Атомно кристаллическое строение металла

Атомно кристаллическое строение металла

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Атомы в кристалле расположены в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узле которой располагаются атомы (ионы), образующие металл.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки (решетки).

Для характеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними?,?,?. Эти величины называют параметрами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки бывают простыми (атомы только в вершинах решетки) и сложными.

Металлы образуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную (ГПУ) (рис. 2).

 

ОЦК: Rb, K, Na, Li, Ti?, Tl?, Zr?, Ta, W, V, Fe?, Cr, Nb, Ba, и др.

ГЦК: Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Fe?, Co?, Ca?, Ce, Sr?, Th, Sc и др.

ГПУ: Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Co?, Ca?, Zr?, La?, Ti? и др.

Рисунок 2. Кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов

Расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку, называют периодом решетки, измеряется в нанометрах (1нм = 10-9 см = A= 10-8 см).

Периоды решетки металлов находятся в пределах 0,2 – 0,7 нм.

ДляОЦК: a, b, c; a = b = c.

ДляГЦК: a, b, c; a = b = c.

Для ГПУ: а, с; с/а = 1,633 (к Zn не относится)

 

Методы изучения структуры металла

Исследование структур металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновского, спектрального, термического, а также дефектоскопии (рентгеновской, магнитной, ультразвуковой). Методом микроанализа изучается макроструктура, т. е. структура, видимая невооруженным глазом или с помощью лупы, при этом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри и т. д., а также неравномерность распределения примесей в металле, и расположение волокна в поковках, прокате и т. д. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам. Макрошлиф — это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, протравлена и рассматривается при помощи лупы.

 

Микроанализ выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, рассматриваемым под микроскопом при увеличении до 2000х, а в электронных микроскопах — до 25 000х. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, микродефекты, лежащие под поверхностью, качество термической обработки. Зная микроструктуру, можно объяснить причины неудовлетворительности свойств металла, не производя их исследование.

С помощью рентгеновского анализа изучают структуру кристаллов, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ позволяет обнаружить дефекты, не разрушая металла. Широко применяют для исследования структуры металла гамма-лучи, проникающие в изделие на значительно большую глубину, чем рентгеновские.

Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (стали, никеле и др.) на глубине до 2 мм (непровар в сварных швах, трещины и т. д.). Ультразвуковым методом осуществляются эффективный контроль качества изделий и заготовок любых металлов на большой глубине. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поковок, проката и других изделий при необходимости сохранения целостности изделий.

Метод Бринелля.

Метод измерения твердо­сти металлов по Бринеллю регламентирует ГОСТ 9012 - 59 (ИСО 6506 - 81, ИСО 410 -82) (в редакции 1990 г.).

Сущность метода заключается во вдавлива­нии шарика (стального или из твердого спла­ва) в образец (изделие) под действием силы, приложенной перпендикулярно поверхности образца в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия силы.

Твердость по Бринеллю обозначают симво­лом НВ или HBW:

НВ - при применении стального шарика (для металлов и сплавов твердостью менее 450 единиц);

HBW - при применении шарика из твер­дого сплава (для металлов и сплавов твердо­стью более 450 единиц).

Символу НВ (HBW) предшествует число­вое значение твердости из трех значащих цифр, а после символа указывают диаметр шарика, значение приложенной силы (в кгс), продолжительность выдержки, если она отли­чается от 10 до 15 с.

Примеры обозначений:

Пример обозначения: 185 НВ, 600 HBW.

Метод Виккерса.

Метод измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов при нагрузках от 9,807 Н (1 кгс) до 980,7 Н (100 кгс) по Виккерсу регламентирует ГОСТ 2999 - 75* (в редакции 1987 г.).

Измерение твердости основано на вдавливании алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды в образец (изделие) под действием силы, приложенной в течение определенного времени, и измерении диагоналей отпечатка, оставшихся на поверхности образца после снятия нагрузки.

Твердость по Виккерсу при условиях испытания - силовое воздействие 294,2 Н (30 кгс) и время выдержки под нагрузкой 10... 15 с, обозначают цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HV.

