МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт металлургии и химии

Кафедра металлургических технологий

Термическая обработка металлов и сплавов. Курс лекций.

Направления: 651300 – металлургия;

650800 – теплоэнергетика

Специальности: 150101 – металлургия черных металлов;

150106 – обработка металлов давлением;

140104 – промышленная теплоэнергетика

Череповец

2006

Учебно-методическое пособие «Курс лекций по дисциплине «Термическая обработка металлов и сплавов»»: – Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2006. – 75 с.

Рассмотрено на заседании кафедры металлургических технологий, протокол № ___ от «___»________2006 г.

Одобрено редакционно-издательской комиссией Института металлургии и химии ГОУ ВПО ЧГУ, протокол № ____ от «____»_______ г.

Составитель: Г.С. Козлов – канд. техн. наук, доцент

Н.А. Злокина – старший преподаватель

Рецензенты: В.В. Ермилов – канд. техн. наук, доцент (ГОУ ВПО ЧГУ); С.Н. Сумин – канд. техн. наук, доцент (ГОУ ВПО ЧГУ)

Научный редактор: З.К. Кабаков – д-р техн. наук, профессор

 ГОУ ВПО Череповецкий государствен-

ный университет, 2006

Введение

Термическая обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры без изменения внешней формы изделий.

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металла. Термическая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданных уровень физико-механических свойств детали.

Повышение прочности и долговечности деталей зависит от качества термической обработки. Поэтому, не изучив основных свойств стали, не ознакомившись с теми превращениями, которые совершаются в ней при нагреве и охлаждении, невозможно правильно выбрать и сознательно выполнить режим термической обработки.

Диаграмма состояния Fe – C дает представление о фазовых и структурных превращениях в условии равновесия, т.е. при очень малой степени переохлаждения (перенагрева). Повышенные скорости охлаждения тормозят диффузионные процессы, а при больших степенях переохлаждения они полностью прекращаются. Поэтому состав и строение фаз и структурных составляющих, образующихся при термической обработке в процессе высоких скоростей охлаждения, значительно отличаются от равновесных. Вследствие этого изменяются и свойства сплавов железа. В основах теории термической обработки лежат фазовые превращения, протекающие в неравновесных условиях. Поэтому ниже рассматривается влияние температуры и времени превращения, т.е. влияние кинетики, на структуру и свойства сплавов на железной основе.

1. Виды термической обработки стали

В металловедении принято обозначать критические точки стали буквой А по начальной букве французского слова arret - остановка. Критические точки А₁ лежат на линии PSK (727 °С) диаграммы железо - углерод и соответствуют превращению перлита в аустенит Критические точки А₂ находятся на линии МО (768 °С), характеризующей магнитное превращение феррита. А₃ соответствует линиям GS и SE. На линии GS начинается выделение феррита из аустенита при охлаждении или завершается превращение феррита в аустенит при нагреве. На линии SE начинается выделение вторичного цементита из аустенита при охлаждении или заканчивается его растворение в аустените при нагреве.

В следствие теплового гистерезиса превращения при нагреве и охлаждении проходят при разных температурах. Поэтому для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении вводят дополнительные индексы: букву «с» в случае нагрева и «г» в случае охлаждения, например Ас₁, Ас₃, Аr₁, Ar₃.

Различают три основных вида термической обработки металлов: собственно термическую обработку, химико-термическую и термомеханическую обработки. Собственно термическая обработка предусматривает только температурное воздействие на металл. При химико-термической обработке (ХТО) в результате взаимодействия с окружающей средой при нагреве меняется состав поверхностного слоя металла и происходит его насыщение различными химическими элементами. Термомеханическая обработка (ТМО) предусматривает изменение структуры металла за счет как термического, так и деформационного воздействия. При ТМО наклеп оказывает влияние на кинетику фазовых и структурных превращений, сопровождающих термообработку. Собственно термическая обработка включает в себя отжиг, нормализацию, закалку, отпуск и старение.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий в неравновесном состоянии и приводящая его в более равновесное, называется отжигом. Охлаждение после отжига выше критических точек производится с печью.

Нагрев при отжиге может производиться ниже или выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига.

Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производится с целью приведения его в устойчивое состояние за счет снятия напряжений, уменьшения искажений кристаллической решетки, диффузии атомов, рекристаллизации, называется отжигом первого рода, так как отжиг этого типа не связан с превращениями в твердом состоянии, он возможен для любых металлов и сплавов.

Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом второго рода или перекристаллизацией.

Если после нагрева выше температур фазовых превращений охлаждение ведется не в печи, а на воздухе, имеет место нормализация, являющаяся переходной ступенью от отжига к закалке.

Различают два вида закалки: с полиморфным превращением и без него.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве выше температур фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением для получения структурно неравновесного состояния, называется закалкой с полиморфным превращением. Этот вид закалки характерен для сплавов железа с углеродом. После закалки в сплаве сохраняется структура пересыщенного твердого раствора или структура, состоящая из продуктов превращения твердого раствора разной степени дисперсности.

При медленном охлаждении стали при прохождении критической точки Аr₁ аустенит распадается на ферритно-цементитную смесь: А Ф + Ц. С ростом скорости охлаждения превращение происходит при все более низких температурах. При достаточно большой скорости охлаждения распад аустенита может не произойти и аустенит, т. е. твердый раствор углерода в Fe_, превратится в мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в Fe_α.

Состояние закаленного сплава характеризуется особой неустой­чивостью. Процессы, приближающие его к равновесному состоя­нию, могут идти даже при комнатной температуре и резко уско­ряются при нагреве.

Термическая обработки, представляющая нагрев закаленного сплава ниже температур фазовых превращений (ниже Ас₁) для приближения его к структуре более устойчивому состоянию, на­зывается отпуском.

Закалка без полиморфного превращения состоит из нагрева до температур растворения избыточной фазы и получения однород­ного твердого раствора с быстрым охлаждением для фиксации пере­сыщенного твердого раствора и получения структурно неустой­чивого состояния.

Между отпуском и отжигом 1 рода много общего. Разница в том, что отпуск - всегда вторичная операция после закалки.

Самопроизвольный отпуск, происходящий после закалки без полиморфного превращения, в результате длительной выдержки при комнатной температуре, или отпуск при сравнительно небольшом подогреве называется старением. Старение также приближает состояние сплава к более устойчивому.

Принято различать первичную и вторичную термическую обработку. Целью первичной термической обработки, чаще всего отжига или нормализации, является подготовка структуры сплава к последующим операциям пластической, механической и окончательной термической обработки. Назначением вторичной термической обработки является получение окончательной структуры и необходимых физико-механических свойств сплава.

Основными структурами стали, переход которых из одной в другую характеризует основные превращения, являются:

1. Аустенит А - твердый раствор углерода в -железе.

2. Мартенсит М — пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.

3. Перлит П — эвтектоидная смесь феррита и цементита Ф + Fe₃C.

При термической обработке стали различают четыре основные превращения:

1. Превращение при нагреве перлита в аустенит П  А.

2. Превращение при охлаждении аустенита в перлит А  П.

3. Превращение при охлаждении аустенита в мартенсит АМ.

4. Превращение мартенсита в перлитные структуры М  П.