Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и методы технологического воздействия на среду и объекты с помощью термической обработки материалов в сельскохозяйственном производстве. Учебно.pdf
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Департамент научно-технологической политики и образования
ФГБОУ ВО Южно-Уральский государственный аграрный университет
Институт агроинженерии
Н. И. Олейник, В. Б. Кульневич,
Е. В. Малькова, В. В. Качурин
Теория и методы
технологического воздействия на среду и объекты
с помощью термической обработки материалов
в сельскохозяйственном производстве
Учебное пособие
Челябинск
2020
УДК 621.78
ББК 34.651
О-53
Олейник, Н. И.
О-53
Теория и методы технологического воздействия на среду
и объекты с помощью термической обработки материалов
в сельскохозяйственном производстве [Текст] : учеб. пособие
/ Н. И. Олейник, В. Б. Кульневич, Е. В. Малькова, В. В. Качурин. –
Челябинск : ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, 2020. – 94 с.
ISBN 978-5-88156-856-6
В учебном пособии изложена сущность превращений при нагреве
и охлаждении стали. Даны рекомендации по применению того или иного
вида и режима термической обработки для сталей, чугунов и электротехнических материалов.
Учебное пособие предназначено для обучающихся очной и заочной
форм обучения по направлениям: 35.03.06 Агроинженерия, 23.03.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов, 23.05.01 – Наземные транспортно-технологические средства. Материал может быть полезен
при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также инженерам-механикам, работающим на предприятиях агропромышленного комплекса.
УДК 621.78
ББК 34.651
Рецензенты
Ф. Н. Граков – канд. техн. наук, доцент (ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ)
А. Г. Игнатьев – д-р техн. наук, доцент (ФГАОУ ВО «Южно-Уральский
государственный университет (НИУ)»)
Ответственный за выпуск
А. В. Старунов – канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой ТСМОиБЖ
(ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ)
Печатается по решению учебно-методического совета
ФГБОУ ВО Южно-Уральского ГАУ
Учебное пособие рекомендовано учебно-методической комиссией кафедры «Технический сервис машин, оборудования и безопасность жизнедеятельности» к использованию в учебном процессе и размещению в электронном каталоге НБ ЮУрГАУ.
© Н. И. Олейник, В. Б. Кульневич,
Е. В. Малькова, В. В. Качурин, 2020.
ISBN 978-5-88156-856-6
© ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, 2020.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………5
1 Основы термической обработки.……………………………….6
1.1 Виды термической обработки.……………………………….6
1.2 Превращения в стали при нагреве……………………………8
1.2.1 Превращение перлита в аустенит (П→А)……………9
1.2.2 Перлитное превращение аустенита (А→П)…………12
1.2.3 Изотермическое превращение……………………….14
1.2.4 Мартенситное превращение…………………………17
1.2.5 Бейнитное превращение аустенита…………………20
1.3 Отпуск сталей.……………………………………………….20
1.3.1 Распад мартенсита (первое превращение)…………21
1.3.2 Превращение остаточного аустенита
(второе превращение).……………………………….22
1.3.3 Снятие внутренних напряжений и карбидное
превращение (третье превращение)…………………22
1.3.4 Коагуляция карбидов (четвертое превращение)……22
1.3.5 Влияние отпуска на механические свойства………24
Контрольные вопросы……………………………………………25
2 Практика термической обработки стали……………………26
2.1 Основы термической обработки…………………………….26
2.2 Режим термической обработки…………………………….27
2.3 Технология термической обработки……………………….29
2.4 Практика термической обработки стали……………………30
2.4.1 Отжиг………………………………………………….31
2.4.2 Закалка……………………………………………….36
2.4.3 Отпуск…………………………………………………42
2.4.4 Поверхностная закалка……………………………….44
Контрольные вопросы……………………………………………46
3 Химико-термическая обработка……………………………….47
3.1 Общие положения……………………………………………47
3.2 Цементация………………………………………………….49
3.3 Азотирование……………………………………………….53
3.4 Цианирование……………………………………………….56
3
3.5 Химико-термическая обработка деталей
сельскохозяйственного машиностроения………………….57
3.6 Диффузионная металлизация……………………………….59
3.6.1 Алитирование…………………………………………60
3.6.2 Хромирование……………………………………….61
3.6.3 Борирование………………………………………….62
3.6.4 Силицирование……………………………………….63
3.6.5 Технический контроль химико-термической
обработки…………………………………………….64
Контрольные вопросы……………………………………………65
4 Термическая обработка электротехнических материалов…66
4.1 Общие положения……………………………………………66
4.2 Виды термической обработки электротехнических
материалов……………………………………………………66
4.3 Назначение и режим различных операций
термической обработки.…………………………………….67
4.3.1 Рекристаллизационный отжиг……………………….67
4.3.2 Закалка медных и алюминиевых сплавов…………69
4.3.3 Закалка и отпуск постоянных магнитов……………71
4.3.4 Термическая и термомагнитная обработка
магнитотвердых материалов…………………………72
Контрольные вопросы……………………………………………73
5 Термическая обработка чугуна……………………………….74
5.1 Основные положения.……………………………………….74
5.2 Термическая обработка серого чугуна……………………75
5.3 Термическая обработка высокопрочного чугуна…………77
5.4 Термическая обработка ковкого чугуна……………………80
Контрольные вопросы……………………………………………82
Заключение……………………………………………………………83
Список литературы.………………………………………………….84
Приложения………………………………………………………….85
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, основу современных наиболее распространенных конструкционных материалов составляют металлы и их сплавы.
