Общие указания по выполнению лабораторных работ

Для лучшего усвоения материала и наиболее эффективного использования учебного времени студент должен подготовиться к лабораторной работе: предварительно изучить методические указания к работе, соответствующие разделы рекомендованной литературы и лекционного материала. Выполняя необходимые эксперименты, измерения и расчеты, руководствоваться при этом соответствующими инструкциями.

При работе в лабораториях необходимо строго выполнять правила техники безопасности.

После окончания работы студент обязан привести в порядок рабочее место.

Студент должен составить отчет по выполненной работе, содержание которого приводится в данном практикуме указаниях по каждой работе. Рисунки, схемы и графики вычерчиваются мягким черным карандашом в соответствии с требованиями ЕСКД. Текст отчета пишется чернилами (шариковой ручкой).

Отчет по работе студент представляет преподавателю. Работа считается зачтенной, если отчет выполнен аккуратно, правильно и студент ответил на все контрольные вопросы преподавателя.

Сущность и назначение термической обработки

Термическая обработка — это процесс нагрева, выдержки и охлаждения сплавов с целью изменения структуры и получения заданных свойств. Термической обработке подвергают заготовки (прокат, литые, кованые и штампованные детали) для того, чтобы понизить твердость и улучшить обрабатываемость, а обработанные детали — для того, чтобы повысить твердость, прочность, упругость, износостойкость и усталостные характеристики. С помощью термической обработки механические свойства стали могут быть изменены в очень широких пределах. Например, термической обработкой рельсовой стали, содержащей 0,7—0,8% углерода, можно повысить твердость со 180 до 600 НВ. Значительное улучшение механических свойств в результате термической обработки деталей позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и массу деталей, повысить надежность и срок службы машин.

Процессы термической обработки определяются двумя основными элементами — температурой и временем.

Изучая диаграмму состояния системы сплавов железо-углерод, мы рассматривали превращения, протекающие в стали при очень медленном нагревании и охлаждении, т. е. в условиях равновесия.

Из этого вытекает, что структурные составляющие стали: феррит, перлит и цементит — являются равновесными, т. е. устойчивыми при нормальных температурах. Термической обработкой можно получить неравновесные структуры по свойствам, отличные от равновесного состояния. Кроме того, применяя определенные режимы термической обработки, можно изменить форму и размеры зерен и тем самым улучшить необходимые механические свойства.

Для установления режима термической обработки нужно знать температуры, при которых происходит превращение в стали, т. е. критические точки, которые обозначают А с цифрой внизу, указывающей характер превращения.

Положение критических точек углеродистых сталей показано на рисунке 1. Критические точки при нагревании и охлаждении не всегда совпадают, поэтому нужно знать, при каком состоянии они получены. Если критическая точка характеризует нагревание, то к А ставится индекс с, а если охлаждение — то r.

Рисунок 1 – Положение критических точек углеродистой стали

Превращения в стали при нагревании

В исходном состоянии, т. е. до термической обработки, углеродистая сталь может иметь феррито-перлитную, перлитную или перлито-цементитную структуру. При нагревании до А_С1, (727°С) сталь превращений не имеет, при А_С1 происходит превращение перлита в аустенит.

Образование аустенита вызывается перестройкой кристаллической решетки -железа в решетку -железа и растворением цемента в образовавшемся аустените.

В доэвтектоидной стали, в которой, кроме перлита, имеется феррит, превращение феррита в аустенит будет происходить и при дальнейшем нагреве до температуры А_С3. В заэвтектоидной стали, в которой, кроме перлита, имеется цементит, растворение цементита в аустените будет происходить при нагреве до температуры А_Сm.

Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением Fe_  Fe_, а так же растворением цементита в аустените.

Для исследования процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита (рисунок 2). Для этого образцы нагревают до температуры выше А_с1 и выдерживают, фиксируя начало и конец превращения.

Рисунок 2 Диаграмма изотермического образования аустенита: 1 - начало образования аустенита; 2 - конец преобразования перлита в аустенит; 3 - полное растворение цементита.

 

С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается.

Механизм превращения представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 Механизм превращения перлита в аустенит.

 

Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит – цементит, кристаллическая решетка Fe_ перестраивается в решетку Fe_.

Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста

Образующиеся зерна аустенита имеют вначале такую же концентрацию углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается. Превращение Fe_ в Fe_ идет быстрее. После того, как весь цементит растворится, аустенит неоднороден по химическому составу: там, где находились пластинки цементита концентрация углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка.

