Термическая обработка металлов и сплавов (т/о)

Т/о называют процессы теплового воздействия по определённым режимам с целью изменения структуры и свойств сплава.

Промежуточная (предварительная) т/о может выполняться также для устранения вредных побочных явлений, вызванных предыдущими процессами при изготовлении деталей; подготовки детали к следующей опера­ции; и т. д.

Применяют раз­личные виды т/о металла: отжиг; нормализацию; закалку; отпуск; старение.

Превращения в металлах при нагревании и охлаждении

Первое превращение при нагревании стали происходит при температуре около 727°С линия PSK — это пре­вращение П в А — обозначается Ас_1. При этой темпе­ратуре, вследствие аллотропического превращения а-железа в у-железо, образуется более равновесная, чем перлит, фаза аустенита. В ней растворяется весь находившийся в перлите углерод.

На линиях SG и SE находятся критические температуры, при которых сталь приобретает равновесную однофазную структуру аустенита. Точки на линии SG обозначают Ас₃, а на линии

SЕ - Acm

В соответствии с режимом термической обработки после на­гревания и выдержки стали при заданной (зависящей от содер­жания углерода) температуре следует процесс охлаждения аусте­нита. По достижении определенной температуры (точки на ли­нии SG) аустенит доэвтектоидной стали начнет распадаться (А -► Ф + А), и сталь снова будет состоять из двух фаз (Ф + А). Данный процесс протекает равновесно, если их химический со­став изменяется соответственно по линиям PG и SG.

Достигаемая при охлаждении критическая температура, со­ответствующая началу выпадения феррита из аустенита, зависит от содержания в стали углерода.

Когда температура достигнет изотермы PSK, равновесный фазовый состав стали будет представлен ферритом и аустенитом, содержащими соответственно 0,02 и 0,8 % С.

При температуре ниже 727°С аустенит превращается в пер­лит. Таким образом, при медленном охлаждении, получается исходный структурно-фазовый состав доэвтектоидной стали: Ф + П.

Аустенит заэвтектоидной стали после медленного охлаждения превращается в исходную смесь перлита и цементита (П + Ц). При этом, начиная с температур, соответствующих линии SE, из него будет выделяться избыточный углерод в виде вторичного це­ментита, а при температуре 727 °С сталь приобретает исходную равновесную заэвтектоидную структуру: П + Ц.

Сплав с такой равновесной структурой имеет низкие проч­ностные свойства. Это обусловлено тем, что при достаточно медленном охлаждении в доэвтектоидной стали формируются довольно крупные зерна избыточного феррита.

Если же сталь быстро переохладить из аустенитного состоя­ния до температуры Аг_и то аустенит будет претерпевать превра­щение. Так, эвтектоидная сталь будет представлена образовани­ем тонкой механической смеси феррита и цементита, т. е. фазы, очень отличающейся по концентрации углерода. При температу­рах, близких к Аг_х, пластинки из феррита и цементита растут, среднее значение толщины двух смежных пластинок (феррита и цементита) достигнет 0,6—1,0 мкм. Такую структуру называют пластинчатым перлитом.

При переохлаждении в 100—120 °С пластинки феррита и це­ментита увеличатся лишь до толщины в 0,25—0,30 мкм. Такую структуру называют сорбитом.

Если переохлаждение достигнет 180—200 °С, рост пластинок остановится в самом начале и составит 0,1—5—0,15 мкм. Такую структуру называют трооститом.

Таким образом, структуры диффузионной перекристаллиза­ции аустенита — перлит, сорбит и троостит — являются пла­стинчатыми ферритно-цементитными структурами и различают­ся лишь по степени дисперсности пластинок.

Механические свойства пластинчатых структур эвтектоидного типа:

Наивысшие значения относительного удлинения и относительного сужения имеет сорбит. При переходе к трооститу пластичность умень­шается .

При большем переохлаждении аустенита (до 240 °С и ниже) происходит его бездиффузионный распад, при котором атомы железа из решетки у перестраиваются в решетку а, а углерод не успевает выделиться и образовать частички цементита. Он остается растворенным в решетке а, образуя пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе, который называют мартенситом. Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость. С увеличением в нем содержания углерода она возрас­тает. Так, в стали с содержанием углерода 0,6—0,7 % твердость мартенсита в 6 раз больше твердости феррита. В то же время большой удельный объем мартенсита является причиной возник­новения при закалке больших внутренних напряжений, которые вызывают деформацию изделия и даже трещины.

