35- основные виды термообработки их цели и задачи

• Отжиг 1 рода (гомогенизация, рекристаллизация, снятие напряжений). Целью является получение равновесной структуры. Такой отжиг не связан с превращениями в твердом состоянии (если они и происходят, то это — побочное явление).

• Отжиг 2 рода связан с превращениями в твердом состоянии. К отжигу 2 рода относятся: полный отжиг, неполный отжиг, нормализация, изотермический отжиг, патентирование, сфероидизирующий отжиг.

• Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки, зависит от химического состава сплава. Закалка может сопровождаться полиморфным превращением, при этом из исходной высокотемпературной фазы образуется новая неравновесная фаза (например, превращение аустенита в мартенсит при закалке стали). Существует также закалка без полиморфного превращения, в процессе которой фиксируется высокотемпературная метастабильная фаза (например, при закалке бериллиевой бронзы происходит фиксация альфа фазы, пересыщенной бериллием).

• Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, а также для придания материалу требуемого комплекса механических и эксплуатационных свойств. В большинстве случаев материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.

• Нормализация. Изделие нагревают до аустенитного состояния (на 30…50 градусов выше АС3) и охлаждают на спокойном воздухе

• Дисперсионное твердение (старение). После проведения закалки (без полиморфного превращения) проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.

• Криогенная обработка — это упрочняющая термическая обработка металлопродукции при криогенных, сверхнизких температурах (ниже минус 153°С).

•  увеличения износостойкости инструмента, деталей и механизмов

•  снижения количества брака

•  сокращения затрат на ремонт и замену технологического оснащения и инструмента.

36- Основные виды ХТО, их цели и задачи

I.Цементация – диффузионное насыщение поверхности малоуглеродистой стали (до 0,35%) углеродом.

II.Азотирование – поверхностное насыщение стали азотом.

Цель: повышает износостойкость (в 2,5 раза больше, чем при цементации), твердость, износостойкость.

III.Нитроцементация – одновременное насыщение стали углеродом и азотом.

IV.Борирование – насыщение поверхности бором.

Износостойкость в 10 раз увеличивается.

V.Силицирование – насыщение поверхности кремнием.

Повышается коррозионная стойкость, насыщение хромом 

37- Закалка на мартенсит. Режимы закалки для до и заэвтектоидных сталей. Структура и свойства.

Упрочнение при закалке

Важнейшее явление, сопровождающее закалку на мартенсит, упрочнение, повышение твердости. Именно благодаря упрочнению и была открыта в древности, а затем широко использована закалка сталей.

Природа сильного упрочнения при закалке сталей представляла загадку на протяжении многих веков. Сейчас кажутся необычайно наивными как средневековые представления о сверхъестественных силах, вызывающих упрочнение при погружении раскаленного клинка в шипящую воду, так и попытки даже на рубеже XX столетия связать высокую твердость закаленной стали с переходом ее углерода в алмаз.

Температура нагрева при закалке доэвтектоидных сталейопределяется следующим образом:

t_зак= Ас₃+ (30 – 50), °С

Заэвтектоидные и эвтектоиднуюстали нагреваются при закалке до температуры:

t_зак= Ас₁+ (30 – 50), °С

Структура закаленной стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита, включений первичных карбидов и мелких вторичных карбидов, выделившихся из первичного аустенита и располагающихся по границам зерен. 

38. закалка на мартенсит. Закаливаемость, прокаливаемость.

При закалке сплавов на основе полиморфных металлов, в том числе сталей, быстрое закалочное охлаждение с температур высокотемпературной фазы (аустенита - в сталях) подавляя обратное диффузионное превращение, не может подавить перестройки решетки, обусловленной явлением полиморфизма. Поэтому, при закалке сталей такое обратное полиморфное превращение происходит бездиффузионным путем по особому механизму, называемому мартенситным. Образующаяся структура называется мартенситом. На микроструктуре она имеет игольчатый характер, что обусловлено рассечением плоскостью шлифа очень тонких, располагающихся под углом друг к другу пластинчатых кристаллов мартенсита. Мартенсит в стали - это пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе. Кристаллическая решетка мартенсита аналогична ОЦК решетке равновесной при комнатной температуре фазе - ферриту. Однако она имеет тетрагональное искажение (вытянутость решетки вдоль одной из осей куба) на величину, пропорциональную степени пересыщения углеродом. Степень тетрагональности (отношение осей решетки с/а) равна:

с/а = 1+0,046 Р,

где Р - содержание углерода, %.