Пример обозначения: 500 HV - твердость по Виккерсу, полученная при силе 30 кгс и времени выдержки 10... 15 с.

Пример обозначения: 220 HV 10/40 - твердость по Виккерсу, полученная при силе 98,07 Н (10 кгс) и времени выдержки 40 с.

Метод Роквелла.

Метод измерения твердости металлов и сплавов по Роквеллу регламентирует ГОСТ 9013 - 59* (в редакции 1989 г.).

Сущность метода занимается во внедрении в поверхность образца (или изделия) алмазного конусного (шкалы А. С, D) или стального сферического наконечника (шкалы В, Е, F, G. Н, К) под действием последовательно прилагаемых предварительной и основной сил и в определении глубины внедрения наконечника после снятия основной силы.

Пример обозначения: 61,5 HRC - твердость по Роквеллу 61,5 единиц по шкале С.

С целью обеспечения единства измерений введен государственный специальный эталон для воспроизведения шкал твердости Роквелла и Супер-Роквелла и передачи их при помощи образцовых средств измерений (рабочих эталонов) рабочим средствам измерений, применяемым в стране (ГОСТ 8.064 - 94).

Железо углеродистые сплавы

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539o С 5o С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911o С и 1392o С. При температуре ниже 911o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное. Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения обозначают точкой, а температуру 1392o С превращения - точкой А4.

При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности –, предел текучести –) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение –, а относительное сужение –). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф) (C) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727o С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит () ((C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности –) и пластичен (относительное удлинение –), магнитен до 768o С.

3. Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147o С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение –), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит – характеристика дана выше.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Углеродистые стали

Чугуны

Чугун – сплав железа (Fe>90%) с углеродом (C от 2,14% до 6,67%).
Углерод может содержаться в чугуне в виде графита (С) или цементита (Fe3C).
Также чугун содержит примеси кремния, марганца, фосфора и серы.
Чугуны со специальными свойствами содержат также легирующие элементы – хром, никель, медь, молибден и др.

Чугун – наиболее широко применяемый материал для изготовления литых деталей, используемых при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках. Преимущества чугуна в сравнении со сталью – высокие литейные свойства и небольшая стоимость. Чугуны также лучше обрабатываются резанием, чем большинство сталей (кроме автоматных сталей), но плохо свариваются, обладают меньшей прочностью, жесткостью и пластичностью.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
белый чугун
серый чугун (ГОСТ 1412 - "Чугун с пластинчатым графитом для отливок")
ковкий чугун (ГОСТ 1215 - "Отливки из ковкого чугуна")
высокопрочный чугун (ГОСТ 7293 - "Чугун с шаровидным графитом для отливок")

Белый чугун

В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C.
У белого чугуна высокая износостойкость и твердость, однако он хрупок и плохо обрабатывается резанием, поэтому в машиностроении они находят ограниченное применение и идут, в основном, в передел на сталь.
По содержанию углерода серый чугун подразделяют на:
Доэвтектический с содержанием углерода от 2,14% до 4,3%
Эвтектический с содержанием углерода 4,3%
Заэвтектический с содержанием углерода от 4,3% до 6,67%.

В сером, ковком, высокопрочном чугунах весь углерод или большая его часть находится в виде графита различной формы (их еще называют графитными).

Серый чугун

В структуре серых чугунов графит пластинчатой формы.
Серые чугуны содержат: 3,2-3,5% углерода, 1,9-2,5% кремния, 0,5-0,8% марганца, 0,1-0,3% фосфора и менее 0,12% серы.
Отливки деталей из серых чугунов получают в кокилях – земляных или металлических формах.
Серый чугун находит широкое применение в машиностроении. Ввиду невысоких механических свойств у отливок из серого чугуна и простоты получения их применяют для изготовления деталей менее ответственного назначения, деталей, работающих при отсутствии ударных нагрузок. В частности из них делают крышки, шкивы, станины станков и прессов.
Пример обозначения серого чугуна: СЧ32-52. Буквы обозначают серый чугун (СЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (32 кгс/мм2 или 320 МПа), второе число – предел прочности при изгибе.

