21. Назначение и технология отжигов 1-го и 2-го рода.

Отжиг 1-го рода:

При отжиге первого рода не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями, однако за счет возрастания подвижности атомов при нагреве частично или полностью устраняется химическая неоднородность, медленное охлаждение после отжига позволяет снизить внутренние напряжения. В Ме и сплавах при таком отжиге снимается наклеп, понижается твердость, возрастают пластичность и ударная вязкость. Разновидностями отжига первого рода являются: диффузионный (гомогенезирующий отжиг), рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация), отжиг для снятия напряжения.

Отжиг 2-го рода: Отжиг 2-го рода является перекристаллизационным отжигом. Во время его проведения в материале происходит полиморфное или другое фазовое превращение, связанное с заменой данной фазы другой (фазовая перекристаллизация). Поэтому для изменения кристаллитов в поликристалле материал отжигают при температуре, превышающей температуру этого превращения. Так как фазовая перекристаллизация осуществляется путем зарождения и роста центров новой фазы, то меняя скорость нагрева и охлаждения, а также температуру перегрева (выше температуры полиморфного превращения), можно управлять величиной кристаллитов. Повышение скорости нагрева и охлаждения увеличивает число центров и измельчает зерно, перегрев укрупняет зерно.При перекристаллизационном отжиге нагрев и последующее охлаждение может вызвать как частичную, так и полную замену исходной структуры. Полная перекристаллизация позволяет кардинально изменить строение сплава, уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние напряжения, т.е. полностью изменить структуру и свойства материала. При неполном отжиге структурные превращения происходят не полностью, с частичным сохранением исходной фазы. Неполный отжиг применяется в тех случаях, когда можно изменить строение второй фазы, исчезающей и вновь появляющейся при этом виде отжига.

22. Практические способы закалки сталей. Достоинства и недостатки. Дефекты, возникающие при закалке.

В зависимости от формы изделия, марки стали и нужного комплекса свойств применяют различные способы закалки. Закалку в одном охладителе применяют для деталей простой формы. Нагретую до температуры закалки деталь быстро переносят в охладитель, которым может быть вода, масло и др. Недостаток в том, что вследствие неравномерного охлаждения по сечению в детали возникают большие термические напряжения. Прерывистую закалку или закалку в двух средах используют для деталей более сложной формы. В этом случае нагретую деталь вначале опускают в воду, а затем переносят для окончательного охлаждения в масло (закалка через воду — в масло). Уменьшая скорость охлаждения в области мартенситного превращения, тем самым стремятся уменьшить структурные напряжения. Этот способ часто используют при закалке инструментов из углеродистой стали. Ступенчатая закалка является более совершенной. Нагретую до температуры закалки деталь быстро переносят в охладитель, имеющий температуру на 30-50 °С выше мартенситной точки, и выдерживают в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению изделия. После изотермической выдержки (в расплаве солей или металлов) деталь охлаждают с небольшой скоростью, что способствует уменьшению закалочных напряжений. Этот способ применим только для закалки небольших деталей, имеющих диаметр 10-30 мм.  При изотермической закалке нагретую до закалочных температур деталь быстро переносят в закалочную среду, имеющую температуру несколько выше температуры начала мартенситного превращения (например, 250-300°С для углеродистых сталей), и выдерживают в течение времени, необходимого для полного превращения переохлажденного аустенита. В результате получается структура бейнита.

При закалке с самоотпуском охлаждение проводят в одном охладителе и прерывают, когда сердцевина изделия имеет еще значительное количество тепла (не совсем охладилась). За счет этого тепла поверхностные слои изделия вновь нагреваются, и таким образом происходит отпуск. Закалку с самоотпуском применяют для местной термической обработки в мелкосерийном производстве, а также при изготовлении зубил, кернов и других инструментов. Поверхностная закалка является одним из способов увеличения твердости поверхностных слоев изделия. Одновременно повышаются сопротивление истиранию, предел выносливости и т. п. Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева изделий. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева, прокаливаемость играет второстепенную роль или вообще не имеет значения. Обработка холодом. Этот метод применяется для повышения твердости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит.

