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
При отпуске закаленной стали наблюдаются четыре превращения:
– первое – до 200 °С;
– второе – в интервале температур от 200 °С до 300 °С;
– третье – от 300 °С до 400 °С;
– четвертое – от 400 °С до 600 °С.
После закалки стали получают неравновесную мартенситную
структуру, которая имеет высокий уровень внутренних напряжений,
высокую прочность и твердость в сочетании с низкой пластичностью и вязкостью, поэтому закаленная сталь обязательно подвергается отпуску. Целью отпуска является снижение внутренних напряжений и достижение требуемого комплекса механических свойств.
Отпуск – это вид термической обработки, заключающийся
в нагреве стали, подвергнутой закалке, до температуры ниже А1, выдержке и последующем охлаждении с целью превращения неравновесной структуры в более равновесную. При отпуске происходит
процесс перехода закаленной стали в более устойчивое состояние,
сопровождающийся распадом мартенсита и остаточного аустенита
с образованием в конечном итоге ферритно-цементитных структур.
Характер и скорость протекания этих процессов определяется температурой нагрева при отпуске.
Превращения при отпуске можно зафиксировать с помощью
дилатометра – прибора, который используют для контроля изменения длины образца при нагреве и охлаждении.
1.3.1 Распад мартенсита (первое превращение)
При нагреве закаленной стали в интервале температур от 80 °С
до 200 °С из мартенсита начинает выделяться пересыщающий его
углерод в виде метастабильного карбида, имеющего химический состав, близкий к Fe2C.
Снижение количества растворенного углерода уменьшает тетрагональность мартенсита, в результате его объем уменьшается.
В результате распада мартенсита образуется структура, которую называют отпущенным мартенситом, отличающимся от мартенсита закалки меньшей концентрацией углерода и дисперсными
пластинчатыми включениями карбида.
21
1.3.2 Превращение остаточного аустенита (второе превращение)
При нагреве в интервале температур от 200 °С до 300 °С основным процессом является превращение остаточного аустенита.
В результате образуется структура, состоящая из пересыщенного
α-твердого раствора (мартенсита) и карбидной фазы. Одновременно
продолжается распад мартенсита и начинается превращение карбида в цементит. Второе превращение сопровождается увеличением
длины образца, так как остаточный аустенит имеет меньший объем,
чем продукты его распада.
1.3.3 Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение
(третье превращение)
Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение
(третье превращение) происходит при нагреве закаленной стали до
температуры 350–400 °С и завершается превращением карбида в цементит. Форма карбидных частиц приближается к сфероидальной,
полностью завершается процесс выделения углерода из твердого
раствора (мартенсита). Мартенсит переходит в феррит. Структурные
изменения обеспечивают релаксацию макро- и микронапряжений,
образующихся при закалке. Образовавшуюся в результате третьего превращения дисперсную ферритно-карбидную смесь называют
трооститом отпуска.
1.3.4 Коагуляция карбидов (четвертое превращение)
При повышении температуры нагрева выше 400 °С происходит
коагуляция карбидов (четвертое превращение): укрупнение кристаллов цементита в результате растворения более мелких кристаллов
и роста крупных. Форма кристаллов приближается к сфероидальной. Образующаяся смесь называется сорбитом отпуска.
В отличие от троостита и сорбита, полученных в результате
распада переохлажденного аустенита, троостит и сорбит отпуска
имеют зернистое, а не пластинчатое строение. Сталь с зернистой
структурой имеет более высокие значения пластичности и вязкости
при одинаковой твердости и прочности.
На рисунке 1.8 представлена зависимость твердости закаленной стали от температуры отпуска (превращение М→Ф+Ц).