Такое искажение кристаллической решетки является главной причиной упрочнения стали после закалки. Другой причиной упрочнения является фазовый наклеп мартенсита, обусловленный тем, что перестройка решетки при мартенситном превращении сопровождается актами внутрикристаллитной пластической деформации, что вызывает резкое увеличение плотности дислокаций. Третья причина высокой твердости мартенсита связана с частичным распадом мартенсита в период закалочного охлаждения с выделением высокодисперсных карбидных частиц, упрочняющих сталь.

Закаливаемость – способность стали повышать твёрдость при закалке. Закаливаемость зависит от содержания углерода в мартенсите: чем больше в нем углерода, тем выше его твердость.

Прокаливаемость – способность стали получать структуру мартенсита на определённую глубину. Она характеризуется критическим диаметром: DКР – максимальный диаметр цилиндрического образца, в центре которого после закалки образуется мартенситная структура (сквозная прокаливаемость) или структура полумартенсита (50% мартенсита + 50% троостита).

39. Отпуск стали и его виды. Режим, микроструктура, свойства стали после отпуска, применение.

Отпуском называется операция термической обработки, состоящая в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической АC1, выдержке при этой температуре и последующем медленном или быстром охлаждении. Цель отпуска — устранить или уменьшить напряжения в стали, повысить вязкость и понизить твердость. Отпуск является заключительной операцией термической обработки, и правильное выполнение его в значительной степени определяет качество готовой закаленной детали. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск достигается нагревом до температуры 150—250° С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. При выдержке во время отпуска в указанном интервале температур мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска, при этом внутренние напряжения частично снимаются и остаточный аустенит превращается в мартенсит отпуска. В результате низкого отпуска сталь сохраняет высокую твердость, а иногда твердость повышается за счет распада остаточного аустенита; устраняется закалочная хрупкость. Такой отпуск применяют для режущего инструмента и изделий, которым необходима высокая твердость. Превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска способствует стабилизации размеров детали, что необходимо для измерительного инструмента, изготовляемого из инструментальной стали. Этому инструменту также дают низкий отпуск. Средний отпуск производят при 300—500° С. Твердость стали заметно понижается, вязкость увеличивается. Средний отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при средней твердости. Высокий отпуск происходит при 500—600° С, его основное назначение — получить наибольшую вязкость при доста­точных пределах прочности и упругости стали. Применяют этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, подвергающихся действию высоких напряжений, особенно при ударной нагрузке Для деталей различных машин и станков обычно применяют термическую обработку, состоящую в закалке споследующим высоким отпуском при температуре, обеспечивающей получение сорбита отпуска и хорошего сочетания прочностных и пластических свойств. Т акая термическая обработка называется «улучшением стали». Нагрев при отпуске можно производить в тех же печах, которые применяют для других видов термической обработки, но он требует более равномерной температуры и более точного контроля. УЛУЧШЕ́НИЕ СТА́ЛИ, двойная термическая обработка — закалка на мартенсит с последующим высоким отпуском для получения однородной дисперсной структуры сорбита, обеспечивающей хорошее сочетание прочности, пластичности, ударной вязкости и критической температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние.

40. Диффузионная металлизация метала. Цель и задачи.

Диффузионная металлизация – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной метализации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH₄Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL₂ образуется соединение хлора с металлом (AlCl₃, CrCl₂, SiCl₄), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная металлизация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.

Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200^oС) в течение длительного времени.

Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200^oС изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

Исключительно высокой твердостью (2000 HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB₂) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.

41. Атомо-кристаллическая структура. Типы элементарных кристаллических ячеек. Температурный полиморфизм и его практическое значение.

Кристалли́ческая структу́ра — такая совокупность атомов, в которой с каждой точкой кристаллической решётки связана определённая группа атомов, называемая мотивной единицей, причём все такие группы одинаковые по составу, строению и ориентации относительно решётки. Можно считать, что структура возникает в результате синтеза решётки и мотивной единицы, в результате размножения мотивной единицы группой трансляции.