Величина образовавшегося зерна аустенита оказывает влмяние на свойства стали.

Таким образом, при температурах выше А_С1, и (выше GSE на диаграмме Fe—Fe₃C) стали будут иметь аустенитную структуру, но образовавшийся аустенит будет неоднородным по составу, так как процесс диффузии углерода завершиться не успевает. Чтобы получить однородный аустенит, необходимо сталь нагревать на 30—50°С выше А_С1, и А_ст, и выдерживать ее при этой температуре некоторое время. Аустенит будет состоять из мелких зерен независимо от размеров зерен стали до термообработки.

Рост зерна аустенита. Образующиеся зерна аустенита получаются мелкими (начальное зерно). При повышении температуры или выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста является разность свободных энергий мелкозернистой (большая энергия) и крупнозернистой (малая энергия) структуры аустенита.

Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температурыА₁, то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая.

Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой. Стали одной марки, но разных плавок могут различаться, так как содержат неодинаковое количество неметаллических включений, которые затрудняют рост аустенитного зерна.

Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор – увеличивают ее.

Заэвтектоидные стали менее склонны к росту зерна.

При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размера зерна зависят механические свойства. Крупное зерно снижает сопротивление отрыву, ударную вязкость, повышает порог хладноломкости.

Различают величину зерна наследственного и действительного.

Для определения величины наследственного зерна, образцы нагревают до 930 ^oС и затем определяют размер зерна.

Действительная величина зерна – размер зерна при обычных температурах, полученный после той или иной термической обработки.

Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали.

Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше температуры А₃ приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. Такая структура называется видманштеттовая структура и характеризуется пониженными механическими свойствами. Перегрев можно исправить повторным нагревом до оптимальных температур с последующим медленным охлаждением.

Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается к температуре плавления. При этом наблюдается окисление границ зерен, что резко снижает прочность стали. Излом такой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак.

Для получения необходимой структуры, кроме нагрева, не меньшее значение имеет и режим охлаждения.

Превращения в стали при охлаждении

Главной целью нагрева стали является получение аустенитной структуры. Основной целью ее охлаждения является получение структур, образующихся в результате превращений аустенита. Превращения аустенита могут быть диффузионными, приводящими к его распаду по схеме

Fe_(C)  Fe_(C) + Fe₃C,

или – бездиффузионными, когда превращение происходит по схеме

Fe_(C)  пересыщенный Fe_(C)

с образованием пересыщенного твердого раствора углерода в -железе. В приведенных формулах Fe_(C) обозначает твердый раствор углерода в -железе, Fe_(C) — твердый раствор углерода в -железе.

Причем, чем выше температура превращения, т. е. чем меньше степень переохлаждения аустенита ниже А_r1, (727°С), тем более грубой будет образовываться смесь феррита и цементита. При переохлаждении аустенита эвтектоидной стали несколько ниже А_r1, продуктом распада аустенита является перлит, а при больших переохлаждениях образуются менее устойчивые, чем перлит структуры — сорбит, троостит и бейнит (игольчатый троостит).

При значительном переохлаждении аустенита диффузионные процессы полностью подавляются, происходят бездиффузионные  превращения, т. е. перегруппировки атомов из гранецентрированной решетки в объемноцентрированную. В результате этого превращения образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углеродов в -железе, структура которого называется мартенситом (М) по имени немецкого ученого Мартенса.

Различают мартенсит тетрагональный (мартенсит закалки) и отпущенный. Тетрагональный мартенсит получается непосредственно после закалки стали. При комнатной температуре -железо способно растворить лишь 0,006% углерода, в случае же образования мартенсита эвтектоидной стали решетка -железа «насильственно» растворяет 0,8% углерода. Это приводит к искажению кристаллической решетки мартенсита, у которой один период становится больше двух других (рисунок 2). Искаженную кубическую решетку называют тетрагональной, а отношение с:а — степенью тетрагональности. Это отношение тем больше, чем больше в стали углерода.

Рисунок 2 – Кристаллическая решетка мартенсита:  – атом углерода,  – атом железа

При рассмотрении микроструктуры закаленной высокоуглеродистой стали на темном фоне аустенита видны светлые иглы мартенсита (рисунок 3). Из-за того, что в мартенсите атомы углерода как бы заклинены между атомами железа, они вызывают большие внутренние напряжения. Твердость мартенсита эвтектоидной стали достигает 600-650 НВ. Мартенсит является хрупкой структурой. В доэвтектоидных сталях твердость мартенсита непрерывно возрастает с повышением содержания углерода (рисунок 4).

