Міністерство освіти і науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

Кременчуцький НАЦІОНАЛЬний університет

імені Михайла Остроградського

КУРС ЛЕКЦІЙ

з навчальної дисципліни

„Термічна обробка”

для студентів денної форми навчання

за напрямом 6.050403 – “Інженерне матеріалознавство”

Кременчук 2011

ЧАСТИНА 1

ТЕОРІЯ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ

Тема 1. Загальна характеристика термічної обробки

1. Роль термічної обробки у матеріалознавстві

2. Класифікація видів термічної обробки

3. Основні положення теорії термічної обробки

Роль термічної обробки у матеріалознавстві

Фізико-механічні і технологічні властивості металів і сплавів на практиці не задовольняють умовам виготовлення або експлуатації деталей (виробів) продукції машинобудування. Щоб змінити вказані властивості в бажаному напрямі, застосовують термічну обробку.

Термічною обробкою називають сукупність послідовних технологічних процесів нагрівання, витримки і охолодження металевих виробів з метою зміни їх фізико-механічних властивостей шляхом керованих структурних перетворень.

Під дією теплової енергії при термічній обробці в металах і сплавах відбуваються внутрішні перетворення, які призводять до зміни мікроструктури в цілому, а саме будови і кількості фаз та розмірів зерен. Причому, після припинення теплової дії структурні зміни не зникають.

Академік Андрій Анатолійович Бочвар запропонував визначати види термічної обробки за структурними перетвореннями.

Класифікація видів термічної обробки

А. А. Бочвар визначив такі види термічної обробки металів та сплавів залежно від характеру теплової дії:

• Власне термічна обробка (ТО) без зміни хімічного складу;

• Термомеханічна обробка (ТМО), яка об’єднує термічну дію і пластичне деформування;

• Термо-хімічна обробка (ТХО), при якій під дією високих температур і дифузійних процесів досягають зміни хімічного складу поверхневих шарів з подальшою їх термообробкою.

Режим термічної обробки включає стадії нагрівання до певної температури, витримки при заданій температурі протягом певного часу і охолодження із заданою швидкістю.

Термо-механічна обробка є розвитком ТО, коли на метал (сплав) накладаються ще й деформації.

Термо-хімічна обробка передбачає комбінацію термічного та хімічного впливу на метали (сплави) для зміни хімічного складу та властивостей у поверхневих шарах.

Основні положення теорії термічної обробки

Метою термічної обробки металів (сплавів) є зменшення залишкових механічних, термічних або деформаційних напруг у виробах, зменшення внутришньокристалічної ліквації у відливках, часткове або максимально можливе підвищення твердості та міцності.

Залежно від поставленої задачі застосовують різні методи термічної обробки.

Графічно режим термічної обробки може бути представлений в координатах „температура – час” (рис. 1.1).

Режим термічноъ обробки характеризується такими основними параметрами:

τ_н – час нагрівання;

τ_в – час витримки;

τ_ох – час охолодження;

Т_кр – критична температура;

Т_н – температура нагрывання;

V_н – швидкість нагрівання;

V_ох – швидкість охолодження.

Це найпростіший вид термічної обробки. Більш складні процеси включають декілька нагрівань, ступінчасте нагрівання, охолодження до низьких температур.

Всі види термічної обробки залежно від характеру впливу на властивості сплавів поділяються на 4 групи:

Перша група – відпали першого роду без фазових перетворень. Цей вид термообробки полягає в нагріванні металу, або сплаву, який знаходиться в нерівноважному стані, з метою приведення його в рівноважний стан. (Причинами попереднього нерівноважного стану можуть бути деформування або неоднорідність зеренного складу.).

Друга група – відпали другого роду, при проведенні яких відбувається фазова перекристалізація. Якщо в сплавах при нагріванні проходить фазове перетворення, то нагрівання вище певної (критичної) температури викликає зміну структурної будови сплаву. (При повільному охолодженні проходить зворотнє перетворення – утворюється рівноважний і стабільний фазовий склад).

Третя група – гартування – вид термічної обробки, при якому (також як і для другої групи) нагрівання викликає фазову перекристалізацію, але в результаті штучного швидкого охолодження зворотнє фазове перетворення не встигає пройти. Отримана при цьому структура являється зафіксованим високотемпературним станом. Такий стан є нерівноважним і нестійким.

Четверта група – відпуски – види термообробки, в результаті проведення яких знімається нерівноважний стан в попередньо загартованих сплавах. Досягається це нагріванням нижче температури фазових перетворень. Якщо відпуск відбувається при кімнатній температурі або при невисокому нагріванні (до 50 – 150 °С), його називають старінням. Старіння – це різновид відпуску. Відпуск і старіння є вторинними операціями, які проводять після гартування.

Теоретичною основою для вивчення і проведення процесів термічної обробки є діаграми стану. За їх допомогою з’ясовують принципову можливість проведення процесу термообробки, визначають температурні режими їх проведення.

Виділяють 3 основні групи сплавів:

1. Сплави, в яких не відбуваються фазові перетворення в твердому стані (рис. 1.2).

2. Сплави, в яких розчинність компонентів змінюється в твердому стані

3. Сплави, в яких відбуваються евтектоїдні перетворення.

Рисунок 1.2 – діаграми стану сплавів, в яких не відбуваються перетворення в твердому стані

Метою термообробки є підвищення пластичності і отримання структури, близької до рівноважної або, навпаки, отримання нерівноважної структури з високою міцністю і твердістю.

Аналіз діаграм стану дозволяє зробити висновок про можливість термічної обробки сплавів.

1. Для сплавів, в яких не відбуваються фазові перетворення в твердому стані (рис. 1.2), застосовують лише термообробку першого роду (відпал без фазових перетворень).

Стан таких сплавів після теплової дії стає більш рівноважним, підвищується пластичність, зменшується неоднорідність складу.

2. В сплавах зі змінною розчинністю компонентів в твердому стані і в сплавах з евтектичними перетвореннями при нагріванні виникають необхідні умови для створення в подальшому, в процесі охолодження, нерівноважної структури, здатної до зміцнення.