Основными процессами, происходящими при термической обработке сталей, являются фазовые превращения в неравновесном состоянии, важнейшими из которых являются:
превращение аустенита в перлит при охлаждении (А>П);
превращение перлита в аустенит при нагреве (П>А );
превращение аустенита в мартенсит при быстром охлаждении (А>М);
распад мартенсита при отпуске закаленных сталей (М>А+Ц)
Технологические процессы термической обработки связаны с существованием критических температур фазовых превращений в сталях (критические точки). В практике термической обработки углеродистых сталей в соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe3C принято следующее обозначение критических точек (рисунок 48, индекс с - температура при нагреве; r - при охлаждении).
эвтектоидная температура - АС1 (линия PS);
критические точки, соответствующие превращению аустенита в феррит - АС3 (линия GS);
линия, обозначающая изменение растворимости углерода в аустените - АСст (SE).
Рисунок 7 - Обозначение критических точек, применяемое при термической обработке
Любой режим термической обработки (рисунок 8) определяется следующими параметрами: температурой, до которой нагревают изделие (tmax); временем, затрачиваемым на нагрев до требуемой температуры (?н) и выдержку при заданной температуре (?в), необходимую для прогрева изделий по всему сечению и скоростью охлаждения (v).
Рисунок 8 - Режим термической обработки
Для углеродистых сталей температуру нагрева под тот или иной вид термической обработки определяют исходя из диаграммы состояния Fe-Fe3C; время - расчетным методом. (Необходимые значения температуры и времени также можно выбрать и по справочным данным). Полученные значения уточняются экспериментальным путем.
3.2 ОТЖИГ
Отжиг - вид термической обработки, в результате которой сталь приобретает структуру, близкую к равновесной, т. е. отжиг вызывает разупрочнение, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.
В общем случае отжигом принято называть нагрев металла до определенных температур, выдержке при этих температурах и медленном охлаждении вместе с печью. Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охлаждения невелика: 30200 С/ч.
Различают два вида отжига:
I рода, не связанного с фазовыми превращениями (исключая гомогенизацию);
II рода, сопровождающийся фазовыми превращениями.
3.2.1 ОТЖИГ I РОДА
Отжиг I проводят для рекристаллизации пластически деформированных полуфабрикатов; уменьшения внутрикристаллической ликвации в слитках или отливках; снижения остаточных напряжений в изделиях. Состояние сплавов после этого вида термической обработки становится более равновесным.
Соответствующими видами отжига являются:
рекристаллизационный;
диффузионный (гомогенизация);
для снятия внутренних напряжений.
3.2.2 ОТЖИГ II РОДА
Отжиг II рода подразумевает нагрев стали до температур, превышающих температуры фазовых превращений (выше АС3 или АС1), выдержку при этих температурах и медленное охлаждение вместе с печью. В процессе нагрева и охлаждения протекают фазовые превращения (), определяющие структуру и свойства стали.
После отжига II рода стали получают структуры, в соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe3C и имеют низкую твердость и прочность при высокой пластичности. При фазовой перекристаллизации измельчается зерно и устраняется видманштеттовая структура, строчечность, вызванная ликвацией и сталь приобретает однородную мелкозернистую структуру. Полностью снимаются остаточные напряжения.
В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой. Понижая прочность и твердость отжиг облегчает обработку резанием средне- и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости по сравнению со свойствами, полученными после литья, ковки и прокатки. Отжигу подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат, трубы, горячекатаные листы.
3.2.3 НОРМАЛИЗАЦИЯ
Нормализация отличается от отжига условиями охлаждения; после нагрева доэвтектоидных сталей на 5070 С выше температуры Ас3, а заэвтектоидных - на 5070 С выше Асст сталь охлаждают на спокойном воздухе. Скорость охлаждения при нормализации составляет 150250 С/ч.
Ускоренное охлаждение повышает дисперсность перлита, а феррит, выделяющийся при охлаждении до температур Аr3 - Аr1 образует сплошные или разорванные оболочки вокруг зерен аустенита - ферритную сетку.
Нормализации чаще всего подвергают конструкционные стали после горячей пластической деформации и фасонного литья. Нормализация более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как меньше времени затрачивается на охлаждение стали. Кроме того, нормализация обеспечивая полную перекристаллизацию структуры приводит к более высокой прочности стали, уменьшает анизотропию свойств, вызванную наличием в горячекатаной стали строчечной структуры.
3.2.4 ЗАКАЛКА
Закалкой называется нагрев сталей до температуры выше фазовых превращений, выдержке при этой температуре и резком охлаждении со скоростью больше критической (как правило, в воде).