Рисунок 3 – Мартенсит неотпущенный. Светлые иглы мартенсита на темном фоне аустенита. Сталь с 1,6 % С,  500.

Рисунок 4 –влияние углерода на твердость закаленной стали

Отпущенный мартенсит образуется после отпуска стали, закаленной на мартенсит, в интервале температур 80-170 С и имеет степень тетерагональности, близкую к единице. В отпущенном мартенсите иглы (пластины) мартенсита по микроструктуре не светлые, как в тетрагональном мартенсите, а темные (рисунок 5), что указывает на то, что при отпуске из мартенсита выделяются высокодисперсные частицы цементита. Таким образом, уже путем чисто металлографического анализа можно различать два рода мартенсита.

Рисунок 5 – Мартенсит отпущенный. Темные иглы мартенсита на светлом фоне аустенита. Сталь с 1,6 % С,  500.

Температуры, при которых начинается и заканчивается АМ превращение, обозначаются соответственно М_н и М_к. Их положение зависит от содержания углерода — с увеличением содержания углерода они заметно понижаются (рисунок 6). При АМ превращении не весь аустенит переходит в мартенсит. Непревращенный аустенит называют остаточным. Переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема, так как мартенсит обладает большим удельным объемом, чем аустенит, и когда в процессе превращения остаются небольшие островки аустенита, они подвергаются такому сжатию участками мартенсита, что дальнейшее превращение аустенита в мартенсит прекращается. Причем чем больше в стали углерода, тем больше при охлаждении до 0°С будет остаточного аустенита в стали.

Рисунок 6 – Влияние углерода на температуры аустенитно-мартенситных превращений М_н и М_к

Наличие большого количества остаточного аустенита является нежелательным, так как это приводит к снижению твердости после закалки. Мартенсит – неравновесная (неустойчивая) структура, его нагрев сначала приводит к уменьшению степени тетрагональности, а при дальнейшем повышении температуры – к его распаду на смеси с изменением свойств.

Рассмотрим процессы, протекающие при медленном охлаждении стали У8. Образцы нагревают до температуры, при которой структура состоит из однородного аустенита (770⁰ С). Затем переносят в термостаты с заданной температурой (интервал 25 – 50⁰ С). Превращение аустенита можно легко обнаружить с помощью наблюдений за изменением магнитных характеристик, так как аустенит парамагнитен, а феррит и цементит обладают магнитными свойствами.

Получают серию кинетических кривых (рисунок 7 а), которые показывают количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.

Рисунок 6 Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении (а); диаграмма изотермического превращения аустенита (б)

 В начале наблюдается инкубационный подготовительный период, время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит. Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада.

Затем скорость начинает уменьшаться и постепенно затухает. С увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается, а затем увеличивается.

Горизонтальная линия М_н показывает температуру начала бездиффузного мартенситного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита (рисунок 7 б).

При малых степенях переохлаждения, в области температур 727…550^o С, сущность превращения заключается в том, что в результате превращения аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. Аустенит содержит 0,8 % углерода, а образующиеся фазы: феррит – 0,02 %, цементит – 6,67 % углерода.

Время устойчивости аустенита и скорость его превращения зависят от степени переохлаждения.

В технологических процессах термической обработки распад аустенита происходит либо в условиях непрерывного охлаждения, либо изотермически (при постоянной температуре). Образование неравновесных структур — сорбита, троостита и бейнита рассмотрим при изотермическом распаде аустенита.

Изотермический распад аустенита.

В практических условиях получают неравновесные структуры, образовавшиеся при изотермическом распаде аустенита, следующим образом. Образцы исследуемой, например, эвтектоидной стали нагревают на 30—50°С выше А_С1, и после выдержки, необходимой для выравнивания температуры по сечению образцов, быстро переносят в ванну с расплавом солей, температура которого ниже точки А_r1 автоматически поддерживается постоянной. Образец быстро охлаждается до температуры распада, и переохлажденный аустенит распадается не в процессе охлаждения, а при постоянной температуре.

