Лекции по "Материаловедению"

15. Классификация  видов термической обработки.

Любой процесс термической  обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры  во времени. По такому графику можно  определить температуру нагревания, время нагревания и охлаждения, средние  и истинные скорости нагревания и охлаждения, время выдержки при температуре нагревания и общую продолжительность производственного цикла.

 Но по форме этого  графика ничего нельзя сказать  о том, с каким видом термообработки  мы имеем дело. Вид термообработки  определяется не характером изменения температуры во времени, а типом фазовых и структурных изменений в металле.

 Основываясь на  последнем признаке, А. А. Бочвар  разработал классификацию, охватывающую  многочисленные разновидности термической  обработки черных и цветных металлов и сплавов.

 На основе классификации  А. А. Бочвара Комиссией по  стандартизации Совета Экономической  Взаимопомощи были разработаны  классификация видов и разновидностей  термической обработки сталей  и цветных металлов и сплавов,  а также соответствующая терминология. На рисунке приведена схема классификации основных видов термической обработки металлов и сплавов.

Термическая обработка  подразделяется на собственно - термическую, химико-термическую и термомеханическую (или деформационно-термическую).

 Собственно термическая  обработка заключается только  в термическом воздействии на  металл или сплав, химико-термическая  — в сочетании термического  и химического воздействия, термомеханическая  — в сочетании термического  воздействия и пластической деформации.

 Собственно -  термическая  обработка включает следующие  основные виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку с полиморфным  превращением, закалку без полиморфного  превращений, отпуск и старение. Эти виды термической обработки  относятся и к сталям, и к цветным металлам и сплавам.

Отжиг I рода - нагрев до различных  температур с целью гомогенизации, снятия внутренних напряжений, рекристаллизации. Если в процессе нагрева и охлаждения в сплаве (стали) происходят полиморфные  превращения, то они являются лишь явлениями, сопутствующими гомогенизации, так как нет необходимости в фазовой перекристаллизации.

Отжиг II рода (или фазовая  перекристаллизация) - нагрев выше Ас3 (или /Ас1) с последующим медленным  непрерывным или ступенчатым ( (изотермическим) охлаждением. Частный случай отжига II рода - нормализация (охлаждение на спокойном воздухе).

Закалка с полиморфным  превращением - нагрев выше Ас3 (или Ac1) с последующим быстрым охлаждением. Отпуск - нагрев закаленной стали до температуры не выше Ас,.

Закалка без полиморфных превращений (а, следовательно, и последующее старение) - сравнительно редкий случай при термической обработке сталей. Она характерна для аустенитных сталей, не имеющих полиморфных превращений, и используется для растворения карбидов или интерметаллидов.

 Каждый из видов  собственно термообработки подразделяется  на разновидности, специфические  для сплавов на разных основах.  Химико-термическая и термомеханическая  обработки имеют разновидности,  рассматриваемые в соответствующих  главах.

16. Отжиг и нормализация ( определение, назначение, режимы проведения).

Отжиг первого рода.

1. Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг. Применяется для устранения  ликвации, выравнивания химического  состава сплава.

В его основе – диффузия. В результате нагрева выравнивается состав, растворяются избыточные карбиды. Применяется, в основном, для легированных сталей.

Температура нагрева  зависит от температуры плавления, ТН = 0,8 Тпл.

Продолжительность выдержки: часов.

2. Рекристаллизационный  отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации.

Температура нагрева  связана с температурой плавления: ТН = 0,4 Тпл.

Продолжительность зависит  от габаритов изделия.

3. Отжиг для снятия  напряжений после горячей обработки  (литья, сварки, обработки резанием, когда требуется высокая точность размеров).

Температура нагрева  выбирается в зависимости от назначения, находится в широком диапазоне: ТН = 160……700oС.

Продолжительность зависит  от габаритов изделия.

Детали прецизионных станков (ходовые винты, высоконагруженные зубчатые колеса, червяки) отжигают после основной механической обработки при температуре 570…600oС в течение 2…3 часов, а после окончательной механической обработки, для снятия шлифовочных напряжений – при температуре 160…180oС в течение 2…2,5 часов.

Отжиг второго рода предназначен для изменения фазового состава.

Температура нагрева  и время выдержки обеспечивают нужные структурные превращения. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы  успели произойти обратные диффузионные фазовые превращения.

Является подготовительной операцией, которой подвергают отливки, поковки, прокат. Отжиг снижает твердость  и прочность, улучшает обрабатываемость резанием средне- и высокоуглеродистых сталей. Измельчая зерно, снижая внутренние напряженияи уменьшая структурную неоднородность способствует повышению пластичности и вязкости.

В зависимости от температуры  нагрева различают отжиг:

1. Полный, с температурой нагрева на 30…50 oС выше критической температуры А3

Проводится для доэвтектоидных сталей для исправления структуры.

При такой температуре  нагрева аустенит получается мелкозернистый, и после охлаждения сталь имеет  также мелкозернистую структуру.

