8. ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

МЕТОДАМИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

8.1. Повышение пластических свойств

Цель занятия - изучить изменения свойств при проведении термической обработки, направленной на повышение пластических характеристик сталей и сплавов.

Задачи:

изучить разновидности термической обработки, обеспечивающие повышение пластических свойств сталей и сплавов;

изучить структурные превращения в сталях при проведении термической обработки по разным режимам;

изучить изменения свойств сталей, обусловленные структурными превращениями при проведении термической обработки по определённым режимам.

8.1.1. Общие сведения

При проектировании машин, механизмов и конструкций у разработчика есть возможность выбора материала из перечня марок углеродистых конструкционных сталей, руководствуясь при этом сведениями о свойствах, имеющихся в ГОСТах [1…4] и в широко распространённых справочниках (машиностроителя, конструктора, технолога, металлурга и т.д. [6,7]). Ориентиром в этом случае может служить зависимость свойств сталей от содержания углерода и легирующих элементов, рассмотренная ранее (занятие 3). В простых случаях так и поступают, зная, что с увеличением содержания углерода сталь становится прочнее, а её пластические характеристики и ударная вязкость (КСU, KCV,а_н) – снижаются.

Однако этот выбор не является широким. Условия эксплуатации проектируемого механизма, связанные с высокими скоростями, нагрузками циклического характера, значительными силами трения в контактных парах ставят перед проектировщиком трудную задачу, так как указанные материалы не смогут соответствовать предъявляемым требованиям по комплексу свойств. А если работа машины или механизма будет ещё связана с воздействием коррозионно-активных сред и переменных температур при знакопеременном характере прилагаемых нагрузок, то применение даже легированных высокопрочных сталей [5] без специальной обработки не спасёт положения. Кроме того, переход к высокопрочным сталям создаст трудности технологического характера: при обработке заготовок деталей будут быстрее изнашиваться инструменты, существенно увеличатся затраты энергии и физического труда, возникнут затруднения по применению сварки для изготовления конструкций.

Выходом из возникшего затруднения может быть только применениетермической обработки, комплекс режимов которой обеспечивает возможность достижения двух совершенно противоположных целей:

снижения прочности и твёрдости материалаприодновременномповышении пластических характеристикперед формообразованием заготовок методами пластической деформации (ковка, штамповка) или резанием;

существенного повышения прочностных свойствна последней стадии изготовления детали.

Такие возможности обеспечивает сочетание технологических операций отжигаизакалкидля деталей, изготавливаемых из сталей и сплавов.

В зависимости от решаемых задач и желательного направления изменения свойств металла в машиностроении применяют несколько разновидностей отжига(диффузионный, полный, неполный, нормализация, рекристаллизация) изакалки, которая может проводиться для всего объёма ("на массу") и для поверхностных слоёв детали – закалка токами высокой частоты (ТВЧ), токами промышленной частоты (ТПЧ). Для упрочнения поверхностных слоёв детали также применяютсяметоды химико-термической обработки(ХТО).

Технологически термическая обработка(ТО) состоит из нагрева, выдержки заготовки при заданной температуре и охлаждения со скоростью, зависящей от поставленной задачи [8, 9]. Таким образом, параметрами ТО являютсяТ_max ,τ_выд ,V_{нагр ,}V_охл.

В основе ТО лежат полиморфные превращения, происходящие в структуре металла с изменением температуры и связанные с этим изменения растворимости углерода и параметров кристаллической решётки (α-железо с ОЦК решёткой превращается вγ-железо с ГЦК решёткой и обратно); одновременно изменяется уровень внутренних (остаточных σ_ост) напряжений в металле. Эти превращения происходят при нагреве заготовки детали до определённых значений температурА, называемыхкритическими точкамии обозначаемых индексами "с" при нагревании ("с"–от франц.chauffage, нагрев) и "r" при охлаждении ("r"–refroidissement, охлаждение). На линиях диаграммыFe–Fe₃Cнаходится геометрическое место нескольких критических точек (рис. 8.1, табл. 8.1).

Рис. 8.1. Диаграмма состояния сплавов "железо – цементит"

Таблица 8.1