Диаграмма изотермического распада аустенита представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 – Диаграмма изотермического распада аустенита стали эвтектоидного состава

Левее первой кривой, объединяющей точки а, а₁, а₂ и т. д., и выше М_н находится область переохлажденного аустенита (инкубационный период). Эта кривая характеризует устойчивость переохлажденного аустенита при различных температурах и любая точка на ней при заданной постоянной температуре указывает время начала, а точка на второй кривой (в, в₁, в₂ и т. д.) — время конца распада аустенита. Правее второй кривой находятся продукты распада — перлит, сорбит, троостит и бейнит, образование которых зависит от условий протекания диффузионных процессов. А диффузия протекает тем полнее, чем выше температура изотермической выдержки и больше время, затраченное на превращение аустенита.

Механизм превращения аустенита в перлит представлен на рисунке 9.

Рис. 8. Механизм превращения аустенита в перлит

 

При образовании перлита из аустенита ведущей фазой является цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен. Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита. Эти пластинки растут как по толщине, так и по длине. Рост образовавшихся колоний перлита продолжается до столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров.

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит процесс его распада.

Толщина соседних пластинок феррита и цементита определяет дисперсность структуры и обозначается ₀. Она зависит от температуры превращения. В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различное название.

В результате распада аустенита между точками аив (температура 700°С) образуется перлит. Перлит — равновесная структура, представляющая собой механическую смесь феррита и цементита. Его образование требует незначительного переохлаждения аустенита. Перед распадом углерод диффундирует внутри аустенита и скапливается в определенных местах. Затем в месте скопления углерода выделяется пластинка цементитной фазы, которая начинает расти и утолщаться. Ее образование приводит к уменьшению содержания углерода рядом с пластинкой, что способствует в этом месте  превращению и образованию здесь пластинки феррита. Затем начинает расти следующая пластинка цементита, вновь образуется феррит, и таким образом постепенно возникает участок перлита, в котором пластинки цементита и феррита чередуются. Твердость перлита 180—250 НВ.

При переохлаждении до температуры 650°С распад аустенита произойдет между точками а₁ и в₁ — при менее благоприятных условиях для диффузионных процессов, чем при образовании перлита. В результате образуется более мелкая, чем перлит смесь феррита с цементитом (дисперсная), которую называют сорбитом (С) по имени английского ученого Сорби. От перлита сорбит отличается повышенной твердостью (250—350 НВ) и более высокой прочностью, упругостью при достаточной вязкости.

Распад аустенита между точками а₂ и б₂ (температура 550°С) приводит к образованию более мелкой, чем сорбит, смеси феррита с цементом. Эту высокодисперсную смесь называют трооститом (Т) по имени французского ученого Трооста.

Если структура стали включает троостит и зерна другой составляющей, то троостит выделяется более темной окраской. От сорбита троостит отличается более высокой твердостью (350—450НВ), более высокими упругими свойствами и меньшей вязкостью.

Перлит, сорбит и троостит — это смеси феррита и цементита, отличающиеся лишь размерами пластин цементитной фазы и расстояниями между ними (рисунок 10), но это отличие существенно сказывается на механических свойствах. Степень дисперсности пластинок составляющих их фаз (ф+ц) ₀ следующее: у перлита дисперсность 510^-4 – 710^-4 мм, у сорбита 310^-4 – 410^-4 мм, у троостита 110^-4 – 210^-4. Плотность дислокаций у перлита 10⁷ см^-2, у сорбита 10⁸ см^-2, у троостита 10⁹ см^-2.

Рисунок 10 Схема феррито-цементитных структур:

а) перлит; б) сорбит; в) троостит

При температуре ниже 550°С скорость превращения аустенита замедляется (рисунок 7) и самодиффузия атомов железа практически не происходит, а атомы углерода обладают достаточной подвижностью.

Механизм превращения состоит в том, что внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода и участки аустенита, обогащенные углеродом превращаются в цементит.

Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по сдвиговому механизму, путем возникновения и роста зародышей феррита. Образующиеся при этом кристаллы имеют игольчатую форму.

Такая структура, состоящая из цементита и несколько пересыщенного -твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение, называется игольчатым трооститом или бейнитом (Б) по имени американского ученого Бейна. Особенностью является повышенное содержание углерода в феррите (0,1-0,2 %). Бейнит имеет игольчатое строение и более высокую твердость, чем троостит.

Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависят от температуры превращения.

При температуре 550 С ₀ =0,1210^-3 мм – верхний бейнит. Структура характеризуется недостаточной прочностью, при низких относительном удлинении () и ударной вязкости (а_н).

При температуре 300 ^oС ₀ =0,0810^-3 мм – нижний бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.

