Изменение свойств металла при термической обработке

Изменение структуры и свойств металлов вызванное термической обработкой.

Большинство применяемых в производстве металлов подвергаются термической обработке.

Сущность термической обработки заключается в тепловых операциях — нагреве до определенной температуры, выдержке и последующем охлаждении металла (сплава), осуществляемых для изменения его структуры и создания в нем необходимых физических, механических и других свойств.

В процессе термической обработки в металле происходят превращения, в результате которых повышаются прочностные свойства, износостойкость металла, придается ему требуемая высокая или низкая твердость и хорошая обрабатываемость инструментом на металлорежущих станках.

Основными видами термической обработки стали, чугуна и цветных сплавов являются отжиг, нормализация , отпуск и закалка.

В развитии термической обработки большую роль сыграли работы Д. К. Чернова, положившие начало изучению превращений, происходящих в металле при переходе температуры через критические точки, и выяснению влияния структуры на прочностные свойства стали.

Ученый обнаружил критические точки (точки Чернова), которые обозначил символами а, в, с, Д. К. Чернов следующим образом охарактеризовал значение аи: «Сталь как бы тверда ни была, будучи нагрета ниже точки а не принимает закалки, как быстро ее ни охлаждали; напротив того, она становится значительно мягче и легче обрабатывается пилою. Как только температура стали возвысилась до точки в, масса стали быстро переходит из зернистой (или вообще говоря кристаллической ) в аморфное воскообразное состояние»

По современной терминологии точка а Чернова заключает в себе весь промежуток (на диаграмме железо-углерод ) от точки Ас, до точки Ас.

Точка в — температура рекристаллизации аустенита, обусловленная внутренним наклепом. Точка с характеризует окончание плавления стали.

Превращения в стали при нагреве (образование аустенита).

Нагрев стали при термической обработке в большинстве случаев применяют для получения структуры аустенита.

Как известно, структура доэвтектоидной стали с содержанием углерода менее 0,8% при нагреве до температуры ACl состоит из зерен перлита и феррита. В точке AC1 начинается фазовая перекристаллизация перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от температур AC1 до АСз избыточный феррит растворяется в аустените и при достижении температуры Асп (соответствует линии GSE на диаграмме состояния железо-углерод) превращения заканчиваются. Выше точки АСз структура стали состоит только из аустенита.

Таким же образом происходят превращения при нагреве заэвтектойдной стали, но с той лишь разницей, что выше температуры AC1 в аустените начинает растворяться избыточный цементит. Выше точки Аст структура состоит только из аустенита.

По окончании превращений, после того как весь перлит перейдет в аустенит, структура стали имеет большое количество мелких аустенитных зерен. На скорость процесса образования аустенита и выравнивание его концентрации влияет ряд факторов. С повышением температуры эти процессы ускоряются. Легирующие элементы в стали-хром, вольфрам, молибден и др.- замедляют процесс образования аустенита.

Аустенит неоднороден по химическому составу, В тех местах, где были пластинки цементита, аустенит богаче углеродом, а где пластинки феррита — беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава зерен аустенита сталь нагревают немного выше верхней критической точки АСз и выдерживают некоторое время при этой температуре. При дальнейшем повышении температуры мелкие зерна аустенита начинают соединяться между собой, и чем выше температура нагрева, тем интенсивнее увеличиваются размеры зерен. В стали различают три вида зерен: начальные, действительные и природные.

Под начальным зерном аустенита подразумевают размер зерна в момент окончания превращения перлита в аустенит.

Действительное зерно аустенита — это зерно, полученное в данных конкретных условиях нагрева. Величина такого зерна зависит от метода выплавки стали и вида последнего нагрева под закалку или отжиг. Величину действительного зерна можно регулировать режимами термической обработки.

Читайте также:  Принцип газовой резки металлов заключается

Природное (наследственное) зерно характеризуется способностью к росту зерна аустенита. В сталях даже одинакового химического состава зерно аустенита может расти с различной скоростью. Это зависит от свойств стали данной плавки. В связи с этим стали делятся на мелкозернистые и крупнозернистые. У мелкозернистых сталей мелкое зерно сохраняется при температуре 950-1000°С, а у крупнозернистых сталей зерно начинает быстро расти даже при нагреве немного выше 800°С.

Превращения в стали при охлаждении (распад аустенита).

Аустенит является устойчивым только при температуре выше 723°С (точка АГ1 ). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния, ниже точки Аr1, аустенит становится неустойчивым — начинается его превращение.

Если эвтектоидную углеродистую сталь с содержанием углерода 0,8% начать медленно охлаждать, то при температуре, соответствующей линии PSK, аустенит превратится в перлит, т. е. в механическую смесь феррита и цементита. Этот процесс также подчиняется законам кристаллизации.

Изучение процесса превращения аустенита в перлит экспериментально проводится не при непрерывном охлаждении, а при постоянной температуре, т. е. в изотермических условиях. Делается это следующим образом: образцы исследуемой стали нагревают до температуры выше АС3 и после выдержки, необходимой для полного нагрева, быстро переносят в ванну, температура которой ниже ACl . Таким образом, превращение аустенита в перлит происходит во время нахождения стального образца в этой ванне.

