14. 2. Неполная с температурой нагрева на 30…50 oС выше критической температуры а1:

Тн = А1 + (30..50)о С

Применяется для заэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.

Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму.

Отжиг стали. Отжиг второго рода. Полный отжиг. Неполный отжиг. Полный и неполный отжиг. Изотермический отжиг.

Отжиг стали. Отжиг первого рода. Диффузионный отжиг. Отжиг рекристаллизационный. Отжиг для снятия напряжений. При закалке заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50° выше нижней критической точки Ас1 [Ас1 + (30—50°)], т. е. выше линии SK диаграммы железо — цементит. Так как эта линия горизонтальная и соответствует температуре 727° С, для заэвтектоидной стали можно указать интервал температуры нагрева для закалки 760—790° С. При таком нагреве перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной, структура состоит из аустенита и цементита. После охлаждения со скоростью больше критической аустенит превращается в мартенсит.

15. Деформация — изменение формы и размеров тела под действием напряжений. Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали.

Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других физико-химических процессов, протекающих в металлах, и связанных с изменением объема.

Пластическая деформация металла. Природа пластической деформации. Механизм пластической деформации. Двойникование.

Металл, находящийся в напряженном состоянии, при любом виде нагружения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные.

Рисунок 1 — Схема возникновения нормальных и касательных напряжений в металле при его нагружении

Рост нормальных и касательных напряжений приводит к разным последствиям. Рост нормальных напряжений приводит к хрупкому разрушению. Пластическую деформацию вызывают касательные напряжения.

Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений. При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает. Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется линией ОА (рисунок 2)

Рисунок 2 — Диаграмма зависимости деформации металла от действующих напряжений

Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомных связей, то наблюдается хрупкое разрушение путем отрыва.

Рисунок 3 — Схема упругой деформации и хрупкого разрушения под действием упругих напряжений

а – ненапряженная решетка металла; б – упругая деформация; в, г – хрупкое разрушение в результате отрыва

Зависимость между упругой деформацией ε и напряжением σ выражается законом Гука:

σ = Е * ε, где

Е — модуль упругости.

Модуль упругости является важнейшей характеристикой упругих свойств металла. По физической природе величина модуля упругости рассматривается как мера прочности связей между атомами в твердом теле.

Эта механическая характеристика структурно нечувствительна, т. е. термическая обработка или другие способы изменения структуры не изменяют модуля упругости, а повышение температуры, изменяющее межатомные расстояния, снижает модуль упругости.

Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация (рисунок 4 ). В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.

Рисунок 4 — Схема пластической деформации и вязкого разрушения под действием касательных напряжений

16.Сталь у12 относится к классу углеродистых инструментальных сталей. Аналогичными ей по основным характеристикам являются стали марок у10а, у11а, у10 и у11. Из стали у12, в основном, изготавливаются режущие инструменты, которые будут эксплуатироваться при условиях низкой скорости работы с отсутствием нагревания режущей кромки. Например, надфили, машинные и ручные метчики, плашки для крупов, мелкоразмерные развертки и т. д. Также сталь у12 прекрасно подходит для создания простых по конфигурации измерительных инструментов, например, таких как скобы и гладкие калибры.

Сортамент стали у12 состоит из:

- сортового и фасонного проката (ГОСТы 1435-74, 2590-71, 2591-71 и 2879-69);

- калиброванного прутка (ГОСТы 1435-74, 7417-75, 8559-75 и 8560-78);

- шлифованного прутка и серебрянки (ГОСТы 1435-74 и 14955-77);

- лент (ГОСТы 2283-79 и 21997-76);

- полос (ГОСТы 103-76 и 4405-75);

- поковок и кованых заготовок (ГОСТы 1435-74, 4405-75 и 1133-71).

В состав стали у12 входят следующие дополнительные элементы: кремний (от 0,17 до 0,33%), марганец (от 0,17 до 0,33%), медь (менее 0,25%), никель (до 0,25%), сера (менее 0,028%), углерод (от 1,16 до 1,23%), фосфор (не больше 0,030%), хром (менее 0,20%).

Литера «у» в маркировке стали у12 означает, что данный сплав относится к классу углеродистых сталей. Главным показателем для них является процентное содержание углерода, поэтому оно обязательно указывается в маркировке. После литеры «у» принято ставить число, показывающее содержание углерода в сотых процента. То есть маркировка «у12» означает, что в данном виде углеродистой стали содержится около 1,2% углерода. Отсутствие литеры «а» на конце условного обозначения указывает на принадлежность стали у12 к классу качественных сталей.