22
Рис. 1.8. Зависимость твердости закаленной стали от температуры отпуска
(превращение при отпуске закаленной стали)
Из рисунка 1.8 следует:
1) при нагреве до 150 °С твердость практически не уменьшает-
ся, и величина внутренних напряжений не снижается;
2) при нагреве в интервале температур 150–250 °С внутренние
напряжения уменьшаются примерно на 25 %, надежность мартенсита увеличивается, и он называется мартенсит отпущенный, или мартенсит отпуска;
3) при нагреве (выдержке) в интервале температур 250–350 °С
наступает отпускная хрупкость первого рода, которую невозможно
исправить, поэтому в этом интервале нельзя останавливать нагрев
(делать выдержку);
4) при нагреве и выдержке в интервале температур 350–500 °С
мартенсит превращается в мелкозернистую смесь феррит и цементит, при этом внутренние напряжения уменьшаются примерно на
50…75 %. Получившаяся структура называется троостит отпуска
и является самой упругой;
5) при нагреве в интервале температур 500–680 °С происходит
рост зерен феррита и цементита, полностью снимаются внутренние
напряжения, структура называется сорбит отпуска и является самой
надежной. При нагреве в интервале температур 500–600 °С легированных сталей у них возникает отпускная хрупкость второго рода
23
(см. пунктирную линию), которую можно исправить (подавить) за
счет быстрого охлаждения деталей в воде или масле.
Обычно с повышением температуры отпуска ударная вязкость
увеличивается, а скорость охлаждения не влияет на свойства. Но для
некоторых сталей наблюдается снижение ударной вязкости. Этот
эффект называется отпускной хрупкостью, различают отпускную
хрупкость I и II рода.
Отпускная хрупкость I рода «необратима», то есть при повторных нагревах тех же деталей не наблюдается.
Отпускная хрупкость II рода наблюдается у некоторых легированных сталей (при одновременном введении в них хрома и никеля
или марганца) при медленном охлаждении после отпуска в интервале от 450 °С до 650 °С.
Отпускная хрупкость II рода «обратима», то есть при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур дефект может повториться.
Стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650 °С без последующего быстрого
охлаждения.
1.3.5 Влияние отпуска на механические свойства
В результате отпуска механические свойства стали изменяются.
Свойства стали определяются в основном температурой отпуска. Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокотемпературный.
Низкий отпуск осуществляется в интервале температур от
150 °С до 250 °С. Мартенсит закалки переходит в отпущенный мартенсит, прочность и вязкость повышаются незначительного без заметного снижения твердости. Уменьшается внутреннее напряжение.
Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, детали повышенной износостойкости и детали, прошедшие химико-термическую обработку.
Средний отпуск осуществляется при температуре 350–500 °С.
После среднего отпуска сталь имеет структуру троостита отпуска.
Средний отпуск обеспечивает повышение предела упругости и предела выносливости. Средний отпуск применяют в основном для пружин, рессор и штампов.
24
Высокотемпературный (высокий отпуск) осуществляется при
температуре 500–680 °С. Сталь приобретает структуру сорбита отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее для конструкционных сталей
сочетание прочности и вязкости. Твердость и прочность еще более
снижается, но значительно возрастает пластичность и вязкость.
Контрольные вопросы
1. Дайте характеристику мартенсита. Каковы условия образо-
вания мартенсита?
2. Опишите механизм мартенситного превращения.
3. Чем отличается мартенсит закалки от мартенсита отпуска?
4. Как протекает промежуточное превращение в стали и какие
структуры при этом образуются?
5. Какую структуру имеет заэвтектоидная сталь после закалки?
6. Почему заэвтектоидную сталь подвергают неполной закалке?
7. Почему доэвтектоидную сталь подвергают полной закалке?
8. Какие структуры образуются при распаде аустенита в пер-
литной области и чем они отличаются между собой?
9. Назовите основные превращения при отпуске сталей.
10. Чем объяснить высокую твердость мартенсита?
11. Какие структуры приобретает сталь после различных видов
отпуска?
12. Как влияет размер зерна стали на прочность?
13. Как получить требуемую структуру мартенсита?
14. Почему с повышением температуры отпуска уменьшается
твердость и прочность?