Металлы обеспечивают такие важные для конструкционных материалов свойства, как прочность, твердость, вязкость, пластичность,
сопротивление усталости, изнашиванию, коррозии и др.
Прочность металлов, т.е. их способность сопротивляться действию напряжений, является их важнейшим свойством, определяющим назначение металла для изготовления того или иного изделия.
При правильном выборе материалов и надлежащей термообработке
они позволяют получить изделия самого высокого качества.
При выборе материала и его термообработки приходится учитывать всё возрастающие требования конструктора к повышению
механических свойств и облегчению веса деталей.
В учебном пособии изложена сущность превращений при нагреве и охлаждении стали. Даны рекомендации по применению того
или иного вида и режима термической обработки для сталей, чугунов и электротехнических материалов.
Материал может быть полезен при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также инженерам-механикам, работающим на
предприятиях агропромышленного комплекса.
5
1 ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
1.1 Виды термической обработки
Свойства материалов зависят от двух факторов: химического
состава материала (марки), способа его получения и дальнейшей обработки. Эффективное изменение свойств происходит при термической обработке материалов.
Термическая обработка заключается в нагрев его до определенной температуры, выдержке при этой же температуре и охлаждении
стали и сплавов по определенным режимам с целью изменения внутреннего строения и получения заданных свойств. На результаты
термической обработки оказывают влияние:
– время (скорость) нагрева;
– температура и время выдержки при данной температуре;
– время (скорость) охлаждения.
Процесс термической обработки обычно изображают в виде
графика в координатах температура Т и время τ. Процесс термической обработки может быть простой и сложный (рис. 1.1).
а б
Рис. 1.1. Графики (режимы) термической обработки: а – режим простой
термической обработки; б – режим сложной термической обработки
Классификация основных видов термической обработки была
разработана академиком А.А. Бочваром. Все виды термической обработки можно разделить на четыре группы:
6
1) рекристаллизационный отжиг (1-го рода);
2) отжиг с фазовой перекристаллизацией (2-го рода);
3) закалка
4) отпуск.
Отжиг первого рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла (ТР = 0,4Тпл), имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки, и приводящая металл в более
устойчивое состояние – без фазовых превращений.
Отжиг второго рода – термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры фазового превращения с последующим достаточно медленным охлаждением для получения структурно устойчивого состояния сплава, сопровождающийся фазовыми превращениями (полный и неполный отжиги). При отжиге сталь охлаждают
очень медленно, обычно вместе с печью.
Закалка – термическая операция, состоящая в нагреве выше
температуры фазового превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения неустойчивого состояния сплава. При закалке сталь приобретает высокую твердость.
Закалка с полиморфным превращением (на мартенсит)
В системах полиморфных металлов, а также в системах, образующих эвтектоидное превращение, часто быстрое охлаждение при
закалке подавляет диффузионный распад твердых растворов. Такая
закалка, при которой при быстром охлаждении происходит бездиффузионная перестройка кубической решетки, называется закалкой
с полиморфным превращением или закалка на мартенсит.
Изменение свойств при закалке без полиморфного превращения
Изменение свойств при закалке без полиморфного превращения зависит от исходного структурного состояния сплава и характера фазового превращения при нагреве. После закалки практически
во всех случаях пластичность повышается вследствие устранения
охрупчивающих сплавы избыточных фаз.
Закалка чаще всего используется в составе упрочняющей термообработки, включающей закалку и старение.
Отпуск – термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры фазового превращения для получения более устойчивой структуры сплава. Термин отпуск применяют
7
в тех случаях, когда при закалке материал претерпевает полиморфные превращения.
Возможность или невозможность проведения того или иного
вида обработки определяется на основании анализа диаграмм состояний. Основой для изучения термической обработки стали является
диаграмма состояния железо-цементит. Приведем общепринятые
обозначения критических точек. Критические точки обозначаются
буквой А. Нижняя критическая точка обозначается A1 и соответствует линии PSK диаграммы. Верхняя критическая точка А3 соответствует линии GSE. Чтобы отличить критическую точку при нагреве
от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с при нагреве и r при охлаждении.