При медленном охлаждении произойдет превращение аустенита в перлит.

При большой скорости охлаждения переохлажденный аустенит полностью превратится в сорбит.

Наконец, при наибольших скоростях охлаждения, в стали получается только мартенсит. Такое охлаждение вызывает закалку.

Наименьшую из скоростей охлаждения, при которой в закаливаемой стали из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Величина имеет важное практическое значение в процессе термической обработки. Чтобы закалить сталь, ее необходимо охлаждать со скоростью, не меньшей, чем критическая.

Продуктами распада аустенита, являются мартенсит, троостит и сорбит.

Мартенсит — в закаленной стали представляет собой твердый раствор углерода в решетке α-железо, т. е. в объемно-центрированной тетрагональной кристаллической решетке. Углерод находится в центре грани. Микроструктура мартенсита характеризуется игольчатостью и высокой твердостью (HRC 64-65), высоким пределом прочности, большой хрупкостью и магнитными свойствами. Мартенсит в закаленной стали является неустойчивой структурой (метастабильной), поэтому при отпуске из него выделяется углерод и образуются зерна цементита. Это приводит к получению структуры троостита или сорбита отпуска.

Троостит — представляет собой смесь цементита и феррита. Он менее хрупок и тверд, чем мартенсит (его твердость HRC 40-45). Троостит отпуска является весьма ценной структурой для деталей, работающих при переменной нагрузке, как например пружин, рессор и т. д.

Сорбит -это смесь, состоящая из феррита и мелких зерен цементита. Сорбит отпуска имеет твердость HRC 30-40. Он отличается высоким пределом упругости при достаточной ударной вязкости. Поэтому сорбитообразную структуру используют для деталей, подвергаемых переменным нагрузкам.

Источник

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Читайте также:  Закуп лома черных металлов казахстан

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

  • вторичная кристаллизация сплава;
  • переход гамма железа в состояние альфа железа;
  • переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

  • В готовых изделиях:
    1. прочности;
    2. износостойкости;
    3. коррозионностойкость;
    4. термостойкости.
  • В заготовках:
    1. снятие внутренних напряжений после
      • литья;
      • штамповки (горячей, холодной);
      • глубокой вытяжки;
    2. увеличение пластичности;
    3. облегчение обработки резанием.

Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

  1. Углеродистым и легированным.
  2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
  3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
  4. Любого качества.

Классификация и виды термообработки

Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

  • время нагревания (скорость);
  • температура нагревания;
  • длительность выдерживания при заданной температуре;
  • время охлаждения (интенсивность).

Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

Виды термической обработки стали:

  • Отжиг
    1. I – рода:
      • гомогенизация;
      • рекристаллизация;
      • изотермический;
      • снятие внутренних и остаточных напряжений;
    2. II – рода:
      • полный;
      • неполный;
  • Закалка;
  • Отпуск:
    1. низкий;
    2. средний;
    3. высокий.
  • Нормализация.

Температура нагрева стали при термообработке

Отпуск

Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

1. Отпуск низкий

Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

  • Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
  • выдерживание — полтора часа;
  • остывание – воздух, масло.

2. Средний отпуск

Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

  • нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
  • охлаждение – воздух.

3. Высокий отпуск

При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

Отжиг

Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

  • нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
  • выдержка с постоянным поддержанием температуры;
  • медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).

1. Гомогенизация

Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

  • нагревание до температуры – от 1000°С, но не выше 1150°С;
  • выдержка – 8-15 часов;
  • охлаждение:
    • печь – до 8 часов, снижение температуры до 800°С;
    • воздух.

2. Рекристаллизация

Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

  • нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
  • выдерживание — ½ — 2 часа;
  • остывание – медленное.

3. Изотермический отжиг

Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

  • нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки ;
  • выдерживание;
  • остывание:
    • быстрое – не ниже 630°С;
    • медленное – при положительных температурах.

4. Отжиг для устранения напряжений

Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

  • нагревание до температуры – 727°С;
  • выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
  • остывание — медленное.

5. Отжиг полный

Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

Полный отжиг стали

  • температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки ;
  • выдержка;
  • охлаждение до 500°С:
    • сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
    • сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.
Читайте также:  Диск пильный по металлу 355х30

6. Неполный отжиг

При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

  • нагревание до температуры – выше точки или , выше 700°С на 40°С — 50°С;
  • выдерживание – порядка 20 часов;
  • охлаждение — медленное.

Закалка

Закалку сталей применяют для:

  • Повышения:
    1. твердости;
    2. прочности;
    3. износоустойчивости;
    4. предела упругости;
  • Снижения:
    1. пластичности;
    2. модуля сдвига;
    3. предела на сжатие.

Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).

Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

  • вода;
  • соляные растворы на основе воды;
  • техническое масло;
  • инертные газы.

Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.

Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

Нормализация

Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

  • сопротивление излому;
  • производительность обработки;
  • прочность;
  • вязкость.

Процесс нормализации стали

  • происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки ;
  • выдерживание в данном температурном коридоре;
  • охлаждение – на открытом воздухе.

Преимущества термообработки

Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector