книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

прошлого века. В этот период проблема изготовления стальных орудийных стволов высокой и гарантированной прочности была чрезвычайно острой. Выдающиеся металлурги того времени, в том числе генерал П. М. Обухов, знали рецепты плавки и литья стали, но, несмотря на это, при учебной стрельбе разрывы стальных ору­

дий случались очень часто.

Много стальных крупповских орудий без видимых причин ра­ зорвалось в войну Пруссии с Австрией в 1866 г. Наступил кризис доверия к стали как материалу для орудийных стволов и начался

возврат к бронзовым пушкам.

В 1866 г. на Обуховский сталелитейный завод в Петербурге был приглашен на должность техника молотового цеха Дмитрий Константинович Чернов (1839—1921 гг.). В 1868 г. в Русском тех­ ническом обществе Чернов делает знаменитый доклад «Критиче­ ский обзор статей гг. Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные Д. К. Чернова исследования по этому же предмету»1. В этом докладе он сообщает результаты работы по выяснению причин брака стальных поковок. Наблюдая под мик­ роскопом шлифы, приготовленные из дул орудий, и изучая под лу­ пой строение изломов в месте разрыва, Чернов пришел к выводу, что сталь тем прочнее, чем мельче ее структура. Тогда он «стал искать причину приобретения сталью мелкой структуры». Сравни­ тельные исследования стали после ковки при разных температу­ рах показали, что «изменения в структуре стали нужно отнести к влиянию температуры, но не собственно механической обработки». После этого необходимо было для каждого сорта стали с опреде­ ленным содержанием углерода найти температуры, при которых изменяется структура. Чернов высказал гениальное предположе­ ние, что еле заметные поверхностные изменения, обнаруживае­ мые в темноте на охлаждающейся раскаленной поковке при двух температурах, связаны с глубокими внутренними изменениями структуры. Эти температуры Чернов определил на глаз и обозна­ чил точками а и Ь. «Сталь, как бы тверда она ни была, будучи на­ грета ниже точки а, не принимает закалки, как бы быстро ее ни охлаждали». Чтобы получить мелкозернистый излом, необходимо нагреть сталь немного выше точки Ь.

Таким образом, Д. К. Чернов в 1868 г. открыл внутренние структурные превращения в стали и связал с ними тепловой ре­ жим ковки и технологию термообработки. Тем самым великий русский металлург заложил научные основы термической обра­ ботки.

Основополагающий доклад Д. К. Чернова был переведен на иностранные языки, и предложенные им правила обработки стали вошли в практику заводов разных стран. Работы Чернова в обла­ сти металловедения и термической обработки получили мировое признание. Известный американский металловед А. Совёр, обра­

10

летай были накоплены обширные сведения о закономерностях из­

часто и реиГающее влияние на механизм и закономерности струк­ турных изменений.

Одновременно с развитием теоретических представлений со­ вершенствовались старые и разрабатывались новые способы тер­ мообработки, например термомеханическая обработка, и созда­ вались новые термически упрочняемые сплавы.

Итогом многочисленных исследований явилась стройная тео­ рия термической обработки, которая позволяет научно обоснован­ но разрабатывать технологические процессы и получать сплавы с заданными свойствами.

Классификация видов термической обработки

Любой процесс термической обработки можно описать графи­ ком, показывающим изменение температуры во времени. По тако­ му графику можно определить температуру нагревания, время на­ гревания и охлаждения, средние и истинные скорости нагревания и охлаждения, время выдержки при температуре нагревания и об­ щую продолжительность производственного цикла. Но по форме этого графика ничего нельзя сказать о том, с каким видом термо­ обработки мы имеем дело. Вид термообработки определяется не характером изменения температуры во времени, а типом фазовых и структурных изменений в металле. Основываясь на последнем признаке, А. А. Бочвар разработал классификацию, охватываю­ щую многочисленные разновидности термической обработки чер­ ных и цветных металлов и сплавов.

На основе классификации А. А. Бочвара Комиссией по стан­ дартизации Совета Экономической Взаимопомощи были разрабо­ таны классификация видов и разновидностей термической обра­ ботки сталей и цветных металлов и сплавов, а также соответству­ ющая терминология. На рис. 1 приведена схема классификации основных видов термической обработки металлов и сплавов.

Термическая обработка подразделяется на собственно терми­ ческую, химико-термическую и термомеханическую (или деформа­ ционно-термическую). Собственно термическая обработка заклю­

12

морфным превращением, закалку без полиморфного превращения, отпуск и старение. Эти виды термической обработки относятся и к сталям, и к цветным металлам и сплавам. Каждый из видов собственно термообработки подразделяется на разновидности,

Рис. 1. Схема классификации основных видов термической обра­ ботки металлов и сплавов

специфические для сплавов на разных основах. Химико-термичес­ кая и термомеханическая обработки имеют разновидности, рас­ сматриваемые в соответствующих главах.

