Файл: Теория термообработки.doc

Химико-термическая обработка (ХТО).

Это одновременное воздействие на металл химической среды, тепла с целью направленного изменения состава и свойств поверхности детали. Различные виды ХТО направлены либо на повышение коррозионной стойкости, либо прочности и твердости, износостойких, антифрикционных свойств. Изменяя состав химической среды, можно в одних и тех же деталях получать различные свойства.
Термомеханическая обработка.

Это сочетание пластической деформации, упрочняющей термообработки, причем образующийся в результате деформации наклеп сохраняется и влияет на фазовые превращения, происходящие при термообработке.

Такое комплексное воздействие на металл позволяет получить уровень свойств в металле более высокий, чем можно получить после деформации или после термообработки в отдельности.
Термообработка сталей.

Критические точки в диаграмме FE-C.

Это температурные точки фазовых превращений. Их обычно принято обозначать буквами Ас и Аr.

Ас – точка соответствует нагреву, температура увеличивается.

Аr – точка соответствует охлаждению, температура уменьшается.

1) Точка А_С1 – первая критическая точка (линия PSK). Температура равновесная, равная 727 С. На этой линии идет реакция перехода П А.

2) Точка А_С2 =768 С. Переход железа из магнитного в парамагнитное состояние.

3) Точка А_С3 (линия GS), в зависимости от химического состава, температура меняется от 911 до 727 С. Превращение: Ф А.

4) Точка А_С4 (линия NY), температура 1400 С и выше. Превращение: А S –феррит. Выше этой точки стараются не нагревать.

5) Точка Асm (линия SE) А+Ц_ А
Нагрев и охлаждение.

Процесс термообработки стали, в любом случае, включает в себя нагрев и охлаждение, при этом происходят структурные и фазовые превращения. Эти превращения принято разделять на четыре основных вида:

1. 
   П  А при повышении температуры;
   
2. 
   А  П при уменьшении температуры;
   
3. 
   А  М при закалке (температура значительно уменьшается, быстрое охлаждение);
   
4. 
   М  П при отпуске (температура увеличивается).
   

По прохождении этих процессов при редких вариантах термообработки зависит окончательная структура сталей а, следовательно, свойства деталей.

---

Первое основное превращение в стали:

П  А (температура увеличивается)

Первое основное превращение происходит, практически, при всех видах отжига и закалки в процессе нагрева стали. Превращение перлита в аустенит начинается при нагреве стали выше первой критической точки А_С1. При этом зерна (Ф+Ц) в перлитном зерне взаимодействуют между собой и образуется зародыш зерна аустенита: Ф+ЦА

Так как поверхности раздела между ферритом и цементитом в зерне перлита очень много, то в начальный момент времени возникает огромное количество зародышей аустенита. Начальное зерно аустенита всегда очень мелкое. Увеличение температуры нагрева вызывает постепенный рост зерна аустенита. Чем выше температура, тем крупнее зерно.

Одновременно с ростом зерна аустенита происходит растворение крупных включений цементита и выравнивание содержания углерода по сечению деталей.

Рост зерна аустенита в различных сталях идет по-разному. Если увеличение температуры вызывает медленный рост зерна, чем больше температура, тем больше зерно, то такую сталь называют наследственно крупнозернистой. Если же увеличение температуры вызывает рост зерна только при нагреве до температуры 950-1000 С, то такую сталь называют наследственно мелкозернистой.

Крупнозернистая сталь – это кипящая, т.е. раскаленная Mg и C.

В структуре этой стали нет никаких включений, сдерживающих границы зерен. Поэтому зерно в такой стали увеличивается пропорционально росту температуры.

Наследственно мелкозернистая сталь – это спокойная сталь, она раскалена Al.

FeO + Al  Fe + Al₂O₃

Мелкое включение окиси Al сдерживает границы зерен от перемещения при нагреве до температур до 950 С, но дальнейший рост температуры вызывает резкий рост зерна и его размер может даже превысить размер зерна в крупнозернистой стали. Для того чтобы определить, к какому типу относится данная сталь, проводят испытания на стандартную пробу, т.е. нагревают сталь до температуры 930 С и держат 8 часов. Если зерно увеличилось, то сталь крупнозернистая, если не увеличилось, то сталь мелкозернистая.

Размер зерна аустенита является очень важной характеристикой. Чем крупнее зерно аустенита, тем соответственно будет крупнее зерно перлита или мартенсита, образующиеся после отжига или закалки. Крупное же зерно всегда нежелательно, т.к. снижает ударную вязкость стали.

---

Второе основное превращение:

А  П (температура уменьшается)

Это превращение происходит при медленном охлаждении стали, т.е. в процессе отжига. Начинается оно образованием первых зародышей цементита на границе зерна аустенита при понижении температуры ниже точки А₁.

Если зерно А было крупным, соответственно крупным будет и зерно П.

Если охлаждение идет медленно, то диффузия углерода успевает пройти на большее расстояние, соответственно образуется зерно перлита и цементита большой толщины.

