Основы теории термической обработки стали.

Термической обработкой называют процесс обра­ботки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменить их структуру и свойства в заданном направлении. Наиболее широко термическая обработка применяется при изготовлении деталей из стали.

Основоположником теории и разработки рациональных методов термической обработки стали является русский учёный Д.К.Чернов. Приоритет в создании многих методов термической обработки сплавов принадлежит русским учёным.

На результат термической обработки влияют время (скорость) и температура нагрева, время (продолжительность) выдержки и время (скорость) охлаждения.

Таким образом основными факторами термической обработки является температура и время. Поэтому процесс термической обработки обычно изображают в виде графика в координатах температура – время (рис. 11.1). Если термическая обработка состоит только из одной операции, то она называется простой (рис. 11.1, а), а если из нескольких операций — сложной (рис. 11.1, б)

Рис. 11.1 Схема термической обработки;

а – простая; б – сложная

 

Теория термической обработки стали основана на общей теории фазовых превращений, протекающих в сплавах в твердом состоянии. Зная, как протекают фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью, можно управлять процессами термической обработки и получать сталь с необходимыми структурой и свойствами

Возможность упрочнения сталей путём термической обработки обусловлена наличием аллотропических превращений в твёрдом состоянии. Охлаждая аустенит с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.

Наглядное представление о распаде переохлажденного аустени­та дает диаграмма его изотермического превращения (рис. 11.2).

Кривая 1 графика соответствует началу распада аустенита при различных степенях переохлаждения; левее ее на­ходится переохлажденный аустенит (область А). Кривая 2 показывает оконча­ние процесса распада аустенита на ферритоцементитную смесь (область П). Горизонтальная прямая М_Н характеризует начало, а прямая М_К — конец без­диффузионного превращения аустени­та в мартенсит.

На диаграмме показаны кривые ско­ростей охлаждения стали. Малая ско­рость V₁ охлаждения приводит к образо­ванию грубой смеси феррита и цементи­та, перлита с твердостью HRC 10. Чем выше скорость охлаждения, тем более мелкодисперсна образующаяся ферритоцементитная смесь.

 

Рис. 11.2. Диаграмма изотермического

превращения аустенита

 

Сорбит (первая закалочная структура), получающийся при ско­рости охлаждения стали V₂, представляет собой смесь феррита и цементита; он отличается от перлита более тонкодисперсным стро­ением, твердость сорбита НRС 20. Стали с сорбитной структурой износостойкие, используются для изготовления нагруженных из­делий.

Троостит (вторая закалочная структура) получается при скорос­ти охлаждения V₃, в результате распада переохлажденного аустенита при 500—550 "С, обладает значительной упругостью; представляет собой тонкодисперсную смесь феррита и цементита. Твердость трoостита составляет НRС 30.

Сталь со структурой троостита отличается высокими значения­ми прочности и упругости. Ее используют главным образом для изготовления пружин и рессор.

Превращение аустенита в мартенсит происходит при очень бы­стром охлаждении (V₅ > V_KP). При этом фиксируется типичная для мартенсита игольчатая структура. Он представляет собой пересы­щенный твердый раствор углерода в α-железе.

Мартенсит — твердая и хрупкая структура; твердость его составляет НRС 62—66.

При скорости охлаждения V₄ структура стали состоит из троостита и мартенсита.

 

 

Рис. 11.3.

Верхний ряд

Структуры (×1000) мартенсита

а – пластина в плоскости шлифа; б – мартенситные иглы

Нижний ряд

Структуры (× 7500) перлита (а), сорбита (б), и троостита (в)

 

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Что называется термической обработкой металла?

2. Какие металлы подвергаются термообработке?

3. Какие основные условия получения закалочных структур: сорбита, троостита и мартенсита?

 

Отжиг

Отжигом называется процесс термической обработки, заклю­чающийся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем, как правило, медленном охлаждении (в печи) с целью получения более равновесной структуры.

Для отжига применяют камерные и толкательные печи, а также специальные агрегаты.

Отжиг первого рода. Это отжиг, при котором, как правило, не

происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты.

Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный, рекристаллизационный и уменьшающий напряжения.

Гомогенизационный отжиг, или гомогенизация, применяется для, выравнивания химической неоднородности (за счет диффузии) зерен твердого раствора, т. е. уменьшения микроликвации в фасонных отливках и в слитках главным образом из легированной стали.

В процессе гомогенизации слитки нагревают до 1100…1200° С, выдерживают при этой температуре 8…15 ч, а затем медленно охлаж­дают до 200…250°С. Продолжительность отжига 80…110ч.