Для сварных конструкций сталь у12 не используется. Однако при работе с данным сплавом возможно применение контактно-точечного вида сварки. Положительными характеристиками стали у12 является нечувствительность к флокенам (отсутствие образования внутренних трещин при обработке) и неплохая шлифуемость. Подвергать ковке этот сплав можно при температурах от 1100 °С (в начале) до 750 °С (в конце). Охлаждать изделия следует на воздухе.

Отжиг стали у12 производится с нагревом до 750-770 °С, после чего сплав медленно охлаждается. При такой термообработке микроструктура сплава несколько изменяется: в аустените остается достаточно большое количество включений цементита, которые не растворились при нагревании. Они выполняют функцию центров кристаллизации при охлаждении (распаде аустенитов).

В результате отжига получается структура сферодита (зернистого перлита), которая обладает меньшими показателями твердости, а потому улучшает обрабатываемость стали у12 резанием. Именно такая структура является наилучшей для закалки стали, потому что значительно сокращается склонность к росту аустенитного зерна, уменьшается промежуток оптимальных для закалки температур, снижается риск растрескивания материала и увеличивается прочность и вязкость стали.

17. С ростом степени холодной пластической деформации усиливаются прочностные свойства металла (увеличиваются пределы прочности и текучести, твердость), а пластические свойства ослабевают (уменьшаются относительное удлинение и сужение, ударная вязкость)

Холодная пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической решетки металла — образованием новых дислокаций, дроблением зерен, их сплющиванием и удлинением в направлении наибольшего течения металла. В результате искажений кристаллической решетки и появления остаточных напряжений изменяются физико-химические свойства металла, например уменьшаются электро- и теплопроводность. В результате холодной деформации в металле возникают также преимущественная ориентировка (текстура) и анизотропия свойств, т. е. их неоднородность в зависимости от направления преимущественного течения металла.

При неполной холодной пластической деформации с нагревом чистого металла до температур (0,25 ...0,30) Tпл, где Tпл – абсолютная температура плавления, одновременно с процессом упрочнения металла возникает явление, называемое отдыхом или возвратом. Оно обеспечивает частичное снятие остаточных напряжений, небольшое восстановление пластических свойств и повышает сопротивление металла коррозии.

При неполной горячей пластической деформации с нагревом чистого металла до температуры свыше 0,47Tпл одновременно с процессом упрочнения протекает процесс рекристаллизации — зарождение и рост новых зерен взамен деформированных. После деформации в микроструктуре металла наблюдаются рекристаллизованные (равноосные) и нерекристаллизованные (вытянутые) зерна металла.

При горячей пластической деформации, совершающейся при температуре, превышающей температуру рекристаллизации, в металле протекают одновременно процессы упрочнения и разупрочнения. Если за время деформации рекристаллизация произойдет полностью, то вызываемого упрочнением изменения свойств металла не произойдет. Скорость процесса разупрочнения, вызванного рекристаллизацией, значительно меньше скорости процесса упрочнения. В результате рекристаллизации металл в процессе горячей обработки несколько разупрочняется и стремится приобрести равноосную неориентированную структуру. Величина зерен металла μ зависит в основном от температуры и относительной деформации (рис. 3.8). Относительная деформация, равная обычно 5 — 10%, называется критической, поскольку при ней получается максимальная величина зерна. Обрабатывать металл в интервале критических относительных деформаций не рекомендуется. С возрастанием температуры критическая относительная деформация сдвигается влево. Величина зерна в металле тем меньше, чем больше послекритическая относительная деформация. Пластические свойства металла, а также ударная вязкость в продольном направлении возрастают с увеличением укова до 6—10, после чего они остаются приблизительно постоянными. В поперечном направлении эти свойства с увеличением укова уменьшаются, поэтому при необходимости их повысить изменяют направление волокон, например осадкой заготовки.

Наклёп (нагартовка) — упрочнение металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклёп сопровождается выходом на поверхность образца дефектов кристаллической решётки, увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знака

Виды наклёпа

Различают два вида наклёпа: фазовый и деформационный. Деформационный наклёп является результатом действия внешних деформационных сил. При фазовом наклёпе источником деформаций служат фазовые превращения, в результате которых образуются новые фазы с отличным от исходной (-ых) удельными объёмами.

Деформационный наклёп

Дробеструйный наклёп — упрочнение, которое достигается за счёт кинетической энергии потока круглой чугунной или стальной дроби, а также других круглых дробей, например керамической, направляемым скоростным потоком воздуха или роторным дробомётом.