В простейшем случае мотивная единица состоит из одного атома, например в кристаллах меди или железа. Возникающая на основе такой мотивной единицы структура геометрически весьма сходна с решёткой, но все же отличается тем, что составлена атомами, а не точками. Часто это обстоятельство не учитывают, и термины «кристаллическая решётка» и «кристаллическая структура» для таких кристаллов употребляются как синонимы, что нестрого. В тех случаях, когда мотивная единица более сложна по составу — состоит из двух или большего числа атомов, геометрического сходства решётки и структуры нет, и смешение этих понятий приводит к ошибкам. Так, например, структура магния или алмаза не совпадает геометрически с решёткой: в этих структурах мотивные единицы состоят из двух атомов.

Основными параметрами, характеризующими кристаллическую структуру, некоторые из которых взаимосвязаны, являются следующие:

• тип кристаллической решётки (сингония, решётка Браве);

• число формульных единиц, приходящихся на элементарную ячейку;

• пространственная группа;

• параметры элементарной ячейки (линейные размеры и углы);

• координаты атомов в ячейке;

• координационные числа всех атомов.

Термодинамика и кинетика полиморфизма[править | править вики-текст]

При заданных условиях (температура, давление и др.) одна из модификаций является термодинамически стабильной, другие — метастабильными. При изменении условий может оказаться стабильной другая модификация. Условия, при которых стабильна каждая из модификаций, изображаются на фазовой диаграмме соответствующего вещества. Переход из метастабильной модификации в стабильную, выгодный термодинамически, не всегда можно наблюдать на практике, так как он зачастую связан с кинетическими затруднениями. Примером является алмаз, полиморфная модификация углерода, которая при нормальных условиях метастабильна, но существует неограниченно долго. Это объясняется тем, что для перестройки кристаллической решётки требуется преодолеть энергетический барьер. Во многих случаях удаётся закалить высокотемпературную модификацию до комнатной температуры. Не удаётся закалить высокотемпературную фазу в случае мартенситных превращений, характеризующихся бездиффузионным переходом.

42. Дефекты атомо-кристалической структуры. Дислокационная структура. Влияние плотности дислокаций на прочность стали. Основные способы упрочнения стали.

Линейные дефекты кристаллического строения

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Дислокации бывают двух видов: краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости Неполная плоскость называется  экстраплоскостью.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки)(рис. 2).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная ( ). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.

Винтовая дислокация (была описана Бюргерсом) получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 3) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.

Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала

Поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов

Способы упрочнения. Термические Упрочнению термической обработкой подвергаются 8-10 % общей выплавки сталей. В машиностроении объём термического передела составляет до 40% стали.

Механические[править | править вики-текст]

Механические свойства деталей улучшаются пластической деформацией или поверхностным наклёпом. Эти методы широко используются в промышленности для повышения сопротивляемости малоцикловой и многоцикловой усталости деталей машин.

Химико-термические[править | править вики-текст]

Основная статья: Химико-термическая обработка металлов

Деталь помещают в среду, богатую элементом, который диффундирует в металл.

43. Критические точки в стали и их практическое значение. Связь между действительным зерном аустенита и действительным зерном стали.

Критические точки обозначают буквой А. Нижняя критическая точка соответствует линии PSK диаграммы состояния железо-углерод. Эта точка называется А1 и соответствует превращению аустенита в перлит при охлаждении или перлита в аустенит при нагреве. Верхняя критическая точка называется А3. Критическая точка А3 для доэвтектоидных сталей лежит на линии GS диаграммы железо-углерод и соответствует началу выделения феррита при охлаждении или концу его растворения при нагреве. Критическая точка А3 для заэвтектоидных сталей лежит на линии SE и соответствует началу выделения вторичного цементита при охлаждении или концу его растворения при нагреве.

В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс “с” при нагреве (от французского слова chauffage – нагрев) и индекс ”r” (от французского слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.

Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии GS обозначается как нагрев выше точки Аc3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как Аr3, второе (на линии РSК) - как Аr1. Точку А3 для заэвтектоидных сталей обычно обозначают Аcm.

Точка Mn в таблице обозначает температуру начала мартенситного превращения.

При термической обработке сталей, значения критических точек чаще всего используют чтобы определить температуру нагрева под закалку.