05 семестр / К экзамену-зачёту / тряпки шпоры / тряпки

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их струк­туры и свойств.

Термической обработке подвергают -слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, ин­струменты.

Основные виды термической обработки - отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеег не­сколько разновидностей.

Отжиг -термическая обработка, в ре­зультате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к рав­новесной: отжиг вызывает разупрочне­ние металлов и сплавов, сопровождаю­щееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжении

Закалка термическая обработка, в ре­зультате которой в сплавах образуется неравновесная структура

Отпуск и старение — термическая об­работка. в результате которой в предва­рительно закаленных сплавах происхо­дят фазовые превращения, приближаю­щие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокою уровня свойств (твердости, характеристик про­чности, коэрцитивной силы, удельного электрическою сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием

Основные виды термической обработки стали

Горячекатаные полуфабрикаты, по­ковки. штамповые заготовки и стальные отливки отжигают или нормализуют; легированные стали после нормализа­ции подвергают высокотемпературному отпуску.

Отжиг и нормализация могут быть промежуточными видами термической обработки, если детали или инстру­менты после обработки резанием тер­мически упрочняются, а в некоторых случаях эти виды обработки опреде­ляют и эксплуатационные свойства ме­талла, если к специальному термическо­му упрочнению не прибегают.

Термическое упрочнение состоит из закалки и последующего отпуска.

Отжиг сталей. Существует несколько разновидностей отжига, из них для кон­струкционных сталей наибольшее при­менение находит перекристаллиза­ционный отжиг, а для инструмен­тальных сталей - сфероидизирующий отжиг.

Перекристллизационныи отжиг кон­струкционных стилей. Конструкцион­ные стали чаще всего содержат углерод в количестве до 0.1%, т. е. являются до-эвтектоидными сталями.

Перекристаллизационный отжиг про­водят для снижения твердости, повыше­ния пластичности и получения однород­ной мелкозернистой структуры. Одно­временно при отжиге полностью сни­маются остаточные напряжения.

Полуфабрикаты из конструкционных сталей после литья или горячего дефор­мирования из-за ускоренного охлажде­ния с высоких температур могут иметь повышенную твердость, что затруднит их обработку резанием и приведет к по­нижению пластичности. Кроме того, от­ливки и горячедеформированная сталь часто приобретают структурные де­фекты, ухудшающие свойства.

Характерный структурный дефект стальных отливок - крупнозернистость.

При ускоренном охлаждении крупно­зернистого аустенита создаются усло­вия для образования видманштеттовой структуры. При ее образовании выполняется принцип размерного и струк­турного соответствия, в результате чего кристаллы доэвтектоидного феррита ориентированно прорастают относи­тельно кристаллической решетки аустенита и имеют форму пластин.

Размер зерна аустенита, образующе­гося после обработки давлением, как показывает опыт, определяется темпера­турой окончания обработки

При обработке давлением включения вытягиваются. Феррит, зарождаясь на вытянутых включениях, образует вытя­нутые скопления. Строчечность струк­туры, вызванная неметаллическими включениями, не исправляется отжигом.

Для полной перекристаллизации структуры конструкционные стали на­гревают до температуры, превышающей температуру Ас3 па 30—50°С. При более высоком нагреве произойдет укрупнение аустенитных зерен. После сквозного прогрева изделия следует медленно ох­лаждать, чтобы обеспечить в результате распада аустенита равновесную феррит-но-перлитную структуру и, соответ­ственно, низкую твердость и высокую пластичность.

Скорость охлаждения при отжиге вы­бирают в зависимости от степени леги-

рованности стали. Углеродистые стали получаются достаточно мягкими при скорости охлаждения 100--200 °С/ч. Ле­гированные стали с более высокой устойчивостью переохлажденного аусте­нита нужно охлаждать медленнее, со скоростью 20 70 °С /ч. Высоколегиро­ванные стали экономичнее подвергать изотермическому отжигу, т. е. дать вы­держку при температуре немного мень­шей Ar1, чтобы получить продукты рас­пада аустенита с низкой твердостью.

