- •Лекция 1
- •Часть 1. Металловедение и термическая обработка металлов.
- •2.Принцип построения диаграммы состояния.
- •4.Анализ диаграмм состояния двойных сплавов. Правило фаз. Правило отрезков.
- •5. Диаграма состояния п типа (с неограниченной растворимостью в твердом состоянии).
- •6. Диаграмма состояния ш типа.
- •7.Связь между свойствами сплава и типом диаграммы состояния. Правило Курнакова.
- •1. Сущность и назначение термической обработки стали.
- •2. Основные виды термической обработки.
- •3. Фазовые превращения в стали.
- •4. Критические точки образования аустенита.
- •5. Механизм образования аустенита из перлита.
- •2. Отжиг и нормализация.
- •3. Закалка.
- •3. Изотермическая закалка.
- •4. Закалочные среды.
- •Химико-термическая обработка
- •2.Цементация.
- •3.Азотирование.
- •4.Цианирование.
3. Закалка.
В большинстве случаев при закалке стремятся получить структуру наивысшей твердости, т.е. мартенсит. При полной закалке сталь переводят в однофазное состояние (в аустенит), т.е. нагревают выше критических температур Ас3 и Аст. При неполной – до межкритических температур – между Ас1 и Ас3.
Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке, оптимальная температура нагрева на 30÷500С больше Ас3.
При нагреве образуется мелкокристаллический аустенит; после охлаждения, соответственно, - мелкокристаллический мартенсит. Недогрев до Ас3 приводит к неоднородности структуры (сохраняется кристаллический феррит).
Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура нагрева углеродистых и низколегированных сталей – Ас1+30÷500С. После закалки структура заэвтектоидной стали состоит из мартенсита и цементита. Твердость, из-за присутствия цементита выше, чем при полной закалке.
Для высоколегированных сталей ледебуритного класса (за т. Е) используют температуры, близкие к эвтектической (11470С). Получают красностойкий мартенсит [красностойкость – способность сохранять твердость в нагретом состоянии]. Такую закалку называют закалкой на вторичную твердость.
Закалку при температуре 900-10000С называют закалкой на первичную твердость. Получают износостойкие стали.
Охлаждение при закалке.
Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую скорость – υкр.
υкр для углеродистых сталей от 1400 до 4000С/с. Такое резкое охлаждение достигается погружением изделий в холодную воду или воду с добавками NaOH. Легированные стали приобретают мартенситную структуру при охлаждении в холодных или подогретых маслах, а высоколегированные можно охлаждать на воздухе.
Иногда закалка сопровождается короблением. Коробление и растрескивание вызываются остаточными напряжениями, возникающими при закалке.
Величина напряжений значительно уменьшается при закалке в 2-х средах и ступенчатой закалке.
Закалка в 2-х средах осуществляется следующим образом:
После нагрева изделие погружается на определенное время в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение температурного района минимальной устойчивости аустенита, а затем переносится в более мягкую среду, обычно в масло.
При ступенчатой закалке изделие, нагретое до температуры закалки, переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50-1000С больше мартенситной точки Мн, выдерживают недолго, чтобы выровнять температуру по сечению, а затем окончательно охлаждают на спокойном воздухе. Такой способ охлаждения дает возможность получать мартенсит в легированных сталях с достаточно высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в районе температур перлитного превращения.
ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ЗАКАЛКЕ
Тепловые напряжения.
Фазовые напряжения.
Изотермическая закалка.
Закалочные среды.
При закалке металлов возникают внутренние напряжения. Причины могут быть различными. Неравномерное охлаждение поверхности и сердцевины изделий вызывает напряжения, называемые тепловыми. Из-за изменений объема, а также неоднородности протекания мартенситного превращения по объему изделия возникают напряжения, называемые структурными или фазовыми.
Тепловые напряжения для процесса охлаждения отожженной стали от температуры ниже Ас1 (7270С) характерны. Только фазовые напряжения в этом случае отсутствуют.
При быстром охлаждении распределение температур по сечению изделия неодинаково и изменение объема также неравномерно. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние. Но, этому процессу препятствуют внутренние слои, вследствие чего в поверхностных слоях образуются временные (исчезающие после снятия нагрузки) растягивающие напряжения. Во внутренних слоях одновременно возникают сжимающие напряжения. Даже тогда, когда поверхность охладится и прекратится изменение объема, сердцевина еще будет испытывать тепловое сжатие. Напряжения начнут уменьшаться, и, в какой-либо момент произойдет изменение знака напряжений на поверхности и в сердцевине.
После окончательного охлаждения на поверхности получаются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – напряжения растяжения (рис. а).
Эпюры остаточных напряжений:
а) тепловые б) структурные в) суммарные
Появление остаточных напряжений – это результат того, что временные напряжения вызывают как упругую, так и пластическую деформацию слоев по сечению.
2. Фазовые и суммарные напряжения.
Рассмотрим условия возникновения фазовых напряжений при полной прокаливаемости (без учета тепловых напряжений).
Когда при закалке достигается температура ниже т. Мн, мартенсит в 1-ую очередь образуется на поверхности, т.к. здесь т. Мн будет достигнута раньше, чем в сердцевине. Известно также, что превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема, поэтому на поверхности возникают временные сживающие напряжения, а во внутренних слоях – растягивающие напряжения. С развитием превращения знак напряжений на поверхности и в сердцевине изменяется.
По сравнению с тепловыми напряжениями структурные изменяются в обратном порядке. В результате мартенситного превращения на поверхности образуются остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине – напряжения сжатия (рис. б). Эти остаточные напряжения, как и тепловые, возникают в результате появления под действием временных напряжений не только упругой, но и неодинаковой по сечению остаточной деформации.
При закалке стали возникают как тепловые, так и фазовые напряжения одновременно, поэтому их суммируют (рис. в). В данном случае (согласно приведенной схеме) тепловые напряжения больше структурных, поэтому на поверхности образуются напряжения сжатия.
В зависимости от соотношения между тепловым и структурными напряжениями могут получиться различные эпюры суммарных напряжений. Напряжения в поверхностных слоях могут иметь различный знак и величину. Часто величина фазовых напряжений больше тепловых.
Следует отметить, что остаточные напряжения всегда меньше временных напряжений, образующихся в процессе охлаждения.
Если металл мало пластичен и величина напряжений превышает сопротивление отрыву, то в результате происходит образование трещин. Наиболее опасны при этом растягивающие напряжения на поверхности, способствующие образованию трещин и снижающие предел выносливости стали.
Растягивающие напряжения возникают в основном вследствие структурных напряжений, которые стремятся уменьшить. Структурные напряжения тем больше, чем выше температура закалки и скорость охлаждения в интервале температур Мн и Мк. Чтобы снизить структурные напряжения, замедляют скорость охлаждения ниже т. Мн и избегают перегрева стали.