Дефекты при закалке. В процессе нагрева под закалку и при закалке могут появляться следующие дефекты: трещины, деформация и коробление, обезуглероживание, мягкие пятна и низкая твердость. Закалочные трещины - это неиспра­вимый брак, образующийся в процессе термиче­ской обработки. Они являются следствием воз­никновения больших внутренних напряжений. Трещины возникают при перегреве и большой скорости охлаж­дения в деталях, конструкция которых имеет резкие переходы поверхностей, грубые риски, оставшиеся после механической обработки, ост­рые углы, тонкие стенки и т д. Окисление и обезуглероживание происходит в основном при нагреве под закалку от взаимодействия печных газов или расплав­ленных солей с поверхностными слоями детали. Этот дефект особенно опасен на режущем инст­рументе, так как он в несколько раз снижает его стойкость. Мягкие пятна - это участки на по­верхности детали или инструмента с понижен­ной твердостью. Такие дефекты образуются при закалке в процессе охлаждения в закалочной среде, когда на поверхности детали имелась ока­лина, следы загрязнений и участки с обезуглероженной поверхностью.

23. Продолжительность нагрева, охлаждающие среды при закалке. Для углеродистых доэвтектоидных сталей (например, марки 45) выбирается такая температура нагрева, при которой возможен перевод всех структурных составляющих стали в аустенит, т. е. выше соответствующей точки Ас3, лежащей на линий GS диаграммы состояния железо–углерод. Температура закалки углеродистых конструкционных (доэвтектоидных) сталей назначается по диаграмме состояния железо–углерод согласно формуле Т = Ас3 + (30÷50) °С. Перегрев стали должен быть минимальным. Температуру выше точки Ас3 больше чем на 30–50° поднимать не рекомендуется, чтобы зёрна аустенита, а следовательно, и иглы мартенсита оставались мелкими. В стали двухфазного состояния: аустенит и карбиды.

Следовательно, температура нагрева для заэвтектоидных сталей должна быть выше точки Ас1 (линия РSК), но ниже точки Аcm (линия ЕS). При последующем быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит, а оставшиеся нерастворённые частицы карбидной фазы дополнительно повышает твёрдость и износостойкость стали. Температура закалки заэвтектоидных сталей назначается по диаграмме железо–углерод Т = Аc1 + (30÷50) °С.

В случае нагрева заэвтектоидной стали до температуры, лежащей выше соответствующей точки Асm, карбиды в стали растворятся. Закалка с повышенных температур является причиной образования крупноигольчатого мартенсита, который получается в результате охлаждения крупных зерен аустенита, а это в свою очередь повышает хрупкость стали.

Время выдержки образца в печи при нагреве под закалку выбирают из расчёта 1 мин на 1 мм диаметра образца. Для закалки доэвтектоидной и эвтектоидной сталей необходимо выполнить три условия:

– нагреть сталь до аустенитного состояния;

– выдержать при температуре нагрева определенное время;

– охладить со скоростью, не менее критической. Тогда А превратится в М. Охлаждающие среды. Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуру мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и не должно вызывать закалочных эффектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях. Чаще всего для закалки используют кипящие жидкости - воду, водные растворы щелочей и солей, масла. При закалке в этих средах различают три периода:

- пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется "паровая рубашка"; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;

- пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод теплоты;

- конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости: тепло отвод в этот период идет с наименьшей скоростью.

Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки: высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры воды резко ухудшается ее закалочная способность.

Масло как закалочная среда имеет преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур; постоянство закаливающей способности в широком интервале температур (20-1500С). К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температура вспышки 165 - 3000С); недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а так же повышенную стоимость.