Центробежно-шариковый наклёп (нагартовка) — создаётся за счёт кинетической энергии шариков (роликов), расположенных на периферии обода, взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и отбрасываются вглубь гнезда.

Перенаклёп

При значительных деформациях вследствие перенаклепа в материале возникают поры, субмикротрещины и другие дефекты. Такое состояние металла (сплава) называется перенаклёпом. Перенаклёп — одна из причин хрупкости, а также снижения конструкционной прочности сплавов.

Разупрочнение

При нагреве, например во время отжига, подвергнутого наклёпу металла происходит его разупрочнение вследствие развития процессов отдыха, полигонизации, рекристаллизации.

Упрочнение деталей наклёпом

В машиностроении наклёп используется для поверхностного упрочнения деталей. Наклёп приводит к возникновению в поверхностном слое детали благоприятной системы остаточных напряжений, влияние которых главным образом и определяет высокий упрочняющий эффект поверхностной пластической деформации (ППД), выражающийся в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Для получения упрочненного наклёпом поверхностного слоя заготовку подвергают обработке различными видами ППД, например, обкатка роликами, дробеструйная обработка, поверхностное дорнование и др.

18. Термическая обработка – это совокупность операций теплового воздействия на материалы (главным образом металлы и сплавы) с целью изменения их структуры и свойств в нужном направлении. Заключается в нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью

Превращения в стали при нагреве

В соответствии с диаграммой Fe–Fe3C при нагреве эвтектоидной стали перлит превращается в аустенит при температуре 727 °С (критическая точка Ас1). Однако в реальных условиях такое превращение при отмеченной температуре происходить не может, так как в данном случае имеет место равенство свободных энергий Е перлита и аустенита, т. е. температура Ас1 является равновесной

(рис. 78). Следовательно, для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше 727 °С, а для превращения аустенита в перлит – немного ниже. Другими словами должны иметь место перенагрев в первом случае и переохлаждение – во втором. От этих параметров во многом зависит величина зерна, а соответственно и свойства продуктов превращений.

Превращение перлита в аустенит при нагреве эвтектоидной стали происходит следующим образом. В исходном состоянии сталь состоит из смеси фаз феррита и цементита (рис. 79, а). При нагреве до температуры чуть выше критической точки Ас1 по границам ферритной и цементитной фаз начинается превращение Fea®Feg. В связи с тем, что объемы решеток Feg больше, чем у Fea в них диффундирует углерод цементита, и образуются зерна аустенита (рис. 79 б, в, г). Полиморфное превращение a®g идет с более высокой скоростью, чем растворение цементита.

Поэтому образовавшийся аустенит имеет неоднородность по углероду, которая устраняется при дальнейшем повышении температуры или дополнительной выдержке.

На скорость превращения перлита в аустенит влияют температура превращения, скорость нагрева, форма цементита (пластинчатая или зернистая), химический состав стали и др. Поскольку в каждой перлитной области образуется несколько центров кристаллизации аустенита, превращение сопровождается измельчением зерна, что широко используется в практике термической обработки стали.

В доэвтектоидных сталях при нагреве от Ас1 до Ас3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит, а в заэвтектоидных (при нагреве от Ас1 до Аст ) – растворение избыточного цементита в аустените.

При повышении температуры нагрева в однофазной аустенитной области или длительной выдержке происходит рост зерна. По склонности к росту зерна стали подразделяются на наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые. К наследственно мелкозернистым относятся стали, раскисленные в процессе производства алюминием, который образует устойчивые мелкодисперсные частицы AlN. Последние располагаются по границам зерен, препятствуя их росту.

В заэвтектоидных сталях росту зерна могут препятствовать нерастворившиеся карбидные частицы, а у доэвтектоидных – участки феррита в интервале температур Ас1–Ас3. Карбидообразующие элементы также замедляют рост зерна аустенита. Наибольший эффект наблюдается при наличии труднорастворимых карбидов титана, вольфрама, молибдена, циркония, ниобия и др.

Стали, раскисленные в процессе выплавки кремнием и марганцем, являются наследственно крупнозернистыми. С повышением температуры у них происходит непрерывный рост зерна.

Величина действительного зерна практически не оказывает влияния на твердость и свойства, определяемые при испытаниях на статическое растяжение. Рост зерна резко снижает ударную вязкость и повышает порог хладноломкости. Крупнозернистые стали более склонны к закалочным трещинам, деформации, короблению. Стали, имеющие крупнозернистую структуру по причине нагрева до высоких температур, называются перегретыми и исправляются повторной аустенизацией с нагревом до более низких температур.