2. Неполный, с температурой нагрева на 30…50oС выше критической температуры А1

Применяется для заэвтектоидных сталей. При таком нагреве в структуре сохраняется цементит вторичный, в результате отжига цементит приобретает сферическую форму (сфероидизация). Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой дробится цементитная сетка.Структура с зернистым цементитом лучше обрабатываются и имеют лучшую структуру после закалки. Неполный отжиг является обязательным для инструментальных сталей.

Иногда неполный отжиг  применяют для доэвтектоидных сталей, если не требуется исправление структуры (сталь мелкозернистая), а необходимо только понизить твердость для улучшения обрабатываемости резанием.

3. Циклический или маятниковый отжиг применяют, если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым. В этом случае после нагрева выше температуры А1 следует охлаждение до 680 oС, затем снова нагрев до температуры 750…760) oС и охлаждение. В результате получают зернистый цементит.

4. Изотермический отжиг – после нагрева до требуемой температуры, изделие быстро охлаждают до температуры на 50…100oС ниже критической температуры А1 и выдерживают до полного превращения аустенита в перлит, затем охлаждают на спокойном воздухе (рис. 13.5). Температура изотермической выдержки близка к температуре минимальной устойчивости аустенита.

В результате получают более  однородную структуру, так как превращение  происходит при одинаковой степени  переохлаждения. Значительно сокращается  длительность процесса. Применяют для  легированных сталей

5. Нормализация. – разновидность  отжига.

Термическая обработка, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния, на 30…50 oС выше А3 или Аст с последующим охлаждением на воздухе.

В результате нормализации получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются  внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки. Твердость и прочность несколько выше чем после отжига.

В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку  вторичного цементита.

Нормализацию чаще применяют  как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Иногда проводят как окончательную обработку, например, при изготовлении сортового проката.

Для низкоуглеродистых  сталей нормализацию применяют вместо отжига.

Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском. В этом случае механические свойства несколько ниже, но изделие подвергается меньшей деформации, исключаются трещины.

17.Отпуск  стали ( определение, назначение, режимы)

Отпуском  называется операция термической обработки, состоящая в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической АC1, выдержке при этой температуре и последующем медленном или быстром охлаждении. Цель отпуска — устранить или уменьшить напряжения в стали, повысить вязкость и понизить твердость.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки, и правильное выполнение его в  значительной степени определяет качество готовой закаленной детали.

В зависимости от температуры  нагрева различают низкий, средний  и высокий отпуск.

 Низкий  отпуск  достигается нагревом до температуры  150—250° С, выдержкой при этой  температуре и последующим охлаждением  на воздухе. При выдержке во  время отпуска в указанном  интервале температур мартенсит  закалки превращается в мартенсит  отпуска, при этом внутренние напряжения частично снимаются и остаточный аустенит превращается в мартенсит отпуска.

В результате низкого  отпуска сталь сохраняет высокую  твердость, а иногда твердость повышается за счет распада остаточного аустенита; устраняется закалочная хрупкость. Такой отпуск применяют для режущего инструмента и изделий, которым необходима высокая твердость. Превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска способствует стабилизации размеров детали, что необходимо для измерительного инструмента, изготовляемого из инструментальной стали. Этому инструменту также дают низкий отпуск.

 Средний  отпуск  производят при 300—500° С. Твердость  стали заметно понижается, вязкость  увеличивается. Средний отпуск  применяют для пружин, рессор, а  также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при средней твердости.

 Высокий  отпуск  происходит при 500—600° С, его  основное назначение — получить  наибольшую вязкость при достаточных  пределах прочности и упругости  стали. Применяют этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, подвергающихся действию высоких напряжений, особенно при ударной нагрузке

Для деталей различных  машин и станков обычно применяют  термическую обработку, состоящую  в закалке споследующим высоким  отпуском при температуре, обеспечивающей получение сорбита отпуска и хорошего сочетания прочностных и пластических свойств.

Такая термическая обработка  называется «улучшением стали».

Нагрев при отпуске  можно производить в тех же печах, которые применяют для  других видов термической обработки, но он требует более равномерной температуры и более точного контроля.

18.Цементация  стали

Цементация стали, разновидность  химико-термической обработки, заключающаяся  в диффузионном насыщении поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистой стали (0,1‒0,2% С) углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цель Ц. ‒ повышение твёрдости и износостойкости поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом (до 0,8‒1,2%) и последующей закалкой с низким отпуском (при этом сердцевина изделия, не насыщаемая углеродом, сохраняет высокую вязкость). Глубина цементованного слоя 0,5‒1,5 мм (реже больше); концентрация углерода в слое убывает от поверхности к сердцевине изделия. Ц. и последующая термическая обработка повышают предел выносливости металла и понижают чувствительность его к концентраторам напряжения. Различают Ц. твёрдыми углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую Ц. На заводах массового производства обычно применяют газовую Ц., при которой легче регулируется концентрация углерода в слое, сокращается длительность процесса, обеспечивается возможность полной его механизации и автоматизации, упрощается последующая термическая обработка.

19. Азотирование.

Азотирование – химико-термическая  обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы.

При азотировании увеличиваются  не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH3>2N+3H2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в  азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов  дисперсны и обладают высокой  твердостью и термической устойчивостью.