Охлаждение при отжиге чаще всего проводят вместе с печыо.

Сфероидизирующий отжиг инстру­ментальных стилей. Инструментальные стали для режущего, измерительного инструмента и для ин­струмента, деформирующего металл в холодном состоянии, содержат угле­род в количестве от 0,7 до 2%. Высокое содержание углерода обусловливает вы­сокую твердость инструментальных ста­лей, что затрудняет их обработку реза­нием. Для снижения твердости такие стали отжигают. Для заэвтектоидных сталей сфероидизирующий отжиг, кро­ме того, подготовляет структуру к за­калке.

Наименьшую твердость имеют стали со структурой зернистого перлита, ког­да цементит перлита имеет округлую формуй Отсюда и название отжига «Сфероидизация».

Зернистый перлит в инстру­ментальных сталях обычно получают путем нагрева сталей до температуры немного выше, чем Ас1, 750 770 °С, и последующего медленного охлажде­ния или изотермической выдержки при субкритической температуре 650-680°С. При нагреве до температуры, лишь не­много превышающей критическую, да­же в доэвтектоидных сталях сохраняют­ся нераспавшиеся мелкие карбидные частицы, которые при охлаждении или изотермической выдержке выполняют роль центров кристаллизации сферои­дального цементита.

В заэвтектоидных сталях требуется

сфероидизировать не только эвтектоидный цементит, по и цементит вто­ричный (избыточный), который при на­рушениях режима обработки давлением выделяется в виде сплошных оболочек аустенитных зерен (на шлифе-сетка). Этот заэвтсктоидный цементит сферои-дизирустся труднее, чем цементит пер­лита, поэтому зазвтектоидные стали предварительно нагревают выше тем­пературы Асm, для распада цементита и охлаждают на воздухе. Такая обработ­ка вызывает измельчение цементита и разрыв сетки цементита на границах зерен, что облегчает сфероидизацию при вторичном нагреве.

Низко-, средне- и высоколегиро­ванные инструментальные стали сфероидизируют аналогичным образом, од­нако чаще вместо непрерывного охла­ждения от температуры нагрева исполь­зуют субкритические изотермические выдержки.

Нормализация сталей. Нормализации, так же как и перекристаллизационному отжигу, чаще всего подвергают кон­струкционные стали после горячей

обработки давлением и фасонного литья. Нормализация отличается от от­жига в основном условиями охлажде­ния; после нагрева до температуры на 50-70 °С выше температуры Ас3 сталь охлаждают на спокойном воздухе.

Нормализация - более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как меньше времени затрачивается на охлаждение стали. Кроме того, норма­лизация, обеспечивая полную перекри­сталлизацию структуры, приводит к по­лучению более высокой прочности ста­ли, так как при ускорении охлаждения распад аустенита происходит при более низких температурах.

Легированные конструкционные стали с повышенной устойчивостью переохла­жденного аустенита после нормализа­ции приобретают высокую твердость, затрудняющую последующую обработ­ку резанием. В связи с этим после нор­мализации проводят отпуск при темпе­ратурах, обеспечивающих получение требуемой твердости (650-750 С, в зави­симости от состава стали).

После нормализации углеродистых и низколегированных сталей, так же как и после отжига, образуется ферритно-перлитная структура, однако имеются и существенные структурные отличия. При ускоренном охлаждении, характерном для нормализации, доэвтектоидный феррит при прохождении температурно­го интервала Аr3 – Аr1 выделяется на границах зерен аустенита; поэтому кри­сталлы феррита образуют сплошные или разорванные оболочки вокруг зерен аустенита — ферритную сетку.