С отдельными видами термообработки приходится сталки­ ваться как с побочными процессами при горячей обработке дав­ лением, литье, сварке и других технологических операциях. На­ пример, частичная или полная закалка встречается при ускорен­ ном охлаждении отливок после их затвердевания. При шлифова­ нии деталей из-за разогрева поверхности может произойти отпуск. При сварке в зоне термического влияния сварного шва можно наб­ людать рекристаллизационный отжиг и т. п. Побочные процессы термообра1ботки бывают полезными, а могут вызывать и нежела­ тельные изменения структуры и свойств изделий.

Производственные названия отдельных процессов термообра­ ботки складывались исторически и основывались не на характере внутренних превращений в металле или сплаве, а на чисто внеш­ них признаках. Поэтому один и тот же термин иногда используют для обозначения разновидностей термообработки, совершенно различных по своей физической сущности. Например, нагревание, выдержку и медленное охлаждение обычно называют отжигом. В холоднокатаной меди такая обработка приводит к рекристалли­ зации и может укрупнить зерно, а в литой углеродистой стали она

13

Р а з д е л п е р в ы й

ОТЖИГ ПЕРВОГО РОДА

При литье, обработке давлением, сварке и других технологиче­ ских процессах в структуре металлов и сплавов возникают откло­ нения от равновесного состояния. Отжиг 1-го рода частично или полностью устраняет эти отклонения и тем самым приводит ме­ таллы и сплавы в более равновесное состояние. В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают следующие разновидности отжига 1-го рода: гомогенизанионный, дорекристаллизационный смягчающий, дорекристаллизационный упрочняющий, рекристаллизационный и уменьшаю­ щий напряжения отжиг. Процессы, устраняющие отклонения от равновесного состояния, идут самопроизвольно, и нагрев при от­ жиге 1-го рода проводят лишь для ускорения этих процессов.

Основные параметры отжига 1-го рода — температура нагре­ вания и время выдержки при этой температуре. Скорости назрева­ ния и охлаждения имеют подчиненное значение.

Отличительная особенность отжига 1-го рода по сравнению с отжигом 2-го рода состоит в том, что его проведение не обуслов­ лено фазовыми превращениями в твердом состоянии.

Г л а в а I

ГОМОГЕНИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ

Гомогенизационный отжиг предназначен для устранения по­ следствий дендритной ликвации. Этот отжиг применяют, как пра­ вило, к литым и реже — к деформированным сплавам.

§1. НЕРАВНОВЕСНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СПЛАВОВ

Всплаве X (рис. 2) после некоторого переохлаждения распла­ ва образуются кристаллы твердого раствора состава точки а. Эти кристаллы растут при охлаждении сплава в интервале кристалли­ зации. Состав последовательно кристаллизующихся слоев при любой температуре определяется соответствующей точкой на кри­ вой равновесного солидуса, например точкой а при U и точкой b

точку ликвидуса. В равновесных условиях при любой температуре з интервале кристаллизации точка на линии солидуса определяет химический состав по всему объему твердого раствора, а не толь­ ко в поверхностном слое кристаллов. Например, при температуре

15

t2 кристаллы твердого раствора должны иметь .состав точки b по всему объему. Для этого прежде всего необходима выравниваю­ щая диффузия между .ранее и .позднее образовавшимися .слоями

том В из расплава так, чтобы состав по всему объему твердой фа­ зы соответствовал точке b на линии солидуса.

В реальных условиях кристаллизации при недрерывном пони­ жении температуры выравнивающая диффузия внутри твердой фазы полностью не успевает проходить. Неоднородный по соста­ ву твердый раствор можно охарактеризовать средней концентра­ цией, которая должна лежать левее линии солидуса (рис. 2). На­ пример, при температуре t2 средний состав твердой фазы может характеризоваться точкой f. Состав поверхностного слоя кристал­ ла при температуре t3 определяется точкой с, а средний состав всей твердой фазы должен быть промежуточным между состава­ ми точек [и с. Этот средний состав при температуре t3 характери­ зуется точкой k. Если через точки a, f и k провести кривую, то она будет описывать изменение среднего состава неоднородного твер­ дого раствора при определенной скорости охлаждения.

Кристаллизация твердого раствора заканчивается тогда, когда его средний состав совпадает с составом сплава. Равновесная кри­ сталлизация сплава X заканчивается при температуре t4 в точке d. В неравновесных условиях средний состав твердого раствора при этой температуре (точка р) не совпадает с составом сплава. От­ ношение pd/pl характеризует относительное .весовое количество неравновесной жидкой фазы при температуре t4. Неравновесная кристаллизация будет продолжаться ниже температуры t4 до тех пор, пока средний состав твердой фазы .не совпадет с составом сплава в точке s. В этот момент поверхностный слой кристалла имеет состав точки т. Если диффузия в твердой фазе полностью подавлена, то кристаллизация закончится при температуре плав­ ления компонента В.

16

% (по массе)

% (по массе)

Рис. 5. Неравновесный солидус в системах эвтектического (а) и перитектическото (б) типа

закончиться при температурах ниже пунктирной горизонтали, но степень переохлаждения в обычных условиях сравнительно неве­ лика, и ею можно пренебречь при определении температур конца неравновесной кристаллизации ,по диаграмме состояния.

19