24. Превращения в сталях при отпуске. Отпуск-ТО, включающая нагрев закаленной стали до температур ниже Ас₁, выдержке и последующим охлаждением. При отпуске закаленной стали в ее структуре происходят следующие превращения: 1) кристаллическая решетка мартенсита принимает правильную форму куба; 2) остаточный аустенит превращается в мартенсит; 3) мартенсит распадается на механическую смесь феррита и цементита; 4) образовавшиеся частицы цементита коагулируют (разрастаются и приобретают округлую форму). Первое превращение происходит при температурах 100 - 200°. При этих температурах устраняется искажение кристаллической решетки мартенсита. Она принимает форму куба, благодаря чему в стали несколько ослабляются внутренние напряжения. Мартенсит, имеющий кубическую решетку, называется отпущенным мартенситом. Второе превращение протекает при температурах 200 - 270° и состоит в переходе остаточного аустенита в отпущенный мартенсит, который является менее напряженной структурой, чем мартенсит закалки. Третье превращение протекает при температурах 300 - 400°. При этих температурах происходит распад мартенсита: из кристаллической решетки мартенсита выделяется избыточный углерод в виде цементита. В результате получается весьма измельченная смесь феррита и цементита - троостит отпуска. Четвертое превращение протекает заметно при температурах, превышающих 400°. В результате отпуска стали при температурах 500 - 650° образуется механическая смесь более крупных частиц феррита и цементита - сорбит отпуска. При протекании третьего и четвертого превращений твердость стали заметно понижается, а пластичность и вязкость повышаются. Полученные в результате распада мартенсита троостит и сорбит отпуска имеют зернистую форму цементита, в то время как аналогичные структуры, полученные в результате охлаждения аустенита, имеют пластинчатую форму цементита. Таким образом, при отпуске протекают те превращения, которые не успели произойти в стали при закалке ввиду ее быстрого охлаждения.

25. Виды отпуска: низкий, средний, высокий. Назначение, структура и свойства сталей после отпуска. Основное влияние на св-ва стали оказывает t отпуска. Поэтому различают 3 вида отпуска: Низкий отпуск проводят с нагревом до 150-200°, продолжительность 1-2,5 ч. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, ↑ прочность и немного улучшается вязкость. Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Средний отпуск выполняют при 350-500° и применяют для пружин и рессор, а также штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали (0,45-0,8 %С) после среднего отпуска- троостит отпуска. Охлаждение после него проводят в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые ↑ предел выносливости пружин. Высокий отпуск проводят при 500-680°. Структура стали после высокого отпуска- сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Закалка с высоким отпуском одновременно повышает пределы прочности и текучести и ударную вязкость. ТО, состоящую из закалки и выского отпуска, называют улучшением. Улучшению подвергают среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3-0,5%С)

26. Прокаливаемость сталей. Факторы, определяющие прокаливаемость стали. Прокаливаемость- способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троосто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закалки, то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и тем самым будет иметь сквозную прокаливаемость. Если дейст-ая V охлаждения в сердцевине будет меньше критической, то изделие прокалится только на некоторую глубину и прокаливаемость будет неполной. За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны. Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая V закалки, т.е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита. Легированные стали вследствие меньшей V кр прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость марганец, хром, молибден. Прокаливаемость стали в общем случае определяют методом торцовой закалки.

27. Химико-термическая обработка стальных изделий. Цементация, азотирование. Химико-термической обработкой называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами. Применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии. Стадии процесса химико-термической обработки: На 1 протекают химические реакции в исходной среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы. На 2 они усваиваются насыщаемой поверхностью Ме - происходит адсорбция или хемосорбция диффундирующих элементов, в результате чего тончайший поверхностный слой насыщается диффундирующим элементом (абсорбция), возникает градиент концентрации - движущая сила для следующей стадии процесса. 3 стадия – диффузионное проникновение элемента вглубь насыщаемого металла, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекрис-цией. Цементация – процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. После цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. Цементацию проводят при температурах выше А_с3. Атомы углерода дифундируют в решетках y-железа. Цементации подвергают зубчатые колеса, валы и пальцы, кулачки, червяки. Исходную среду для цементации называют карбюризатором. Азотирование –азотом. Для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (колен.валы, червяки, валики, шестерни). Азотирование проводят при 500-600’С в контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак. По сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износостойкость. Однако азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большей длительности процесса и меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает контактные нагрузки на поверхность детали. Цианирование -одновременно углеродом и азотом при температуре 820-950’С в расплавленных солях, содержащих группу «CN». Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой износостойкостью и эффективно повышает предел выносливости. Недостатки: высокая стоимость, ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этим принятия специальных мер по охране труда. Поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком, и другими элементами называют диффузионным насыщением металлами. Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает: высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, повышенная износостойкость и твердость. Алитирование – насыщение поверхности стали алюминием. В результате сталь приобретает высокую окалиностойкость. Хромирование –хромом. Этот процесс обеспечивает повышенную устойчивость стали против газовой коррозии (окалиностойкость), высокую коррозионную стойкость. Хромирование используются для деталей паросилового оборудования, клапанов, вентилей, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах. Силицирование –кремнием. придает стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах. Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, гайки, болты).

