Основные виды термической обработки стали — КиберПедия 

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций...

Основные виды термической обработки стали



По диаграмме состояния можно определить, склонен ли данный сплав к восприятию термообработки и в каком температурном диапазоне следует её проводить. Для того, чтобы термическая обработка была эффективной, необходимо, чтобы она привела к изменению свойств, обусловленному фазовыми превращениями.

Согласно диаграмме состояния (рис. 2.1,а) все сплавы в твердом состоянии никаких превращений при нагреве и охлаждении не претерпевают, поэтому и подвергать их термообработке нет смысла. Диаграмма, представленная на рисунке 2.1, а, показывает, что во всех сплавах, лежащих правее точки F, при нагреве происходит растворение избыточной фазы (компонента В) в a-твердом растворе, и при достаточно быстром охлаждении (закалке) может быть зафиксирован пересыщенный твёрдый раствор. Последующий нагрев до температур ниже линии ECD (отпуск) вызовет выделение фазы В из твёрдого раствора. Избыточная фаза может выделиться из закалённого раствора и без отпуска, во время вылёживания при комнатной температуре. Этот процесс называется старением. Закалка с последующим отпуском или старением, например алюминиевых сплавов, приводит к существенному изменению свойств. При этом наиболее эффективно термическая обработка влияет на структуру и свойства сплава, соответствующего точке D (рис. 2.1,б).

Рис. 2.1. Диаграммы состояния

Все сплавы, претерпевшие аллотропические превращения (рис. 2.1,в), могут быть подвергнуты термической обработке. При нагреве до температуры выше эвтектоидной (tэвт) α-фаза превращается в γ-фазу. Последующее охлаждение определяет вид термообработки – отжиг (медленное охлаждение) или закалку (быстрое охлаждение). После отжига структура сплава будет равновесной, после закалки – неравновесной. Если закаленный сплав подвергнуть отпуску (нагреву до температуры ниже эвтектоидной), его структура будет приближена к равновесной. Соответственно изменяются и свойства.

Основой для термической обработки стали является часть диаграммы состояния Fе-C, относящаяся к концентрациям углерода до 2,14% и температуре ниже линии солидуса (рис. 2.2).

2,14

Рис. 2.2. «Стальной» участок диаграммы Fe-C

На этом участке диаграммы приведены общепринятые обозначения критических точек. Их обозначают буквой А с цифрой в зависимости от номера критической точки. Нижняя критическая точка А1 (точка а Чернова) лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенита в перлит. Верхняя критическая точка А3 (точка в Чернова) лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения феррита или цементита из аустенита при охлаждении или концу их растворения при нагреве.



Чтобы отличить критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении, к букве А приписывают соответственную с или r. Таким образом, критические точки А1 и А3 при нагреве обозначают Ас1 и Ас3, а при охлаждении – Аr1 и Аr3 (критическую точку Ас3 для заэвтектоидных сталей часто обозначают Аст).

Ниже приводится определение и характеристика основных видов термической обработки стали.

Отжигом называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве стали выше критической точки Ас3 с последующим медленным охлаждением. В результате отжига в стали формируется близкая к равновесной структура: перлит + феррит (доэвтектоидная сталь), перлит (эвтектоидная), перлит + цементит (заэвтектоидная). Такой отжиг называется полным. Основное назначение отжига – улучшить обрабатываемость резанием за счёт снижения твёрдости стали.

Если отжиг проводят при температуре выше Ас1, но ниже Ас3, то полной перекристаллизации не произойдёт (часть избыточного феррита или цементита не растворится в аустените при нагреве). Такая термическая операция называется неполным отжигом.

Медленное охлаждение при отжиге проводят вместе с печью.

Если после нагрева выше Ас3 провести охлаждение на воздухе, то сталь будет приведена в состояние с заметным отклонением от равновесного. Такая термическая операция называется нормализацией. Свойства стали после нормализации будут промежуточными между свойствами отожжённой и закаленной сталей.

Закалкой называется нагрев стали выше критической точки Ас1 или Ас3 (как при отжиге) с последующим быстрым охлаждением. В результате закалки переохлаждённый аустенит превращается в мартенсит (пересыщенный твёрдый раствор углерода с искажённой решёткой α-железа). Как и отжиг, закалка может быть полной (нагрев выше точки Ас3) и неполной (нагрев выше Ас1). Мартенсит имеет высокую твёрдость, хрупкость, постоянно находится под воздействием остаточных закалочных напряжений.



Отпуск – нагрев закаленной стали до температуры ниже точки Ас1. При отпуске мартенсит превращается в более равновесную структуру – ферритокарбидную смесь.

Таким образом, при термической обработке, в зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения, в стали протекают четыре основных превращения, а именно: превращение перлита в аустенит при нагреве, распад аустенита на ферритоцементитную смесь при медленном охлаждении, превращение переохлаждённого аустенита в мартенсит при быстром охлаждении, превращение мартенсита в ферритокарбидную смесь при отпуске. Рассмотрим более углублённо эти превращения в эвтектоидной стали.

