрупнение размеров кристаллов Ф и Ц.

Вывод: высокий и средний отпуск обеспечивают наилучшее сочетание механических свойств в стали: достаточно высокая твердость и прочность, запас пластичности.

Существует объединенный вид ТО – улучшение – закалка + отпуск. Применяется для ответственных, высоконагруженных деталей (пружины, рессоры и т.д.)

Состав углеродистых сталей.

Кроме С и Fe в составе стали существуют примеси:

1) случайные (Au, Cu, Cr, Zn) – малое содержание, отсутствие влияния на свойства и структуру стали.

2) вредные – оказывают сильное влияние на свойства и структуру стали.

 сера S – при содержании нескольких сотых долей процента в составе стали появляется свойство красноломкости (образование трещин при пластичном деформировании в нагретом состоянии) – химическое соединение Fe и S образует легкоплавкую эвтектику.

 фосфор P – вызывает свойство синеломкости (низкая прочность и склонность к трещинообразованию при низких температурах) – образование при низких температурах непрочного химического соединения Fe_nP_m (при высоких tC – распадается – нет вредного эффекта).

 газы O, H, N – нарушение структуры стали – образуют химические соединения с металлами. Различная растворимость газов при изменении: а) температуры (чем ниже tC, тем ниже растворимость); б) типа кристаллической решетки (скачкообразное!!) – появление газовых пузырьков внутри металла.

Р
астворимость газов (в железе).

При t=911С на границах зерен появляются газовые пузырьки, давление в которых больше предела прочности (>1000атм.), что может привести к появлению внутренних трещин.

Для уменьшения вредного воздействия газов применяются меры по их удалению (раскисление, вакуумные плавки и т.д.).

3)технологические – специальные добавки для улучшения структуры и свойств стали.

 раскислители – для удаления О₂ – Mn, Al, Si. (наиболее часто используется Mn)

FeO+MnFe+MnO, (прямая реакция – Mn>0.8%, обратная – Mn << 0.8%) ^ легкий, всплывает в ванне жидкого металла.

Стали, раскисленные Mn, - кипящие стали (из-за бурного всплывания MnO); а Al и Si – полуспокойные и спокойные.

Маркировка углеродистых сталей.

1.Стали общего назначения.

Пример: Бст3ПС

а) б) в)

а) способ контроля качества

А – контроль механических свойств (применяется для сталей, предназначенных для механической обработки).

Б – контроль химического состава (для сталей, предназначенных для сварки).

В – механические свойства + химический состав (комплексная обработка).

б) марка стали

чем больше цифра, тем выше процентное содержание углерода. ст0; ст1; …ст6

в) способ раскисления

КП – кипящая (раскислена Mn)

ПС – полуспокойная (Mn+Al)

СП – спокойная (Al+Si)

2.Качественные углеродистые стали.

05кп; 10кп; 15кп; 20; 25; 30; …; 60; 70; 80 цифра - %С

низкое содержание Mn не применяется

углерода  (раскисление др. способами)

 кипящие

3.Инструментальные углеродистые стали.

У7; У8;…; У13 содержание P, S < 0.035%

А в конце маркировки – высококачественные стали; содержание P, S < 0.025%

автоматные стали (обрабатываются роботами – min контроль качества)  для облегчения резки стали добавляют фосфор: Р~ 0.1%.

Легированные стали.

Легированная сталь – сталь, содержащая в своем составе 1 или насколько специально введенных легирующих элементов в количестве, заметно изменяющих свойства стали.

Легирующие элементы в сталях: 1) в свободном состоянии (образуя собственные кристаллы)

2) карбиды (Ме_nC_m)

3) твердые растворы Ме в Fe (Ме в кристаллической решетке Fe)

4) интерметаллидный (Ме_nMe_m)

Марки – сложный буквенно-цифровой код, в котором зашифрован химический состав.

Легирующие элементы обозначаются заглавными буквами русского алфавита.

Х – Cr; Н – Ni; В – W; Т – Ti; М – Мо; Д – Сu; Ю – Al; Б – Nb; Р – В; С – Si; Ф – V; А – N.

12Х18Н10Т – 0.12%С, 18%Cr, 10%Ni; Ti<1.5%

7Х4В18Ф=Р18 – 0.7%С, 4%Cr, 18%W, V<1.5%

Классификация сталей.

1. По назначению

 конструкционные (строительные, машиностроительные…)

 инструментальные (быстрорежущие, штамповые…)

 с особыми свойствами (коррозионно-стойкие, немагнитные, жаропрочные,…)

2. По степени легированности