Нормализация позволяет несколько уменьшить анизотропию свойств, вы­званную наличием в горячедеформированной стали вытянутых неметалличе­ских включений. При ускоренном охла­ждении (по сравнению с отжигом) воз­никает больше самопроизвольно обра­зующихся центров кристаллизации, по­этому строчечность структуры менее резко выражена. Это дополнительное преимущество данного вида обработки.

Свойства нормализованных горячека­таных полуфабрикатов существенно за­висят от сечения: чем меньше сечение, тем быстрее произойдет охлаждение на спокойном воздухе и тем выше будет прочность стали.

Закалка сталей. В большинстве слу­чаев при закалке желательно получить структуру наивысшей твердости, т. е. мартенсит, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали. При равной твердости структуры, полу­ченные при отпуске мартенсита, имеют лучшие механические свойства, чем структуры, полученные непосредственно в результате распада аустенита, за ис­ключением нижнего бейнита.

В зависимости от температуры нагре­ва закалку называют полной и непол­ной. При полной закалке сталь перево­дят в однофазное аустенитное состоя­ние, т. е. нагревают выше критических

температур Ac3 или Accm при неполной закалке сталь нагревают до межкритических температур между Aс1и Ас3

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура Ас3 + (30— 50 С). Такая температура обеспечивает получе­ние при нагреве мелкозернистого аусте­нита и, соответственно, после охлаж­дения - мелкокристаллического мартен­сита. Недогрев до температуры Ас3, приводит к сохранению в структуре кристаллов доэвтектоидного феррита, что при некотором уменьшении прочно­сти обеспечивает повышенную пластич­ность закаленной стали. ^/Заэвтектоидные стали подвергают не­полной закалке. Оптимальная темпера­тура нагрева углеродистых и низколеги­рованных сталей- температура Ас1 + (30-50°С).

После закалки заэвтсктоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Кристаллы це-ментита тверже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтек-тоидные стали имеют более высокую твердость, чем при полной закалке. Так как сталь предварительно подвергалась сфероидизирующему отжигу, избыточ­ные карбиды округлой формы не вызы­вают снижения вязкости -Высоколегиро­ванные инструментальные стали ледебу-

ритного класса для повышения теплостойкости нагревают при закалке до очень высоких температур, близких к эвтектической При этом происходит распад всех вторичных карбидов, аустенит обогащается не только углеродом, но и легирующми элементами, содержащимися в карбидах. В результате получается высоко легированный, а следовательно, и те- плостойкий мартенсит.

Если высоколегированные инструме тальные стали используют не как тепл стойкие, а только как износостойкие температуру закалки понижают, сохраняя некотрое количество вторичных карбидов не- растворенными. При такой закалке температура нагрева достаточно высокая, (900-1000 С). Это связано с влиянием легирующих элементов на критические температуры стали и с малой скоростью диффузии легирующих элементов в твердом растворе. ( Для получения мартенситной стру туры необходимо переохладить aустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую скорость Vкр

Для углеродистых сталей Vкр cocтавляет от 1400 до 400°С/с. Для то чтобы переохладить аустенит таких ста­лей до температуры мартенситного превращения, необходимо прибегать к очень резкому охлаждению, которое достигается погружением закаливаемых деталей в холодную воду или воду с до­бавками соли или едкого натра

При охлаждении на поверхности стальной детали не должна образовать­ся паровая пленка, препятствующая теп­лообмену с закалочной средой.

Лучшей является стадия пузырьково­го кипения охлаждающей жидкости. Чем больше температурный интервал этой стадии, тем интенсивнее охлаждает закалочная среда.

Лучше пользоваться добавками едко­го натра, так как щелочная среда не вы­зывает последующей коррозии стальных деталей. Многие легиро­ванные стали приобретают мартенситную структуру при охлаждении в хо­лодных или подогретых маслах, а высоколегированные стали закаливаются на мартенсит даже при охлаждении на воз­духе.