Рассмотренные превращения происходят в эвтектоидной стали. В доэвтектоидных сталях, содержащих менее 0,8 % углерода, превращение аустенита начинается с образования феррита. Затем после обогащения аустенита углеродом оставшийся раствор, имеющий эвтектоидную концентрацию углерода, распадается и образует перлитные участки структуры. В заэвтектоидной стали превращение аустенита начинается с образования цементита.

Диаграммы изотермического распада аустенита имеют не только теоретическое, но и большое практическое значение. С их помощью осуществляют изотермический отжиг и изотермическую закалку.

Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и т. д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжигом называют операцию термической обработки, при которой путем нагрева, выдержки при установленных температурах до полного завершения структурно-фазовых превращений и последующего медленного охлаждения (со скоростью менее 100 С/ч) получают равновесную (устойчивую) структуру стали (с минимальной плотностью структурных дислокаций 10⁶ – 10⁷ см^-2. Цель отжига – уменьшить внутренние напряжения в металле, уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность. Отжиг делят на отжиг 1 рода и 2 рода.

Отжиг 1 рода – это такой вид отжига, при котором не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями.

Отжиг 1 рода в свою очередь разделяют на насколько групп:

Гомогенизация – отжиг, направленный на уменьшение химической неоднородности металлов, образующейся в результате рекристаллизации. В отличие от чистых металлов, все сплавы после кристаллизации характеризуются неравновесной структурой, т.е. их химический состав является переменным как в пределах одного зерна, так и в пределах всего слитка.

Химическая неоднородность обусловлена различной температурой плавления исходных компонентов. Чем меньше это различие, тем более заметна химическая неоднородность, получающаяся в слитке. Избавится от нее невозможно, можно только уменьшить. Для этого применяют высокотемпературный отжиг с длительными выдержками (от 2 до 48 часов). При высокой температуре подвижность атомов в кристаллической решетке высокая и с течением времени за счет процессов диффузии происходит постепенное выравнивание химического состава. Однако усреднение химического состава происходит в пределах одного зерна, т.е. устраняется в основном дендритная ликвация. Чтобы устранить зональную ликвацию (химическую неоднородность в пределах части слитка), необходимо выдерживать слитки при данной температуре в течение нескольких лет. А это практически невозможно.

В процессе отжига на гомогенизацию происходит постепенное растворение неравновесных интерметаллидных фаз, которые могут образоваться в результате кристаллизации с большой скоростью. При последующем медленном охлаждении после отжига такие неравновесные фазы больше не выделяются. Поэтому после гомогенизации металл обладает повышенной пластичностью и легко поддается пластической деформации.

Рекристаллизационный отжиг. Холодная пластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, таких как вакансии, дислокации. Образование ячеистой структуры происходит с изменением формы зерен, они сплющиваются, вытягиваются в направлении главной деформации. Все эти процессы ведут к тому, что прочность металла постепенно увеличивается, пластичность падает, т.е. возникает наклеп или нагартовка. Дальнейшая деформация такого металла невозможна, т.к. происходит его разрушение. Для снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т.е. нагрев металла до температур выше начала кристаллизации, выдержку с последующим медленным охлаждением. Температура нагрева зависит от состава сплава. Для чистых металлов температура начала рекристаллизации t_p=0,4Тпл, ºК, для обычных сплавов порядка 0,6Тпл, для сложных термопрочных сплавов 0,8Тпл. Продолжительность такого отжига зависит от размеров детали и в среднем составляет от 0,5 до 2 часов. В процессе рекристаллизационного отжига происходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих зародышей. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество дефектов в кристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и металл возвращается в исходное состояние.

Степень деформации определяет размер зерна после отжига. Если она близка к критической (_кр = 5-15 %), то в результате после отжига в металле возникают крупные зерна, что обычно нежелательно. Поэтому перед рекристаллизационным отжигом деформацию металлов производят со степенью 30-60 %. В результате получается мелкозернистая однофазная структура, обеспечивающая хорошее сочетание прочности и пластичности. Увеличение степени деформации до 80-90 % вызывает появление в металле текстуры деформации. После рекристаллизационного отжига текстура деформации меняется на текстуру рекристаллизации. Как правило, это сопровождается резким направленным ростом зерна. Увеличение размеров зерна, т.е. снижение механических свойств, может вызвать также слишком большая температура отжига или большая выдержка. Поэтому при назначении режимов отжига необходимо использовать диаграмму рекристаллизации.

Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная, промежуточная, так и как окончательная термообработка. Как предварительная термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между операциями холодной деформации, если суммарная степень деформации слишком велика и запасов пластичности металла не хватает. Как окончательный вид отжига его применяют в том случае, если потребитель требует поставки полуфабрикатов в максимально пластичном состоянии. В некоторых случаях потребителю требуется полуфабрикат, сочетающий определенный уровень прочности с необходимым запасом пластичности. В этом случае вместо рекристаллизационного отжига используют его разновидность – отжиг на полигонизацию. Отжиг на полигонизацию проводят при температуре, которая ниже температуры начала рекристаллизации. Соответственно при такой температуре происходит лишь частичное устранение наклепа за счет процессов возврата второго рода, т.е. происходит уменьшение плотности дефектов кристаллической решетки, образование ячеистой дислокационной структуры без изменения формы зерен. Степень уменьшения наклепа зависит, прежде всего, от температуры. Чем ближе температура к порогу рекристаллизации, тем меньше наклеп, тем больше пластичность и наоборот.

Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения в металле могут возникать в результате различных видов обработки. Это могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, т.е. появившиеся в результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т.е. возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений производится с помощью специальных видов отжига. Этот отжиг проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации: t_отж = 0,2-0,3 Тпл º К. Повышенная температура облегчает скольжение дислокаций и, под действием внутренних напряжений, происходит их перераспределение, т.е. из мест с повышенным уровнем внутренних напряжений дислокации перемещаются в области с пониженным уровнем. Происходит как бы разрядка внутренних напряжений. При нормальной температуре этот процесс будет длиться в течение нескольких лет. Увеличение температуры резко увеличивает скорость разрядки, и продолжительность такого отжига составляет несколько часов.

Отжиг второго рода – термообработка, направленная на получение равновесной структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения.

При отжиге второго рода нагрев и последующее охлаждение может вызвать как частичную, так и полную замену исходной структуры. Полная замена () в результате двойной перекристаллизации позволяет кардинально изменить строение сплава, уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние напряжения, т.е. полностью изменить структуру и свойства детали. Отжиг второго рода может быть полным и неполным.

Полный отжиг сопровождается полной перекристаллизацией. Структура стали соответствует равновесной диаграмме состояния Fe C для доэвтектоидной стали. Она состоит из феррита и перлита. На рисунке 11 показана структура стали с 0,4 % С после полного отжига при 860 С. Светлые участки – феррит, темные – перлит. 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.

Рисунок 11 – Сталь с 0,4 % С после отжига при 860 С. Феррит и перлит. Травление 4 %-ным раствором HNO₃ в спирте  200.

Нормализация стали. При нормализации сталь нагревают до температуры А_С3 + (30-50 С) или А_Сm + (30-50 С), выдерживают и затем охлаждают на спокойном воздухе. При нормализации из-за более быстрого охлаждения чем при отжиге, происходит некоторое переохлаждение аустенита, в результате распада которого получается перлит тонкого строения с плотностью дислокаций до 10⁷ см^-2; механические свойства и ударная вязкость при этом повышается. Для многих изделий нормализация является окончательной операцией термической обработки.

Перегрев стали при отжиге. На структуру стали влияют кроме скорости охлаждения, температура нагрева и время выдержки. Например, если сталь подвергнуть отжигу не при 860 С (рисунок 11), а при температуре, значительно превышающей точку АС3, например 1000 С, то хотя фазы будут те же, что и после отжига при 860 С, но величина зерен, их форма и расположение будут иными.

Сталь, содержанием 0,4 % С после отжига при 1000 С будет иметь так называемую видманштеттову структуру (по имени Видманштетта, открывшего ее в 1808 г.), характеризующую собой перегрев стали. При нагреве стали до 1000 С зерно аустенита возрастает до значительных размеров и при охлаждении образовавшиеся зерна перлита остаются также крупными, причем феррит выделяется в виде крупных игл (пластин) внутри перлита (рисунок 12).

Рисунок 12 – Сталь с 0,4 % С после отжига при 1000 С. Феррит и перлит (видманштеттова структура). Травление 4 %-ным раствором HNO₃ в спирте  200.

Перегретую сталь с видманштеттовой структурой можно исправить, т. е. сделать снова мелкозернистой. Для этого ее нужно подвергнуть полному отжигу при 860 С и охладить вместе с печью.

Видманштеттова структура наблюдается не только при перегреве при отжиге, но она характерна для литой стали, для сварных швов, для кованной стали, если ковка закончилась при высокой температуре и т. д. Во всех случаях такая структура нежелательна, и ее нужно исправить.

Лабораторная работа № 9