Рекристаллизационному отжигу подвергают сталь, деформирован­ную в холодном состоянии. Наклеп может оказаться столь большим, что сталь становится мало пластичной и дальнейшая дефор­мация становится невозможной. Для возвращения стали пластичности и возможности дальнейшей деформации изделия проводят рекристалли­зационный отжиг.

При нагреве холоднодеформированной (наклепанной) стали до температуры 400…450°С изменений в строении стали не происходит, механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При дальнейшем нагреве механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается. Это происходит в результате изменения строения стали. Вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными.

Рекристаллизация начинается с появления зародышей на границах деформированных зерен. В дальнейшем зародыши растут за счет деформированных зерен, в связи с чем происходит образование новых зерен, пока деформированных зерен совсем не оста­нется

Под температурой рекристаллизации подразумевается температу­ра, при которой в металлах, подвергнутых деформации в холодном состоянии, начина­ется образование новых зерен.

А. А. Бочвар установил зависимость между темпера­турой рекристаллизации и температурой плавления чистых металлов:

 

Т _РЕКР ═ 0,4 Т_ПЛ,

где Т _РЕКР и Т_ПЛ — соответственно температуры рекристаллизации и плавления в кельвинах по термодинамической шкале.

Температуры рекристаллизации для некоторых металлов таковы:

Молибден............900°С Медь..........270°С.

Железо..........450°С Свинец........... 30°С

В связи с тем что при температуре рекристаллизации процесс образования новых зерен происходит очень медленно, для ускорения процесса холоднодеформированные металлы и сплавы нагревают до более высокой температуры, например углеродистую сталь до 600…700°С, медь до 500…700°С. Эти температуры и являются температу­рами рекристаллизационного отжига.

В зависимости от степени деформации размер зерна стали после рекристаллизации получается различный. При определенной степени деформации (для стали 7…15 %) после рекристаллизации получаются очень большие зерна. Такая степень деформации называется крити­ческой степенью деформации.

Во избежание сильного роста зерна при рекристаллизации деформа­цию стали заканчивают со степенью обжатия, больше чем критическая степень деформации, или проводят отжиг с полной фазовой перекри­сталлизацией.

Отжиг, уменьшающий напряжения. Это нагрев стали до темпера­туры 200…700°С (чаще до 350…600°С) и последующее охлаждение

с целью уменьшения внутренних напряжений после технологических операций (литье, сварка, обработка резанием и др.).

Отжиг второго рода. Это отжиг, при котором фазовые превращения (перекристаллизация) определяют его целевое назначение. Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный, изотермический, нормализационный (нормализация).

Полному отжигу подвергают доэвтектоидеую сталь с целью создания мелкозернистой структуры, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений.

При полном отжиге дозвтектоидную сталь нагревают до темпера­туры на 20—30°С выше критической точки Ас₃, т. е. на 20…30 °0 выше линии диаграммы GS железо—цементит (см. рис. 7.1).

 

 

Рис. 11.4. Микроструктура доэвтектоидной стали (× 500)

а – до отжига; б – после отжига

 

При нагреве до такой температуры крупная исходная ферритно-перлитная структура превращается в мелкую структуру аустенита. При последующем медленном охлаждении (в печи со скоростью 100…200°С в час до 500° С и далее на воздухе) из мелкозернистого аустенита образуется мелкая ферритно-перлитная структура (рис. 12.4). При полном отжиге происходит измельчение ферритно-перлитных зерен доэвтектоидной стали.

Заэвтектоидную сталь полному отжигу с нагревом выше критической точки Аст (линия SE на рис. 7.1) не подвергают, так как при медленном охлаждении цементит располагается в виде сетки по грани­цам зерен перлита, ухудшая механические и другие свойства.

Неполному отжигу подвергают заэвтектоидную и. эвтектоидную сталь с целью превращения пластинчатого перлита и сетки цементита в структуру зернистого перлита. Заэвтектоидная сталь со структурой зернистого перлита обладает лучшей обрабатываемостью резанием благодаря более низкой твердости. (Для стали с зернистым перлитом твердость НВ 160…180, для стали с пластинчатым перлитом— НВ 180…250.)

Для получения зернистого перлита заэвтектоидную сталь нагревают до температуры немного, выше точки Ас₁ (см. рис. 7.1) до 740…780°С. При нагреве до такой температуры происходит превращение в аустенит только перлита, а цементит остается и образуется структура цементит + аустенит. При последующем медленном охлаждении (в печи со скоростью 20…60°С в час до 700…650°С с дальнейшим охлаждением на воздухе) из аустенита образуется ферритно-цементитная структура с зернистой формой цементита — зернистый перлит (рис. 11.5).