Образование аустенита из перлита и рост аустенитного зерна

При нагреве

Образование аустенита из перлита при эвтектоидной температуре А1 может осуществляться, согласно диаграмме Fе-С, лишь при бесконечно медленном нагреве. При обычных скоростях нагрева превращение протекает, как уже отмечалось, при более высокой температуре (Ас1). Расположение кривых начала и конца превращения (см. рис. 2.2) показывает, что чем быстрее осуществляется нагрев, тем при более высокой температуре и тем быстрее протекает превращение перлита в аустенит.

Зародыши аустенита в перлите появляются на границе между зёрнами (пластинами) феррита и цементита и растут одновременно в сторону феррита и в сторону цементита. К моменту исчезновения ферритных прослоек всегда остаётся не полностью растворившийся цементит. Для растворения остатков цементита и выравнивания состава аустенита (гомогенизация) требуется дополнительная выдержка при температуре превращения.

В углеродистых сталях образование и гомогенизация аустенита протекают быстро. Время выдержки в печи после нагрева составляет максимум несколько минут. Гомогенизация аустенита идёт гораздо дольше в легированных сталях, так как в них неравномерно распределены между ферритом и карбидом как углерод, так и легирующие элементы. Последние диффундируют в стали значительно (на порядки) медленнее, чем углерод, поэтому и требуется более длительная выдержка легированных сталей в печи после нагрева.

Рассмотрим склонность аустенитного зерна к росту при нагреве. От размера зерна аустенита зависит действительный размер зерна после термической обработки, от которого зависят механические свойства изделия. Особенно чувствительна к размеру аустенитного зерна ударная вязкость, которая падает с укрупнением зерна.

К концу превращения перлита в аустенит зерно получается мелким, в связи с сильно развитой ферритокарбидной поверхностью раздела, на которой образуется большое число центров аустенита. После образования зерна аустенита способны к росту, движущей силой которого является свободная энергия границ. С повышением температуры рост зерна аустенита ускоряется.

Увеличение концентрации углерода способствует росту зерна, что можно объяснить понижением солидуса. Повышение содержания углерода сверх предельной концентрации в аустените (линия ЕS диаграммы состояния Fе-С) затрудняет рост аустенитного зерна, что объясняется тормозящим действием цементитной сетки.

Почти все легирующие элементы тормозят рост аустенитного зерна при нагреве. Исключение составляет марганец, который усиливает рост. Наиболее сильно тормозят рост зерна V, Al и Zr, умеренно тормозят рост зерна W, Mo и Cr и слабо действуют Ni и Si. Основной причиной этого действия легирующих элементов считается образование труднорастворимых в аустените карбидов и оксидов, которые являются барьерами для растущего зерна.

Разные плавки одной и той же марки могут сильно различаться по склонности к росту аустенитного зерна, так как они содержат разные количества мельчайших примесей – карбидов, окислов, сульфидов и нитридов, затрудняющих рост зерна. Поэтому склонность стали к росту зерна при нагреве зависит не только от содержания легирующих элементов и углерода, но и от металлургического качества, т.е. от той ее истории, которая предшествует термообработке. В связи с этим различают наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые стали.

В наследственно крупнозернистой стали зерно интенсивно растёт при относительно небольших превышениях температуры над точкой Ас3. В наследственно мелкозернистой стали мелкое аустенитное зерно получается в широком диапазоне температур: от точки Ас3 до 950-1100°С. Переход через этот температурный порог приводит к перегреву наследственно мелкозернистой стали (интенсивному укрупнению зерна и связанному с этим падению ударной вязкости).

Для определения склонности стали к росту зерна пользуются стандартной технологической пробой, которая состоит в следующем. Доэвтектоидную сталь цементируют при 930°С в течение 8 ч с последующим медленным охлаждением. Размер зерна определяют по карбидной сетке, окаймляющей границы аустенитных зёрен. Заэвтектоидные стали нагревают до 930°С и после выдержки в течение 3 ч медленно охлаждают. Размер зерна определяют по сетке вторичного цементита, выделяющегося по границам аустенитных зёрен.

Температура нагрева 930°С выбрана по следующим соображениям. Для большинства сталей температура нагрева при основных видах термообработки не превышает 930°С. При этом наследственно мелкозернистая сталь при 930°С ещё сопротивляется интенсивному росту зерна, а в наследственно крупнозернистой стали при этой температуре вырастает крупное зерно.

Следует отметить, что особенно сильно влияет на рост аустенитного зерна при нагреве стали алюминий. Наследственно мелкозернистую сталь получают введением в ковш перед её разливкой примерно 0,05% Al. Мельчайшие частицы нитридов и окислов алюминия как барьеры тормозят рост зёрен аустенита. Интенсивный рост зерна в наследственно мелкозернистой стали выше температур 950-1100°С объясняется растворением и возможно коагуляцией (укреплением, слиянием) барьерных частиц.






Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого...





© cyberpedia.su 2017 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав

0.006 с.