Охлаждение при закалке наиболее просто осуществляется погружением за­каливаемой детали в жидкую среду (во­ду или масло), имеющую температуру 20-25 С. Однако в некоторых случаях для уменьшения деформации (коробле­ния) деталей или для предотвращения образования трещин условия охлажде­ния усложняют.

Коробление и растрескивание вызы­ваются значительными остаточными на­пряжениями, возникающими при закал­ке. Основной источник напряжений - увеличение объема при превращении аустенита в мартенсит. Модуль упруго­сти в температурном интервале мартен­ситного превращения достаточно велик, поэтому возникающие из-за объемных изменений напряжения релаксируют с малой скоростью. Значительные ма­кроскопические напряжения возникают из-за неодновременности превращения по сечению, а также в закаливаемых де­талях сложной формы. Остаточные на­пряжения уменьшаются при условии одновременного превращения по сече­нию и понижения скорости охлаждения в интервале температур Мн-Мк.

В практике термической обработки сталей широкое использование нашли следующие способы охлаждения, позво­ляющие значительно уменьшить вели­чину остаточных напряжений: закалка в двух средах и ступенчатая закалка.

Закалки в двух средах. После нагрева под закалку деталь погружается па определенное время в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение температурного интервала минималь­ной устойчивости аустенита, а затем переносится и более мягкую охлаждаю­щую среду, обычно в масло.

Ступенчатая закалка. При ступенча­той закалке деталь, нагретую до темпе­ратуры закалки, переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50-100 °С выше мартенситной точки Мн закаливаемой стали, и выдерживают не­большое время, необходимое для вы­равнивания температуры но сечению, а затем окончательно охлаждают на спокойном воздухе Получение мартенсита при таком спо­собе охлаждения возможно только в ле­гированных сталях с достаточно высо­кой устойчивостью переохлажденного аустенита в интервале температур пер­литного превращения.

К ступенчатой закалке прибегают обычно при термической обработке ин­струментов небольшого сечения из низ­ко- и среднелегированных сталей. До­стоинство указанного способа охлажде­ния состоит также в возможности прав­ки инструментов в специальных приспо­соблениях при охлаждении после изо­термической выдержки.

Изотермическая закалка. В некоторых случаях после закалки на мартенсит и последующего отпуска не удастся по­лучить достаточной прочности и вязко­сти, тогда применяют изотермическую закалку на нижний бейнит, обладающий высокой вязкостью и прочностью.

При изотермической закалке нагре­тую деталь переносят в ванну с распла­вленными солями, имеющую темпера­туру на 50-100 °С выше мартенситной точки Мн и выдерживают при этой тем­пературе до завершения превращения аустенита в бейнит и затем охлаждают па воздухе

Изотермическая закалка, так же как

и ступенчатая, применима только к ста­лям с достаточной устойчивостью пере­охлажденного аустенита.

Для предотвращения коробления из­делий, таких, как ножовки, пилы, бритвы, их охлаждают заневоленными, например, в массивных медных или стальных плитах; скорость охлаждения в этих условиях оказывается меньшей, чем в маслах.

Обработка холодом . Обработкой хо­лодом называют охлаждение зака­ленных деталей до температуры, мень­шей 20-25 С.

Обработке холодом подвергают зака­ленные легированные стали, для ко­торых температура конца мартенситно­го превращения Мк значительно ниже температуры 20-25 °С. Вследствие этого, после охлаждения до этой температуры, наряду с мартенситом в структуре оказывается значительное количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит понижает твердость закаленной стали и может вызвать нестабильность размеров готовых деталей, так как, бу­дучи нестабильной фазой, способен к распаду при низкой температуре с малой скоростью. Для стабилизации размеров закаленных изделий и повы­шения их твердости проводится охла­ждение до температуры Мк, в процессе которою аустенит превращается в мар­тенсит. Температура Мк легированных сталей изменяется в широких пределах, поэтому при обработке холодом их ох­лаждают до температур от -40 до -196 °С (температуры жидкого азота).