28. Влияние легирующих элементов и степени легирования на структуру и свойства сталей. Элементы, специально вводимые в сталь с целью изменения ее строения и свойств- легирующие элементы, а стали- легированные. Основной структурной составляющей конструкционных сталей является феррит (не менее 90 % по объему), который во многом определяет их свойства. Поэтому улучшение свойств при легировании обусловлено в первую очередь влиянием легирующих элементов на свойства феррита. Кроме того, легирующие элементы воздействуют на образование и дисперсность карбидных фаз, устойчивость мартенсита при отпуске, прокаливаемость, размеры зерен. Многие ЛЭ образуют с углеродом карбиды, а с железом – твердые растворы. Элементы с малым атомным радиусом (азот, бор) образуют (как и углерод) твердые растворы внедрения, а остальные – твердые растворы замещения. Легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его. Наиболее сильно повышают твердость кремний, марганец и никель. Упрочняя феррит, большинство легирующих элементов (за исключением никеля) снижают его ударную вязкость. Марганец и хром, при их содержании до 1,5 %, ударную вязкость несколько повышают. Влияние ЛЭ на равновесную структуру стали зависит от их суммарного кол-ва в составе стали. По кол-ву ЛЭ бывают: низколегированные (до 5 %), среднелегированные (5-10%), высоколегированные (>10%). Следовательно, для достижения заданных свойств легированных сталей количество легирующих компонентов должно быть рациональным.

29. Влияние легирующих элементов сталей на положение критических точек в сталях. ЛЭ можно разделить на 2 группы: 1) Элементы, которые понижают линию А₃ (GS) и повышают А₄ (NI). Это Ni, MN, C, N₂. Эти элементы вступая во взаимодействие с Fе изменяют конфигурацию диаграммы Fe-C. В сплавах Fe-Ni, Fe-Mn область существования А (γ) расширяется. Решетка ГЦК представляет из себя твердый раствор лигирующего элемента в Fe. Такие сплавы- аустенитные стали. Пример: 110Г13Л ( конструкц-я, качеств, литейная). 2) группы, влияющая не полиморфизм железа. Это Cr, Mo, V, W, Si, Ti. Они повышают температуру А₃ и понижают А₄. Область устойчивого аустенита бесконечно снижается. Наиболее эффективно образуют замкнутую γ область вольфрам-Mo, но чаще для получения ферритных сталей используют Cr>12%. Однофазные сплавы с ОЦК решеткой, устойчивой при всех t- ферритные сплавы.

30. Влияние ЛЭ на рост зерна и превращение аустенита, прокаливаемость и мартенситные точки. Влияние легирующих элементов на превращение перлита в аустенит. Легирующие элементы в большинстве случаев растворяются в аустените, образуя твердые растворы замещения. Легированные стали требуют более высоких температур нагрева и более длительной выдержки для получения однородного аустенита, в котором растворяются карбиды легирующих элементов. Малая склонность к росту аустенитного зерна – технологическое преимущество большинства легированных сталей. Все легирующие элементы снижают склонность аустенитного зерна к росту, кроме марганца и бора. Элементы, не образующие

карбидов (кремний, кобальт, медь, никель), слабо влияют на рост зерна. Карбидообразующие элементы (хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан) сильно измельчают зерно. Влияние легирующих элементов на превращение переохлажденного аустенита. По влиянию на устойчивость аустенита и на форму С-образных кривых легирующие элементы разделяются на две группы. Элементы, которые растворяются в феррите и цементите (кобальт, кремний, алюминий, медь, никель), оказывают только количественное влияние на процессы превращения. Замедляют превращение (большинство элементов), или ускоряют его. Карбидообразующие элементы (хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан) вносят и качественные изменения в кинетику изотермического превращения. При разных температурах они по разному влияют на скорость распада аустенита: при температуре 700…500^oС — замедляют превращение в перлитной области, при температуре