25
2 ПРАКТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
2.1 Основы термической обработки
Термической обработкой стали называется технологический
процесс, состоящий из нагрева стальных заготовок, деталей или
инструментов до определенных температур, выдержки и последующего охлаждения с заданной скоростью. Целью термической обработки является изменение структуры стали и получение требуемых
свойств.
Термическая обработка основана на вторичных фазовых превращениях в структуре стали при ее нагреве и охлаждении. Вторичные фазовые превращения (превращения в твердом состоянии)
вызываются аллотропией железа, то есть способностью железа при
нагреве и охлаждении изменять строение кристаллической решетки
→
Feα Feγ.
←
Различные виды термической обработки имеют свои цели, но
каждый из них состоит из последовательности трех операций: нагрев → выдержка в печи → охлаждение. Для того чтобы цель (назначение) данной термической операции была достигнута, необходимо
правильно выбрать (назначить) температуру нагрева, правильно рассчитать время нахождения детали (заготовки) в печи, правильно выбрать охлаждающую среду и метод охлаждения.
Основные виды термической обработки стали – отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Отжиг и нормализация относятся к операциям предварительной обработки. Такой термической обработке подвергаются заготовки (поковки, отливки, сварные заготовки) с целью снижения твердости и улучшения обрабатываемости на металлорежущих станках.
Закалка и отпуск относятся к операциям окончательной термической обработки, применяемой для готовых деталей или инструментов. Целью закалки является получение высокой твердости, прочности и износостойкости. Отпуск служит вспомогательной операцией
после закалки с целью уменьшения хрупкости закаленной стали или
получения требуемого комплекса свойств (высокой упругости, высокой вязкости в сочетании с достаточно высокой прочностью и др.).
26
При разработке технологии необходимо установить:
– режим нагрева деталей (температуру и время нагрева);
– характер среды, где осуществляется нагрев и ее влияние на
материал стали;
– условия охлаждения.
Режимы термической обработки назначают в соответствии
с диаграммами состояния и диаграммой изотермического распада
аустенита.
Нагрев может осуществляться в нагревательных печах, топливных или электрических, в соляных ваннах или в ваннах с расплавленным металлом, пропусканием через изделие электрического тока
или в результате индукционного нагрева.
С точки зрения производительности, нагрев с максимальной
скоростью уменьшает окалинообразование, обезуглероживание
и рост аустенитного зерна. Однако необходимо учитывать перепад
температур по сечению, что ведет к возникновению термических напряжений. Если растягивающие напряжения превысят предел прочности или предел текучести, то возможно коробление или образование трещин.
2.2 Режим термической обработки
Режим термической обработки включает в себя следующие составляющие: скорость нагрева, температуру нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения.
Скорость нагрева выбирается в зависимости от теплопроводности стали (химического состава) и формы детали. Если теплопроводность стали высокая, то и скорость нагрева может быть больше.
При этом следует иметь в виду, что у большинства легированных
сталей теплопроводность ниже, чем у углеродистых, и быстрый нагрев может привести в них к возникновению напряжений и трещин.
Заготовки или детали простой формы по той же причине можно
греть быстрее, чем сложной.
Температура нагрева зависит от состава стали и вида термообработки. Для углеродистых сталей она может быть определенна
по диаграмме Fe3C, для легированных приводится в справочниках.
27
Отметим, что для каждой стали при определенном виде термообработки эта температура величина постоянная.
Продолжительность выдержки зависит главным образом от
размеров деталей и условий нагрева.
Нагрев деталей может осуществляться в газовых или электрических печах и в жидких средах (например, в соляных ваннах).
Скорость охлаждения обычно задают охлаждающей средой (охлаждение в печи, на воздухе, в масле, в воде, в специальных средах.