Режим термической обработки должен выбираться и с уче­том возможности управления прочностью путем регулирования размера зерен — структурных составляющих стали.

. Отжиг

Отжиг — разупрочняющая т/о, которая заключается в на­гревании до определенной температуры, выдерживании при этой температуре и медленном охлаждении (обычно вместе с печью).

Цели: перекристаллизация стали (измельчение зерна), снижение твёрдости для улучшения обрабатываемости, повышения пластичности, умень­шения остаточных напряжений, устранения внутрикристаллической ликвации .Часто отжиг является подготовительной т/о.

Различают:

Отжиг первого рода — это отжиг, при котором не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями, поэтому его можно проводить при температурах выше или ниже Ас₁ и Ас_3.

Отжиг первого рода делится на:

Диффузионный отжиг (Гомогенизация ) . Для отливок и слитков из легированных сталей

с целью уменьшения ликвации (неоднородности) сплава, которые приводят к понижению пластичности и вязкости к таким дефектам как трещины. Нагрев до 1100-1200^{0 (}высокотемпературный отжиг), т.к. при этом более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава. Время выдержки от 2 до 48 часов.

После гомогенизации металл обладает по­вышенной пластичностью и легко поддается пластической де­формации.

Рекристаллизационный отжиг. Холодная пластическая де­формация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Происходит изменение формы зерен: они сплющиваются, вы­тягиваются в направлении главной деформации. Прочность металла постепенно увеличивает­ся, а пластичность снижается. Дальнейшая деформация такого металла невозможна, так как происходит его разрушение. Для снятия эффекта упрочнения (наклепа) применяют рекристаллизационный отжиг, который заключается в нагревании металла до температур выше начала кристаллизации, его выдержке с последующим медленным охлаждением. Для чистых металлов температура начала рекри­сталлизации Трек_р = 0,4Т_пл, где Т_пл — температура плавления; для обычных сплавов Трек = 0,6Т_пл; для сложных термопрочных сплавов Трек = 08Т_пл Продолжительность такого отжига зависит от разме­ров детали и в среднем составляет от 0,5 до 2 ч. Металл возвращается в исходное состояние, т. е. становится более пластичным.

Отжиг для снятия внутренних напряжений. Это могут быть термические напряжения, возник­шие в результате неравномерного нагревания, разной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформа­ции, литья, сварки, шлифовки и резания, или структурные на­пряжения, появившиеся в результате структурных превраще­ний, которые происходят внутри детали в разных местах с раз­ной скоростью. Они, накладываясь на рабочие напряжения, могут превысить предел прочности, что приведет деталь к разруше­нию. Устранить внутренние напряжения можно с помощью от­жига при температуре ниже температуры рекристаллизации: Т_отж = 0,2—0,3Тпл . Продолжительность такого отжига составляет несколько часов.

Отжиг второго рода — термическая обработка, направленная на получение равновесной структуры в металлах и сплавах, ис­пытывающих фазовые превращения; заключается в нагревании вещества до температуры выше точек Ас₃ или Ас₁ выдержке и охлаждении

Отжиг второго рода часто использует как подготовительную и окончательную обработку.

Он может уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние напряжения, т. е. полностью изменить структуру и свойства детали.

Может быть:

Полный отжиг Цели — устранение пороков структуры возникших при предыдущей обработке (литье, горячей деформа­ции или сварке), снижение твёрдости, уменьшение напряжений.

Нагрев для доэвтектоидной стали до температуры на 30—50 °С выше температуры Ас₃ , выдержке для полного прогревания металла и последующем медленном охлаждении чаще вместе с печью. Структура феррит +перлит

Неполный отжиг для заэвтектоидных сталей. Нагрев выше линии Ас₁ на 30—50 °С, выдержка, медленное охлаждение. Структура П+Ц

Изотермический отжиг — термическая обработка, при кото­рой после нагревания до температуры выше Ас_ъ на 50—70 °С сталь ускоренно охлаждают до температуры изотермической вы­держки, которая находится ниже точки Ас₁ на 100—150 °С; затем выполняют ускоренное охлаждение на воздухе.

Преимущества изотермического отжига:

• сокращается время обработки по сравнению с обычным отжигом;

• получается более однородная структура;

• улучшается обрабатываемость резанием и повышается чис­тота поверхности детали.

Изотермическому отжигу подвергаются штамповки, заготов­ки инструментов и других изделий небольших размеров.