В связи с тем что при этом виде отжига получается зернистая (сфероидальная) форма цементита, этот отжиг называют сфероидизирующим,

Для облегчения образования зернистого перлита нагрев (до 740…780°С) и^: охлаждение (до 700…650°С) повторяют несколько раз. Такой отжиг, называют маятниковым или циклическим. При этом образовавшиеся зерна цементита во время первого охлаждения явля­ются дополнительными центрами кристаллизации при втором охлажде­нии и т. д.

Рис. 11.5. Микроструктура перлита (× 1000)

а – пластинчатый; б, в – частично превратившийся в зернистый; в – зернистый

 

Доэвтектоидные стали неполному отжигу подвергают редко. Это объясняется тем, что в связи с неполной перекристаллизацией (только одного перлита) не происходит измельчения всей структуры (феррит не подвергается перекристаллизации), и в результате структура, и свойства стали получаются хуже, чем после полного отжига. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием благодаря снижению твердости.

Изотермический отжиг. Характерной особенностью изотерми­ческого отжига является образование ферритно-перлитной структуры из аустенита при постоянной температуре, а не при охлаждении, как при полном отжиге. Поэтому в отличие от полного отжига доэвтектоидную сталь, например, нагревают до температуры Ас₃ + (20…30^о С) и после выдержки быстро охлаждают до температуры немного ниже критической точки Ar₁ (до 700…680°С). При этой температуре сталь выдерживают в течение времени, необходимого для полного распада аустенита и образования ферритно-перлитной структуры. Затем сталь охлаждают на воздухе.

Изотермический отжиг имеет преимущества по сравнению с полным отжигом: сокращается время отжига и получается более однородная структура (но только при обработке малых садок металла).

Нормализационный отжиг (нормализация) заключается в нагреве до температуры выше точки Ас₃ для доэвтектоидной или точки Аст для заэвтектоидной стали с последующим охлаждением на воздухе.

При нагреве до температуры нормализации низкоуглеродистых сталей происходят те же процессы, что и при полном отжиге, т. е. измельчение зерен. Но, кроме того, вследствие более быстрого охлажде­ния и получающегося при этом переохлаждения строение перлита получается более тонким (дисперсным), а его количество большим. Механические свойства при этом оказываются более высокими.

Нормализация по сравнению с полным и неполным отжигом — более экономичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью. В связи с указанными преимуществами нормализация полу­чила широкое применение вместо полного отжига низкоуглеродистых и даже среднеуглеродистых сталей. Нормализация применяется также для устранения цементитной сетки в заэвтектоидных сталях. При нагреве заэвтектоидной стали выше критической точки Аст образуется структура аустенита. Если после такого нагрева при медленном охлаж­дении (при отжиге) цементит выделяется в виде сетки, то ускоренное охлаждение на воздухе (нормализация) препятствует выделению цементита по границам зерен и образуется мелкая ферритно-цементит­ная смесь.

 

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Что называется отжигом?

2. Какова характерная особенность отжига первого рода?

3. Для каких сталей применяется полный отжиг?

4. Чем принципиально отличается отжиг от нормализации?

 

Закалка

3акалкой называют процесс термической обработки, состоя­щий в нагреве стали до оптимальной температуры, выдержке и после­дующем быстром охлаждении с целью получения неравновесной струк­туры. В результате закалки повышаются прочность и. твердость и понижается пластичность стали. Основные параметры закалки — температура нагрева и скорость охлаждения.

Температуру закалки для углеродистых сталей можно определить по левой нижней части диаграммы состояния железо—цементит (рис. 7.1).

Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 30…50°С выше точки Ас₃, т. е. выше линии GS. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения с высокой скоростью (больше критической) обра­зуется мартенсит.

Заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30…50°С выше точки Ac₁ т. е. выше линии SK. Так как эта линия соответствует температуре 727°С, для заэвтектоидной стали можно указать темпе­ратуру нагрева для закалки в интервале 760…790°С. При таком нагреве перлит полностью превращает­ся в аустенит, а часть вторичного це­ментита остается нерастворенной — структура состоит из аустенита и це­ментита. После быстрого охлаждения аустенит превращается в мартенсит. Структура закаленной стали состоит из мартенсита и цементита. Наличие це­ментита в структуре закаленной заэвтектоидиой стали повышает твердость и износостойкость стали.

Время нагрева. Для экономии вре­мени нагрев стали необходимо вести по возможности быстро, однако, не допу­ская образования дефектов. Если, на­пример, детали нагревать, сразу поме­щая их в печь, нагретую до температуры закалки, то возникают значительные внутренние напряжения и в сложных по форме деталях возможно образование трещин. По­этому детали сложной формы перед помещением в печь для на­грева под закалку предварительно подогревают или температуру в печи вместе с помещенными в нее заранее деталями постепенно повышают.