Любой режим термической обработки определяется двумя факторами: температурой и временем и может быть представлен графически в координатах «время-температура». Температура нагрева для отжига, нормализации и закалки определяется положением
критических точек А1, А3 и Аcm. При изменении времени охлаждения
(скорости охлаждения) изменяется характер фазовых (структурных
превращений) стали, обуславливающих получение разных структур,
имеющих различные свойства. При отжиге и нормализации изделия
охлаждаются медленно (соответственно в печи и на воздухе), а при
закалке – быстро (в воде или масле). Температура нагрева при отпуске не превышает нижней критической точки А1.
tн – температура нагрева; τн, τв и τ
и охлаждения, соответственно
Рис. 2.1. Графическое изображение отжига, нормализации, закалки и отпуска
– время нагрева, выдержки
охл
28
Графическое изображение основных операций термической
обработки показано на рисунке 2.1.
При термической обработке стальных заготовок, деталей или
инструментов могут происходить следующие фазовые превращения.
1. При нагреве выше критических точек А1 и А3 Feα+Fe3С →
Feγ(C), то есть превращение перлита, состоящего из механической
смеси кристаллов феррита и цементита, в аустенит.
2. При медленном охлаждении Feγ(C) → Feα+Fe3С, то есть диффузионное превращение аустенита в перлит.
3. При быстром охлаждении Feγ(C) → Feαт(С), то есть бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.
4. При нагреве закаленной стали не выше нижней точки А1
Feαт(С) → Feα+Fe3С, то есть превращение мартенсита в перлит.
2.3 Технология термической обработки
Разработка технологического процесса термической обработки
является комплексной задачей, для решения которой в конкретных
условиях необходимо найти оптимальный вариант, удовлетворяющий техническим условиям, и его начинают с изучения технических
условий на изделие.
Обычно в технических условиях указываются твердость поверхности изделия, толщина слоя после химико-термической обработки, величина допустимой деформации и другие показатели.
После изучения технических условий выбирают основные операции
термообработки.
Разработка технологического процесса термической обработки
заключается в выборе оборудования и назначении режимов обработки: температуры нагрева, времени нагрева и выдержки, скорости
охлаждения.
Оборудование термических цехов делится на основное, дополнительное и вспомогательное. Основное оборудование предназначено для выполнения технологических процессов термической
обработки. Оно включает печи, ванны, установки токов высокой частоты ТВЧ, закалочные баки и машины, оборудование для обработки
холодом и др.
29
Дополнительное оборудование – моечные машины, дробеструйные и пескоструйные аппараты, травильные установки, правильные прессы и т.п., их используют после выполнения операций
закалки и отпуска.
К вспомогательному оборудованию относятся различные подъемно-транспортные средства: ручные стали, электростали, мостовые
краны, поворотные и передвижные краны, электрические и пневматические подъемники, роликовые и цепные конвейеры, тележки для
загрузки и разгрузки печей, манипуляторы, бункеры для непрерывной загрузки конвейерных печей и печей с пульсирующим подом,
а также вентиляторы, воздуходувки, маслоохладительные и другие
установки.
Применяемое оборудование, прежде всего, нагревательное
устройство, зависит от вида термической обработки – предварительной (отжиг, нормализация) или окончательной (закалка и отпуск).
Отжигу и нормализации подвергаются заготовки с целью снижения твердости и улучшения обрабатываемости, а также для подготовки структуры стали для окончательной термообработки. В этом
случае при нагреве не требуется защита поверхности заготовок от
окисления и обезуглероживания, так как после термообработки проводится механическая обработка заготовок, при которой с поверхности снимается слой металла на глубину, значительно превышающую
глубину возможных дефектов, вызванных длительным нагревом.
Закалке с отпуском подвергаются готовые изделия – детали
и инструменты, а следовательно, необходимо защитить рабочие поверхности от окисления и обезуглероживания, чтобы избежать снижения эксплуатационных свойств изделий (твердости, износостойкости и выносливости). Нагревательные устройства в этом случае
должны обеспечить защиту поверхности изделий от возможных дефектов, вызванных нагревом.
2.4 Практика термической обработки стали
Диаграмма состояния сплавов Fe–Fe3C используется для нахождения и теоретического обоснования оптимального температурного режима обработки стали и чугуна.
30