Кроме этих основных видов ТО существует еще два сложных
вида:
– химико-термическая обработка (ХТО), при которой нагрев
осуществляется в соответствующей химической среде и, вследствие
этого изменяется химический состав и структура поверхностного
слоя детали;
– термомеханическая обработка (сочетание деформации
и структурных превращений), когда вслед за пластической деформацией сразу следует необходимая термообработка.
1.2 Превращения в стали при нагреве
Рассматривая структурные превращения в стали, следует выделить три основные структуры:
– перлит – эвтектоидная механическая смесь Feα+Fe3С, образующаяся в результате эвтектоидной реакции из аустенита при охлаждении сплавов ниже температуры 727 °С;
– аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе
Feγ(С);
– мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода
в α-железе Feα(С).
При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения (изменение строения).
8
1. Превращение перлита в аустенит (П→А) при нагреве выше
точки А1 = 727 °С (линия PSK диаграммы Fe–Fe3C). Минимальной
свободной энергией их трех основных структур обладает аустенит.
2. Превращение аустенита в перлит (А→П) при медленном охлаждении при температурах ниже точки А1, Feα(С) = Feα+Fe3C.
3. Превращение аустенита в мартенсит (А→М) при быстром
охлаждении при температурах ниже точки А1, Feγ(С) = Feα(С).
4. Превращение мартенсита в перлит Feα(С) = Feα+Fe3C, т.е.
в ферритно-цементитную смесь (М→Ф+Ц) при нагреве мартенсита
до температур ниже А1. Свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита.
Возможность протекания указанных превращений определяется соотношением свободных энергий основных структур. Устойчивой в данных условиях является та структура, которая обладает
минимальным запасом свободной энергии.
1.2.1 Превращение перлита в аустенит (П→А)
Превращение перлит – аустенит (П→А) возможно при небольшом перегреве выше температуры равновесия и является типичным
кристаллизационным процессом. Основной движущей силой этого
процесса является стремление стали снизить запас своей свободной
энергии.
В процессе перехода перлит – аустенит превращение начинается с зарождения центров кристаллизации аустенита и постоянного
роста кристаллов вокруг этих центров.
Первые центры кристаллизации образуются на границах кристаллов цементита и феррита, т.к. здесь сосредоточено наибольшее
количество дислокаций и других несовершенств строения решетки.
Образующийся при этом аустенит имеет около 0,8 % С. Решетка аустенита – ГЦК. Решетка феррита перестраивается в ГЦК, аустенит
распадается – дает углерод. Образовавшийся аустенит неоднороден
по содержанию углерода, поэтому необходима выдержка по времени
для завершения протекания диффузионных процессов.
Таким образом, превращение перлит – аустенит состоит из следующих этапов:
а) образование зерен аустенита;
б) последующий их рост с поглощением феррита и цементита;
9
в) растворение цементита;
г) выравнивание (гомогенизация) по всему объему кристаллов.
После окончания превращения перлит – аустенит сталь состоит
из большого числа аустенитных зерен. С увеличением температуры
и выдержки размер зерен быстро растет (рис. 1.2). По стандарту величину аустенитного зерна оценивают по 8-балльной шкале (×100).
Сталь с номером зерна от 1 до 4 называется наследственно-крупнозернистой, а с номером 5–8 – наследственно-мелкозернистой. Чем
меньше карбиды в перлите, тем мельче зерно.
а б в г
Рис. 1.2. Схема превращений эвтектоидной стали при нагреве: а – исходная
перлитная структура; б – перлит с зародышами аустенита; в – аустенит
с остатками цементита и растворение цементита; г – однородный аустенит
От размера зерна аустенита зависят механические свойства изделия. Особенно чувствительна к размеру аустенитного зерна ударная вязкость, которая заметно падает с укрупнением зерна.
Склонность к росту зерна стали зависит, с одной стороны, от
содержания в ней легирующих элементов – почти все легирующие
элементы (за исключением марганца) тормозят рост аустенитного
зерна. Наиболее сильно замедляют рост аустенитного зерна V, Ti, Al
и Zr. Основной причиной такого действия легирующих элементов
считается образование в аустените карбидов и оксидов этих элементов, которые являются барьерами для растущего зерна.
С другой стороны, склонность к росту зерна стали сильно зависит от технологии производства и режима раскисления, так как они
определяют наличие в стали разного количества мельчайших примесей карбидов, оксидов, сульфидов и нитридов, также затрудняющих
рост зерна.
Рассмотрим «стальную» часть диаграммы железо – цементит
(рис. 1.3).
10