500…400^oС (образование троостита) – очень сильно замедляют превращение, при температуре 400…300^oС (промежуточное превращение) – замедляет превращение

аустенита в бейнит, но меньше, чем образование троостита. Это отражается на форме С-образных кривых: наблюдаются два максимума скорости изотермического распада,

разделенных областью высокой устойчивости переохлажденного аустенита. б). Важным является замедление скорости распада. Это способствует более глубокой прокаливаемости и переохлаждению аустенита до интервала мартенситного превращения при более медленном охлаждении (масло, воздух). Увеличивают

прокаливаемость хром, никель, молибден, марганец, особенно при совместном легировании. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение. При нагреве большинство легирующих элементов растворяются в аустените. Карбиды титана и ниобия не растворяются. Эти карбиды тормозят рост аустенитного зерна при нагреве и обеспечивают получение мелкоигольчатого мартенсита при

закалке. Остальные карбидообразующие элементы, а также некарбидообразующие, при нагреве растворяются в аустените и при закалке образуют легированный мартенсит. Некоторые легирующие элементы (алюминий, кобальт) повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита, другие не влияют на эту точку (кремний). Большинство элементов снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита.

31. Классификация легированных сталей по структуре в отожженном и нормализованном состояниях. Термическая обработка необходима легированным сталям для выявления их возможностей в области прочностных характеристик. // Классификация в отожженном (равновесном )состоянии: (в зависимости от содержания лег элементов и количества углерода) а)доэвтектоидные (П+Ф) низколегированные (30ХНМА) углерода меньше 0,8% и в структуре избыточный феррит б)Эвтектоидная (8ХФ)углерода 0.8%,меньше 5% добавок, состав - перлит) Заэвтектоидные или карбидная сталь (с ледебуритом и вторичными карбидами)(Х12М) углерода больше 0,8%. // По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие классы: перлитный, мартенситный, аустеннтный, ферритный. Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита. При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или тростита, в которой могут присутствовать также избыточные феррит и карбиды. К сталям перлитного класса относятся углеродистые и низколегированные. Эта большая группа дешевых, широко применяемых сталей для деталей машин и аппаратов, для работы при нормальной или повышенной температуре (не выше 45 °С) и в неагрессивных средах. Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита; при охлаждении на воздухе они закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне- или высоколегированные стали. Стали аустенитного класса из-за повышенного количества никеля или марганца (обычно в сочетании с хромом) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0 °С и сохраняют аустенит при температуре 20—25 °С.

32. Классификация сталей перлитного класса. Формирование их эксплуатационных свойств. Стали перлитного класса - это низко - и среднелегированные, наиболее распространенные как конструкционные, так и инструментальные стали. В состоянии проката или после отжига они благодаря перлитной или ферритно-перлитной структуре хорошо обрабатываются режущим инструментом. Для получения высоких механических свойств, твердости и износостойкости их подвергают закалке, большей частью в масле, и соответствующему отпуску. Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов. Стали перлитного класса, как не содержащие большого количества хрома, естественно, не обладают высокой жаростойкостью и их нельзя применять при температурах выше 550 - 580 С. Стали перлитного класса при содержании 0 1 - 0 8 % С имеют обычно не более 2 - 5 % специальных примесей и структуру, аналогичную углеродистой стали, а именно: феррит и перлит в доэвтектоидной стали, перлит в эвтектоидной стали и перлит и цементит ( карбиды) в заэвтектоидной стали. Стали перлитного класса с содержанием углерода не выше 0 35 % и легирующих элементов в сумме до 2 - 5 % пользуются широким распространением благодаря повышенным механическим свойствам и относительно невысокой их стоимости. Стали перлитного класса с содержанием углерода не выше 0 35 % и легирующих элементов в сумме до 3 - 4 % свариваются в большинстве случаев вполне удовлетворительно.