Основы термической обработки

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 (Vн) и охлаждения (Vo). 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;

J 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 100х 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 100х 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).

Полный отжиг (рис. 39, кривая 2) применяют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Это достигается нагревом стали на 30 - 50°С выше верхней критической точки Ас3 и медленным охлаждением.

При нагреве стали выше температуры Ас3 перлит превращается в аустенит. Это происходит путем образования в начальной стадии мельчайших зародышей кристалликов аустенита и постепенного их роста по мере повышения температуры. При небольшом превышении температуры Ас3 (на 30 - 50°С) образовавшиеся кристаллики аустенита остаются еще мелкими. В дальнейшем, при охлаждении ниже температуры Ac1, образуется однородная мелкозернистая структура ферритно-перлитного типа. При этом в пределах одного аустенитного зерна возникает несколько перлитных зерен, которые значительно мельче, чем аустенитное зерно, из которого они образовались.

Температуру нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграмме состояния, а для легированных сталей - по положению их критической точки Ас3, имеющейся в справочных таблицах.

Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева детали, и времени, нужного для окончания структурных превращений.

Неполный отжиг (рис. 39, кривая 4) обеспечивается при нагреве изделий из заэвтектоидной стали выше температуры Ас 1 на 30 - 50°С, выдержке и последующем медленном охлаждении.

При неполном отжиге происходит снятие внутренних напряжений, снижение твердости, повышение пластичности, улучшение обрабатываемости резанием. Поскольку температура нагрева требуется меньшая, чем при полном отжиге, то на обработку тратится меньше времени и теплоты, что обеспечивает экономичность процесса.

Неполному отжигу подвергают высокоуглеродистые заэвтектоидные стали и стали инструментальные, шарикоподшипниковые и др.

Изотермический отжиг (рис. 39. кривая 3) отличается от других видов отжига тем, что распад аустенита на ферритно-цементитную-смесь происходит при постоянной температуре. При других видах отжига такой распад происходит в период охлаждения в условиях непрерывного снижения температуры. После того как уже произошел распад аустенита, скорость охлаждения не имеет существенного значения, и поэтому охлаждение после изотермической выдержки можно проводить на воздухе.

Изотермический отжиг заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30 - 50°С выше точки Ас3 (конструкционные стали) и выше точки Ac1 на 50 - 100°С (инструментальные стали). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже точки Ar1 (680--700°С). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки небольших по размерам изделий из легированных сталей в 2 - 3 раза по сравнению с полным отжигом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется большое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.