Остаточный аустенит в процессе вы­держки при температуре 20-25 С не­сколько стабилизируется, поэтому обра­ботку холодом следует проводить сразу после закалки.

Обработке холодом подвергают изме­рительные инструменты, детали подшинников качения, цементированные де­тали из легированных сталей и ряд других изделий.

закаливаемость и прокаливаемость сталей. Закаливаемость и прокаливае­мость - важнейшие характеристики ста­лей. (Закаливаемость определяется твер­достью поверхности закаленной детали и зависит главным образом от содержа­ния углерода в стали При закалке, раз­личных деталей поверхность их, как правило, охлаждается со скоростью, большей Vкр, следовательно, на поверх­ности образуется мартенсит, обладаю­щий высокой твердостью.

Прокаливаемостью называют способ­ность стали закаливаться на определен­ную глубину.

Условились при оценке прокаливаемости закаленными считать слои, в ко­торых содержится не менее 50 % мар­тенсита

Уста­новлено, что легирование стали любы­ми элементами, кроме кобальта, увели­чивает прокаливаемость, так как при этом повышается устойчивость переох­лажденного аустенита.

Отпуск закаленных сталей. Нагрев за­каленных сталей до температур, не пре­вышающих А1, называют отпуском.

В результате закалки чаще всего по­лучают структуру мартенсита с неко­торым количеством остаточного аусте­нита, иногда-структуру сорбита, тростита или бейнита. Рассмотрим измене­ния структуры мартенситно-аустенитной стали при отпуске.

При отпуске происходит несколько процессов. Основной — распад мартенсита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов. Кроме того, распадается остаточный аустенит, совершаются карбидное превра­щение и коагуляция карбидов, уменьшаются несовершенства кристалли­ческого строения -твердого раствора и остаточные напряжения.

Фазовые превращения при отпуске принято разделять на три пре­вращения в зависимости от изменения удельного объема стали. Распад мартенсита и карбидное превращение вызывают уменьшение объема, а распад аустенита — его увеличение.

1)Из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного - карбида, имеющего гексагональную решетку и химический состав, близкий к Fe2C. Дисперсные кристаллы -карбида когерентны с решеткой мартенсита. Обеднение твердого раствора углеродом происходит нерав­номерно: наряду с участками мартенсита, обедненного углеродом (вблизи карбидов), сохраняются участки с исходным содержанием углерода.

2)Одновременно происходит несколько процессов: продолжается распад мартенсита, распадается остаточный аустенит и начинается карбид­ное превращение. Распад мартенсита распространяется на весь объем, концентрационная неоднородность твердого раствора исчезает; в мартен­сите остается около 0,2 % растворенного углерода. Распад остаточного аустенита происходит по механизму бейнитной реакции: образуется смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. При температурах около 250 °С начинается превращение -карбида в цемен­тит; при этом когерентность решеток твердого раствора и карбида нару­шается.

3)Завершаются распад мартенсита и карбидное превращение. Из мартенсита выделяется весь пересыщающий углерод в виде карбидов, тетрагональность решетки -твердого раствора устраняется — мартенсит переходит в феррит.

Влияние легирующих элементов на процесс отпуска. Многие легирующие элементы повышают температуры вто­рого и третьего превращений, умень­шают скорость коагуляции карбидов и влияют на карбидные превращения при отпуске.

При легировании сталей Cr, Mo, W, V, Со и Si затрудняется распад мартен­сита: он завершается при нагревах до температуры 450-500 °С; карбидообразующие элементы (Cr, Mo, W, V) умень­шают скорость диффузии углерода вследствие химического сродства с ним;Со и Si. не образующие карбидов в ста­лях. а также большинство карбидообразующих элементов увеличивают силы межатомной связи в твердом растворе. Вследствие этого стали приобретают повышенную сопротивляемость отпуску (теплостойкость).