Основное назначение закалки - получение стали с высокими твердостью, прочностью и износостойкостью. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.
Изменение механических свойств при закалке достигается получением метастабильной (неравновесной) структуры - мартенсита.
Мартенсит обладает высокой твердостью (HRC 60 при С = 0,4 %), однако с увеличением содержания углерода возрастает хрупкость стали. Кроме изменения механических свойств, в результате превращения АМ изменяются физические свойства стали, заметно увеличивается объем.
Для получения мартенситной структуры сталь следует охлаждать с большой скоростью. Минимальную скорость охлаждения, при которой происходит мартенситное превращение, называют критической скоростью закалки. При охлаждении аустенита с такой скоростью он не успевает превратиться в ферритно-цементитную смесь и образует неравновесную структуру - мартенсит.
Выбор температурного нагрева под закалку
Получение мартенситной структуры во многом зависит от правильного выбора температуры нагрева под закалку. В зависимости от температуры нагрева различают. Полную закалку - нагрев стали выше критических точек АС3 на 3050 С (
Неполную закалку - нагрев выше критических точек Ас1 на 3050 С (рисунок 53). Неполной закалке, как правило, подвергают эвтектоидные и заэвтектоидные стали. После закалки эвтектоидная сталь имеет структуру мартенсита, а заэвтектоидная мартенсита и цементита. Кроме того, в структуре этих сталей будет присутствовать остаточный аустенит.
Скорость охлаждения
Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры Мн, т. е. предотвратить превращение АФ. Последнее достигается резким охлаждением со скоростью от 1400 до 400 С/с. Как правило такой скорости охлаждения добиваются погружением закаливаемой детали в холодную воду (t = 20 С) или в воду с добавками соли (NaCl) или едкого натра (NaOH).
Закалочные среды
Для охлаждения стальных деталей при закалке обычно применяют различные закалочные среды: воду, водные растворы солей, расплавленные соли, минеральные масла. Закалочные среды резко отличаются друг от друга своими физическими свойствами, то есть они с разной интенсивностью отнимают тепло от нагретых под закалку деталей. Однако единой, универсальной закалочной среды пока нет, поэтому на практике пользуются различными средами.
Закалочная среда охлаждает тем интенсивней, чем шире интервал пузырчатого кипения, поэтому рекомендуется производить закалку в циркулирующей среде, непрерывно перемещая детали в вертикальном или горизонтальном направлениях.
Определение времени нагрева под закалку
Для проведения любого теплового процесса термической обработки нужно не только нагревать до заданной температуры, но и выдерживать при этой температуре до полных структурных превращений и полного прогрева детали по всему сечению.
Поэтому, общее время нагрева под закалку складывается из времени нагрева до заданной температуры (н) и времени выдержки при этой температуре (в), необходимой для прогрева изделия по всему сечению:
Время нагрева до заданной температуры зависит от нагревающей способности среды, от размеров и формы детали, от способа их укладки в печи и определяется из выражения:
Составляющая в зависит от скорости фазовых превращений и может быть принята для углеродистых сталей равной 1 мин. При нагреве крупных изделий этим компонентом пренебрегают. Если диаметр или толщина детали менее 1 мм пренебрегают составляющей н в (1).
Иногда применяют приблизительный подсчет общего времени нагрева., Так при нагреве в электрических воздушных печах время нагрева н принимают равным 0,81 мин на 1 мм сечения, а время выдержки - 1/5 от времени нагрева (в = Н/5).
3.2.5. ОТПУСК
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже АС1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на остаточные напряжения. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Ускоренное охлаждение после отпуска при 500 - 600 С повышает предел выносливости, за счет образования в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.
Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска:
Низкотемпературный; (низкий)
Среднетемпературный; (средний)
Высокотемпературный; (высокий)
Низкотемпературный отпуск. Закаленную сталь нагревают до 150250 С. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Реже низкий отпуск применяется для среднеуглеродистых сталей (0,30,45 %С). Продолжительность отпуска составляет обычно 12,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.
Среднетемпературный отпуск Сталь нагревают до 350400 С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали после среднего отпуска - троостит отпуска или троосто - мартенсит; твердость стали 40-50 HRC. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.
Высокотемпературный отпуск проводят при 500680 С. Структура стали после высокого отпуска - сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.
Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.
ЛЕКЦИЯ 4
Раздел 4. Цветные металлы и сплавы на их основе. Неметаллические материалы. Композиционные материалы.
Алюминий и сплавы на его основе. Титан и его сплавы. Медь и ее сплавы: латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы. Область применения сплавов цветных металлов. Пластмассы: термопластичные пластмассы, термореактивные пластмассы, газонаполненные пластмассы. Композиционные материалы.