Общая продолжительность нагрева, т. е. общее время пребывания деталей в нагревающей среде, состоит из двух слагаемых: времени нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой тем­пературе. Как говорилось выше, время нагрева деталей до заданной температуры зависит от температуры, конфигурации деталей, мощности и типа печи, размера садки, способа укладки деталей и других факто­ров. Время выдержки выбирают так, чтобы полностью завершились фазовые превращения.

Общая продолжительность нагрева в электропечах составляет 1,5…2 мин на 1мм размера сечения.

Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки.

Поскольку быстрое охлаждение необходимо только в интервале наименьшей устойчивости аустенита, а при дальнейшем понижении температуры, особенно в мартенситном интервале, быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, наилучшей закалочной средой является та, которая способствует быстрому охлаждению от темпера­туры закалки до 200…300°С, а далее в интервале температур мартенситного превращения обеспечивает медленное охлаждение.

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей, щелочей, масло, воздух, расплавленные соли.

При охлаждении в воде и масле, температура кипения которых ниже температуры охлаждаемых в них деталей, скорость охлаждения различна в начальном (стадия пленочного кипения), среднем (стадия пузырчатого кипения) и конечном (стадия конвективного теплообмена) периодах охлаждения.

Стадия пленочного кипения характеризуется образованием вокруг детали паровой пленки, отделяющей раскаленную поверхность от всей массы жидкости. Поэтому скорость охлаждения на данной стадии сравнительно невелика.

Стадия пузырчатого кипения наступает при более низких темпера­турах охлаждаемой поверхности, когда паровая пленка разрушается, создается непосредственный контакт жидкости с деталью; при кипении жидкости возникают многочисленные пузырьки пара, которые, отры­ваясь, уносят значительное количество теплоты, в связи с чем охлажде­ние происходит с большой скоростью.

Стадия конвективного теплообмена наступает, когда температура поверхности становится ниже температуры кипения жидкости. Интен­сивность теплоотдачи в этой стадии низка и охлаждение протекает с небольшой скоростью.

Вода охлаждает в 6 раз быстрее при 550…650°С и в 28 раз быстрее при 200^оС, чем масло. Поэтому вода применяется для охлаждения сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали с малой критической, скоростью закалки (детали малых сечений из легированных или высокоуглеродис­тых сталей).

Основным недостатком воды как охлаждающей среды является высокая скорость охлаждения при температурах образования мартен­сита, что приводит к возникновению больших структурных напряже­ний и создает опасность возникновения трещин. При нагреве воды ее закаливающая способность снижается в области высоких температур (550…650°С), а скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения остается высокой. Поэтому охлаждение в горячей воде не уменьшает возможность образования трещин. Добавление к воде солей, щелочей увеличивает ее закаливающую способность в связи с расширением интервала пузырчатого кипения (почти пол­ностью исключается стадия пленочного кипения). Кроме того, эти растворы при низких температурах в мартенситном интервале охлаж­дают медленнее, чем вода.

Как указано выше, масло охлаждает значительно медленнее, чем вода. Но зато благодаря повышенной температуре кипения (250…300°С) и соответственно более высокой температуре перехода от пузырчатого кипения к конвективному теплообмену масло обладает небольшой скоростью охлаждения в области температур мартенситного превращения, поэтому при охлаждении в масле опасность образования трещин резко уменьшается. Преимуществом масла является также то, что закаливающая способность не изменяется с повышением темпера­туры масла (до 150…200°С). Недостатки масла — это легкая воспла­меняемость, пригорание к поверхности детали; под влиянием высокой температуры охлаждаемых деталей масло постепенно начинает густеть и закаливающая способность его понижается.

 

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Что называется закалкой?

2. С какой целью производится закалка стали?

3. Какие операции включает в себя технологический процесс закалки металла?

 

Отпуск

Отпуск — нагрев до температуры ниже точки Ас ₁с последующим охлаждением с заданной скоростью — проводят для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали и получения требуемой структуры и механических свойств. В зависимости от температуры отпуск делят на низкий, сред­ний и высокий.

Низкий отпуск — при 120…250°С на отпущенный мартенсит применяют для термообработки режущего и измерительного инструмента, деталей подшипников.

Средний отпуск — при 350…450°С на троостит отпуска проводят при изготовлении пружин рессор, штампов.

Высокому отпуску — при 450…650 °С на сорбит отпуска, назы­ваемому также улучшением, часто подвергают детали из среднеуглеродистой конструкционной стали, например валы, оси, шатуны, зубчатые колеса и др.

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. С какой целью проводится отпуск металла после закалки?

2. Какие виды отпуска существуют и какие структуры получаются после их применения?

 

Задание:

1.Составить план ответа на темы «Основы термической обработки металла» и «Отжиг»

2.Составить план ответа на темы «Закалка» и «Отпуск»