Ковкий чугун

В структуре ковких чугунов графит хлопьевидной формы.
Ковкие чугуны содержат: 2,4-3,0% углерода, 0,8-1,4% кремния, 0,3-1,0% марганца, менее 0,2% фосфора, не более 0,1% серы.
Ковкий чугун получают из белого чугуна в результате нагрева и длительной выдержки. Эту процедуру называют графитизирующим отжигом или томлением.
Пример обозначения ковкого чугуна: КЧ45-6. Буквы обозначают ковкий чугун (КЧ), первое число - предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2 или 450 МПа), второе – относительное удлинение в % (6%).

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун содержит графит шаровидной формы.
Он имеет наиболее высокие прочностные свойства.
Высокопрочный чугун содержит: 3,2-3,8% углерода, 1,9-2,6% кремния, 0,6-0,8% марганца, до 0,12% фосфора и не более 0,3% серы.
Высокопрочный чугун получают путем модифицирования (т.е. введения добавки-модификатора – магния) жидкого расплава. Модификаторы способствуют образованию графитных включений шаровидной формы, благодаря чему механические свойства такого чугуна приближаются к свойствам угеродистых сталей, а литейные свойства выше (но ниже, чем у серых чугунов).
Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные детали для машиностроения - поршни, цилиндры,

Термическая обработка

ТЕРМИ́ЧЕСКАЯ ОБРАБО́ТКА, технологический способ воздействия на структурное и фазовое состояние материала с помощью различных режимов нагрева и охлаждения, в процессе которых достигается приближение к равновесному состоянию или та или иная степень отклонения от него. Понятие режимов нагрева и охлаждения включает скорость этих процессов, температуру, среду, продолжительность изотермических выдержек. Режимы термической обработки подбирают с учетом фазовых и структурных превращений в материале с целью получения необходимого комплекса свойств.

Термическая обработка может быть предварительной или окончательной.

Предварительную термообработку применяют для подготовки структуры и свойств материала к последующим технологическим операциям (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием). При окончательной термообработке формируются свойства готового изделия.

Термическую обработку применяют на стадии производства различных материалов и изделий, а также для снятия напряжения в них. Основные виды термообработки: отжиг (1-го и 2-го рода) и закалка без полиморфного превращения и с полиморфным превращением. Термическая обработка является основным способом воздействия на свойства металлов и сплавов. Специальные процессы термообработки, такие как возврат, рекристаллизация, полигонизация, старение, отпуск, нормализация, патентированиеразработаны и подробно изучены по отношению к металлам и сплавам.

Если сплав однофазен и не испытывает в твердом состоянии никаких фазовых превращений, то возможные отклонения от равновесия в таких сплавах могут быть связаны с химической неоднородностью твердого раствора или с наличием структурных дефектов, созданных пластической деформацией. Приближение к равновесию в таких случаях реализуется чаще всего за счет диффузионных процессов и достигается с помощью операций отжига I рода, под которым понимают относительно продолжительный высокотемпературный нагрев с последующим, как правило, медленным охлаждением.

Наличие фазовых превращений в сплаве значительно расширяет возможности термической обработки. Отжиг II рода — отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении — проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии. Отжиг II рода проводят с целью получения более равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Чтобы зафиксировать высокотемпературное фазовое или метастабильное фазовое состояние, промежуточное между высоко- и низкотемпературным, применяют быстрое охлаждение от высоких температур. Такая операция называется закалкой. Закалка проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).

Низкотемпературный нагрев после закалки (старение или отпуск) приближает систему к равновесному состоянию. Благодаря малой диффузионной подвижности атомов при низких температурах процесс легко остановить на промежуточных стадиях, отличающихся разной степенью приближения к равновесию, а следовательно, и свойствами. Отпуск проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей.