Если охлаждение идет быстро, то диффузия пройти не успевает, образуются

тонкие пластины Ф и Ц, структура перлита будет мелкодисперсной, от которой зависти твердость стали. Чем крупнее перлитные пластины, тем меньше твердость и наоборот. Поэтому, при медленном охлаждении твердость стали всегда получится меньше.

Изотермическая диаграмма распада.

Четвертое превращение М  П.

Структура закаленной стали, то есть М является т/д неустойчивой. Это объясняется, во-первых чрезмерным количеством с в твердом растворе. Во-вторых, большим количеством внутренних дефектов кристаллического строения, в-третьих наличием остаточного аустенита. Однако, самопроизвольно при нормальной температуре сталь не может перейти в более устойчивое состояние, так как для перестройки структуры требуется дополнительная энергия. Распад неустойчивой структуры возможен лишь при повышении температуры. Такая перестройка начинается начиная с небольшого нагревания до 100⁰ и заканчивается при достижении температурой т. А₁ (то есть 700⁰). Условно процесс перестройки температуры можно разбить на три стадии:

1. 
   При нагреве до 200⁰С. В этом интервале температур из М _{закалки} выделяется избыток углерода в виде мельчайших выделений цементита Fe₃C. В результат внутреннее напряжение в мартенсите уменьшается, и такой мартенсит называют мартенситом отпуска. Выделение из мартенсита цементита сопровождается уменьшением объема стали.
   
2. 
   200-400⁰С. При этих температурах продолжается превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска при уменьшении объема и одновременно с этим остаточный аустенит, который сохранился в закаленной стали, превращается в мартенсит закалки. Этот процесс идет с увеличением объема стали. Если остаточного аустенита много, то это увеличение объема можно компенсировать. Изменение объема связано с переходом мартенсита закалки в мартенсит отпуска.
   
3. 
   400-600⁰С. При этих температурах мартенсит отпуска распадается на смесь феррита и цементита М_отп  Ф+Ц. Чем выше температура, тем больше размер образовавшихся зерен феррита и цементита. Кроме того, меняется и форма цементитных включений. В отличии от пластинчатой формы, которая образуется при распаде аустенита в момент перехода его в перлит, при превращении мартенсита в перлит частицы цементита округлые, то есть сферические. В результате такого изменения структуры меняется вязкость стали. Чем мельче частицы цементита и чем они более круглые, тем выше вязкость. Размер округлых включений цементита зависит только от температуры, чем выше температура, тем включений больше, но одновременно с увеличением размера включений уменьшается и твердость и вязкость стали.
   

---

---

Практика термообработки сталей.

При изготовлении деталей для изменения структуры и свойств стали применяют различные операции термообработки. К ним относят отжиг, закалку и отпуск.
Отжиг сталей.

Отжиг – это термообработка, направленная на уменьшение прочности и твердости и повышение пластичности стали. Температура отжига определяется его назначением и зависит от содержания углерода.

Для доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей применяют различные виды отжига. Это объясняется разным назначением сталей.
Отжиг доэвтектоидной стали.

Для доэвтектоидной стали можно применять как отжиг 1 рода, так и отжиг 2 рода. Из отжигов 1 рода для стали применяют отжиг на рекристаллизацию (применяют для малоуглеродистой стали, то есть содержании с менее от 0,25%). Эта сталь предназначена для холодной штамповки. При деформации в ней возникает упрочнение, то есть наклеп, который снимается отжигом на рекристаллизацию.

1. 
   Рекристаллизационный отжиг проходит при температурах 680⁰С, время отжига 4-12 часов.
   
2. 
   Отжиг на снятие внутренних напряжений. Этот вид отжига применяется для устранения внутренних напряжений, которые возникают в процессах резки, сварки, шлифования. Снятие внутренних напряжений происходит за счет процессов возврата. Продолжительность и температура такого отжига зависит от вида напряжений, от размеров деталей, химического состава стали (до 600⁰С), 2-12 часов. Большинство конструкционных деталей изготавливается из средне- и высокоуглеродистых сталей. Температура рекристаллизационного отжига таких сталей практически совпадает с температурой т. А₁, поэтому в большинстве случаев для изменения структуры и свойств стали применяют отжиг 2 рода.
   

Для доэвтектоидной стали в основном применяют полный отжиг. При таком отжиге происходит полная смена структуры стали, что позволяет устранить все дефекты, вызванные холодной деформацией, сваркой, резкой и так далее. Отжиг 2 рода для доэвтектоидной стали принято разделять на 4 вида:

1. 
   полный отжиг
   
2. 
   изотермический отжиг
   
3. 
   нормализация
   
4. 
   патентирование
   

1. 
   Полный отжиг
   

Производится с нагревом стали до температуры, превышающей точку А₃ с последующим медленным охлаждением вместе с речью. Медленное охлаждение вызывает полное равновесное превращение АФ + П. В результате получается максимально возможная пластичность, минимальная твердость и прочность и полное снятие внутренних напряжений. Если внутренние направления не имеют значения то после охлаждения с печью до 500

---