Термическая обработка используется как способ воздействия на состав точечных дефектов и структурное совершенство в кристаллах полупроводников и твердых растворах на их основе как с целью изучения свойств материала, так и с целью поиска пути управления ими. Понимание механизмов дефектообразования в кристаллах полупроводников при термообработке очень важно, так как кристаллы полупроводников подвергаются термообработкам в процессе изготовления приборов. При этом, как ансамбль собственных точечных дефектов, так и микродефекты могут претерпевать различные превращения, что в дальнейшем может негативно повлиять на характеристики приборов. При термообработке кристаллов может происходить распад пересыщенного твердого раствора как примесей, так и собственных точечных дефектов, если их концентрация превышает растворимость при температуре термообработки. Может происходить развитие ростовых и образование новых микродефектов или их растворение в результате ухода точечных дефектов или примесей, образующих микродефект, на поверхность кристалла. В результате таких процессов происходит не только структурное превращение в матрице кристалла, но существенным образом изменяются его электрофизические свойства: могут измениться концентрация и подвижность носителей заряда, тип проводимости (термоконверсия), оптические и люминесцентные свойства полупроводников.

Термическая обработка материалов подразделяется на собственно термическую, заключающуюся только в тепловом воздействии на металл, химико-термическую, сочетающую тепловое и химическое воздействия, и термомеханическую, сочетающую тепловое воздействие и пластическую Разновидности термической обработки — обработка стали холодом, электротермическая обработка.

13) ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ

Отжиг. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.
В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига (рис. 39): 1 - диффузионный; 2 - полный; 3 - изотермический; 4 - неполный; 5 - сфероидизирующий; 6 - рекристаллизационный.

 

Рис. 39. Режимы различных видов отжига

Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) применяют для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Неоднородность строения обусловлена карбидной и дендритней ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скопления легирующих элементов. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой температуры, при которой атомы элементов приобретают большую подвижность. Благодаря этому происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией. В результате такой диффузии обеспечивается выравнивание химического состава слитка или отливки по объему.
Для обеспечения необходимой скорости диффузии атомов отжиг стали проводят при высокой температуре (1100-1200°С) с выдержкой 10-20 ч (рис. 39, кривая 1).
Полный отжиг (рис. 39, кривая 2) применяют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Это достигается нагревом стали на 30-50°С выше верхней критической точки Ас₃ и медленным охлаждением.
При нагреве стали выше температуры Ас₃ перлит превращается в аустенит. Это происходит путем образования в начальной стадии мельчайших зародышей кристалликов аустенита и постепенного их роста по мере повышения температуры. При небольшом превышении температуры Ас₃ (на 30-50°С) образовавшиеся кристаллики аустенита остаются еще мелкими. В дальнейшем, при охлаждении ниже температуры Ас₁ образуется однородная мелкозернистая структура ферритно-перлитного типа. При этом в пределах одного аустенитного зерна возникает несколько перлитных зерен, которые значительно мельче, чем аустенитное зерно, из которого они образовались.
Температуру нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграмме состояния (рис. 40), а для легированных сталей - по положению их критической точки Ас₃, имеющейся в справочных таблицах.
Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева детали, и времени, нужного для окончания структурных превращений.

 

Рис. 40. Диаграмма состоянии с интервалами нагрева углеродистой стали для отжига, нормализации, закалки и отпуска

Изотермический отжиг заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас₃ (конструкционные стали) и выше точки Ас₁ на 50-100°С (инструментальные стали). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже точки Аг₁ (680-700°С, см. рис. 40). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки небольших по размерам изделий из легированных сталей в 2-3 раза по сравнению с полным отжигом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется большое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.
Сфероидизирующий отжиг (рис. 39, кривая 5) обеспечивает превращение пластинчатого перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатывамость сталей резанием. Отжиг на зернистый перлит производят по режиму: нагрев стали немного выше точки Ас₁ с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550-600°С и далее на воздухе. Сфероидизирующий отжиг применяют для сталей, содержащих более 0,65% углерода, например шарикоподшипниковые стали типа ШХ15.
Рекристаллизационный отжиг (рис. 39, кривая 6) применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепом называют упрочнение металла, появляющееся в результате холодной пластической деформации металла.
При холодной прокатке, штамповке, волочении зерна металла деформируются, дробятся. Это повышает твердость металла, снижает его пластичность и вызывает хрупкость. В этом и заключается сущность наклепа.
Рекристаллизационный отжиг выполняют путем нагрева до температуры ниже Ас₁ (650-700°С), выдержки и последующего замедленного охлаждения. При нагреве металла до 650-700°С (рекристаллизационный отжиг) возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичное кристаллизационные процессы (рекристаллизация). На границах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформированных зерен вырастают новые равноосные зерна и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.
Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше верхних критических точек Ас₃ и А_cm, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией (см. рис. 40). При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происходит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок.
Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки, а, следовательно, и более производительным. Поэтому углеродистые и низколегированные стали подвергают, как правило, не отжигу, а нормализации.
С повышением содержания углерода в. Стали увеличивается различие в свойствах между отожженной и нормализованной сталью. Для сталей, содержащих до 0,2% углерода, предпочтительнее нормализация. Для сталей, содержащих 0,3-0,4% углерода, при нормализации по сравнению с отжигом существенно увеличивается твердость, что необходимо учитывать. Поэтому нормализация не всегда может заменить отжиг.
Сплавы после нормализации приобретают мелкозернистую структуру и несколько большую прочность и твердость, чем при отжиге. Нормализацию применяют для исправления крупнозернистой структуры, улучшения обрабатываемости стали резанием, улучшения структуры перед закалкой. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет сетку вторичного цементита.

 

Изотермическая закалка.

Изотермическая закалка (закалка в горячих средах) основана на изотермическом распадении аустенита; охлаждение ведется не до комнатной температуры, а до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200-300 °, зависит от марки стали). Как охладитель используют соляные расплавы или нагретое до 200-250 ° масло. При температуре горячей ванны деталь выдерживается продолжительное время, пока пойдут инкубационный период и распадение аустенита. В результате получается структура игольчатого троостита, по твердости близкого к мартенситу, но более вязкого, прочного. Последующее охлаждение производится на воздухе.

Чтобы провести процесс изотермической закалки, вначале требуется быстрое охлаждение со скоростью не менее критической, чтобы избежать распадения аустенита в условиях, отвечающих перегибу С-образной кривой (см. Термобработка: Отжиг, нормализация. Рисунок 7). Следовательно, по этому методу можно закаливать только небольшие (примерно, диаметром до 8 мм) детали из углеродистой стали, так как запас энергии в более тяжелых деталях не позволит достаточно быстро их охладить. Это не относится, однако, к легированным сталям, большинство марок которых имеет значительно меньшие критические скорости закалки. Большим преимуществом изотермической закалки является возможность рихтовки (исправление искривлений) изделий во время инкубационного периода распадения аустенита (который длится несколько минут), когда сталь еще мягка и пластична. После изотермической закалки детали свободны от внутренних напряжений и не имеют трещин.

15) Закаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Такая способность зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Объясняется это тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов, насильственно удерживаемых при закалке в атомной решетке железа. Иными словами, увеличивается степень пересыщения твердого раствора углерода в железе. В результате возрастают внутренние напряжения, что, в свою очередь, способствует увеличению числа дислокаций и возникновению блочной структуры.

Если в углеродистой стали содержание углерода будет меньше 0,3% (сталь 20, Ст3), то такая сталь уже не закалится. Для того чтобы понять это, следует вспомнить, что образование мартенситной структуры связано с перестройкой атомной решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную. Температура, при которой происходит такая перестройка, зависит от содержания углерода. Роль углерода сводится к тому, что атомы его, находясь в решетке железа, как бы препятствуют перегруппировке атомов, которая необходима для перестройки решетки. Чем больше содержание углерода, тем ниже будет температура, при которой произойдет перестройка, т. е. образуется мартенситная структура. Зависимость температуры мартенситного превращения от содержания углерода в стали была показана на рис. 16. Как можно видеть, при содержании углерода 0,2% мартенситное превращение должно происходить при сравнительно высокой температуре — примерно 350—400°С. При такой температуре углерод еще сохраняет достаточно высокую подвижность и при перестройке решетки выходит из состояния твердого раствора, образуя химическое соединение — цементит. Пересыщение твердого раствора получается совсем незначительным, и потому структура закалки — мартенсит — не образуется.

Прокаливаемость стали. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны, т. е. свойство стали закаливаться на определенную глубину от поверхности. Если, например, сверло диаметром 50 мм, изготовленное из инструментальной углеродистой стали, закалить в воде, а затем замерить твердость его в поперечном сечении, то окажется, что во внутренней зоне, расположенной вдоль оси сверла (сердцевине), твердость будет почти такой же, как до закалки, в то время как в наружной зоне, расположенной у поверхности, твердость резко повысится. Проверив затем микроструктуру, можно будет убедиться, что в сердцевине она будет перлитного типа, а у поверхности — мартенситного. Несквозная закалка объясняется неравномерным охлаждением детали при закалке: поверхность всегда охлаждается быстрее, чем сердцевина. Неравномерность охлаждения вызывается различными условиями теплоотвода у поверхности и в сердцевине. При погружении раскаленной детали в закалочную среду поверхность, соприкасаясь с холодной жидкостью, охлаждается с большой скоростью, в то время как отвод теплоты от сердцевины затруднен толщей горячего металла, и потому она охлаждается медленно. В результате скорость охлаждения поверхности оказывается выше критической, и поверхность закаливается, а скорость охлаждения сердцевины получается ниже критической, и последняя не закаливается. Очевидно, можно представить себе, что на некоторой глубине от поверхности Н (рис. 19) скорость охлаждения будет равна критической. Тогда ясно, что слои металла, расположенные на большей глубине, не закалятся, а слои, расположенные на меньшей глубине, т. е. ближе к поверхности, закалятся.

Глубина проникновения закаленной зоны, т. е. прокаливаемость, зависит главным образом от химического состава стали. С повышением содержания углерода до 0,8% прокаливаемость стали повышается. Дальнейшее повышение его содержания несколько снижает прокаливаемость.

За исключением кобальта все легирующие элементы, растворенные в аустените, затрудняют его распад и, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки. В результате увеличивается прокаливаемость.

Для улучшения прокаливаемости в сталь вводят марганец, хром, никель, молибден и др. элементы. Особенно эффективно действует комплексное легирование, при котором полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается. Например, для стали с 0,4% С и 3,5% Ni критическая скорость закалки равна 150°С/с, а добавка 0,75% Мо снижает эту скорость до 4°С/с.

Те легирующие элементы, которые с углеродом могут давать химические соединения в виде карбидов (вольфрам, ванадий, титан и др.), повышают прокаливаемость только в том случае, если они при температуре закалки оказываются растворенными в аустените. Если же они будут оставаться в составе карбидов, то прокаливаемость снижается. В связи с этим с целью наиболее полного растворения карбидов и повышения благодаря этому прокаливаемости иногда значительно увеличивают температуру нагрева при закалке.

Из всего сказанного о влиянии легирующих элементов на прокаливаемость стали следуют два очень важных вывода:

1) при использовании легированных сталей можно получить сквозную прокаливаемость в деталях большого сечения, которые невозможно закалить насквозь при изготовлении их из углеродистой стали;

2) применение легированной стали вместо углеродистой позволяет снизить скорость охлаждения, необходимую для закалки, и использовать в качестве охладителя взамен воды — масло. В результате снижаются закалочные напряжения, уменьшается коробление и опасность образования трещин.

Наряду с химическим составом на прокаливаемость оказывают влияние и некоторые другие факторы: однородность аустенита, отсутствие в нем карбидов и иных примесей и включений, величина зерна и др. Чем однороднее аустенит и больше размер его зерен, тем выше будет прокаливаемость.

16) Отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей (см. Закалка стали). С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, апластичность и в