Файл: Теория термообработки.doc

ТМО Сталей.

Применяют 2 вида ТМО: ВТМО и НТМО.

При ВТМО сталь нагревают до аустенитного состояния, затем охлаждают в область высокотемпературной устойчивости аустенита, проводят горячую диффузию, затем сразу делают закалку и после неё низкий отпуск. Во время горячей деформации аустенита образующийся наклеп частично снимается за счет процессов динамической полигонизации.

Степень диффузии выбирается такой, чтобы не допустить полного снятия наклепа за счет динамической рекристаллизации, т. е. после горячей деформации образуется полигонизованная структура аустенита с большим количеством малоугловых границ.

При закалке образуется мелкоигольчатая структура мартенсита, которая сохраняет повышенную плотность дефектов кристаллического строения аустенита. В результате после ВТМО удается повысить прочность стали на 20- 30 % с сохранением вязкости по сравнению с обычной закалкой.

При НТМО горячая деформация проводится в области низкотемпературной устойчивости аустенита, т. к. температура диффузии невысокая, то практически весь наклеп сохраняется и наследуется в сталях после закалки. НТМО позволяет резко увеличить дефективность кристаллической решетки и за счет этого повысить прочность почти в 2 раза. Однако при этом снижается пластичность и вязкость приблизительно на 15- 20 %. Проведение горячей деформации при низкой температуре, требует очень мощного оборудования. Поэтому НТМО чаще применяют при прокатке листов, профилей или труб.

Для того, чтобы проводить ТМО необходимо иметь достаточный интервал устойчивости аустенита. Поэтому ТМО проводят, как правило, для легированных сталей. Легированные элементы смещают вправо с-образные кривые, увеличивая тем самым область устойчивости аустенита.

ВНТМО_и_ПТМО.1._НТМО'>ТМО стареющих сплавов.

Для стареющих сплавов можно применить НТМО, ВТМО, ВНТМО и ПТМО.

1. НТМО - низкотемпературная термообработка применяется чаще всего(80%). При НТМО вначале проводится закалка, затем холодная пластическая деформация и последующие старение. При холодной деформации закаленного сплава возникает наклеп, т.е. повышается плотность дефектов кристаллического строения. При последующем старения распад пересыщенного твердого раствора начинается зарождением и появлением упрочняющих фаз на дефектах кристаллического строения, т.е. происходит блокирование дислокаций интерметаллидными фазами и для их смещения требуется дополнительное усилие. Следовательно, прочность сплава увеличивается.

---

2. ВТМО – при ВТМО горячая деформация совмещается с нагревом под закалку, однако степень диффузии должна быть такой, чтобы не вызвать снятия наклепа, за счет прохождения динамичной рекристаллизации.

После диффузии в сплаве образуется полигонизованная структура, которая сохраняется и после диффузии и после последующего старения. При ВТМО эффект увеличения прочности достигает 10- 15 % при сохранении вязкости. ВТМО возможна только в тех случаях, когда температура нагрева под горячую деформацию и под закалку совпадают.

3. 
   ВНТМО: сочетание ВТМО и НТМО.
   

4. ПТМО - предварительная ТМО. При ПТМО деформация (горячая или холодная) проводятся до закалки, поэтому основная задача закалки – это провидение нагрева и охлаждения так быстро, чтобы, не допустить снятия наклепа, т. к. сделать это очень трудно, то ПТМО применяется очень редко.
Легированные и специальные стали.

Легированными или специальными называют такие стали, которые в своем составе кроме углерода содержат еще дополнительные добавки, введенные в состав с целью направленного изменения ее свойств. Такие добавки называются легирующими элементами (добавками). Основное отличие легирующих элементов от примесей заключается в том, что их количество определяется необходимой мерой изменения свойств стали, в то время как для примесей количество определяет допустимую меру ухудшения свойств. Одни и те же элементы могут играть роль примесей или роль легирующих элементов, но примеси попадают в сталь случайно или с шихтой, в то время как легирующие элементы вводятся специально. К основным легирующим элементам относят: Cr, Ni, Mo, V, Mn, Si, Al. Количество вводимых легирующих элементов может изменяться от долей процента до десятков процентов. Влияние легирующих элементов проявляется в изменении структуры и, соответственно, свойств стали.
Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение в сталях.

Большинство легирующих элементов, при введении их в сталь, изменяют температуру начала и конца полиморфных превращений.

1. Первая группа легирующих элементов отличается тем, что понижает точку А₃ и повышает точку А₄. В группу входят Ni, Mn, Pt. Введение легирующих элементов, которые понижает точку А

---

₃ и одновременно повышает точку А₄, расширяя область существования аустенита, называют аустенизаторами. При содержании легирующих элементов больше Скр, структура будет аустенитная, без полиморфных превращений.

2. Вторая группа легирующих элементов отличается тем, что повышает точку А₃ и понижает точку А₄. В группу входят Si, Ti, V, Mo. Введение легирующих элементов повышает точку А₃ и одновременно понижает точку А₄. В этом случае происходит замыкание области существования аустенита и, при содержании легирующих элементов больше С_КР, полиморфных превращений в стали не будет. Такие легирующие элементы, которые стабилизируют Феррит, называются ферритизаторами.

Если в сталь вводят легирующие элементы с различным влиянием на полиморфные превращения, то окончательная структура стали может быть различной, в зависимости от соотношения легирующих элементов и температурного воздействия, т.е. сталь может быть с ферритной, феррит + аустенит, аустенитной структурой.
Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом.

По взаимодействию с железом, легирующие элементы делятся на три группы:

1. Легирующие элементы, отличающиеся слабым взаимодействием с железом. Такие легирующие элементы либо вообще не взаимодействуют с железом, либо образуют твердые растворы очень малых концентраций. Например, Pb, K, S. Такие легирующие элементы располагаются, как правило, по границам зерен, ухудшая тем самым связь между ними. В результате прочностные свойства падают, но улучшается обрабатываемость резанием (автоматная сталь).

2. Легирующие элементы, отличающиеся образованием с железом твердых растворов. Как правило, увеличивается прочность и твердость, но вместе с этим одновременно понижается пластичность и вязкость. Образование твердых растворов может идти по типу замещения или внедрения. Растворы замещения образуют легирующие элементы – металлы, а твердые растворы внедрения образуют легирующие элементы – неметаллы (B, N). Образование твердых растворов внедрения особенно сильно увеличивает твердость и понижает пластичность. Лишь один легирующий элемент увеличивает прочность, пластичность, вязкость и одновременно снижает порог хладноломкости – это Ni.

3. Образование интерметаллидов. При образовании легирующими элементами химических соединений с железом, образуются интерметаллидные фазы: FeCr, FeAl. Это приводит к

---

резкому увеличению прочности и твердости, но одновременно снижает вязкость и пластичность.

По взаимодействию с углеродом, легирующие элементы делятся на две группы:

Карбидообразующие. К ним относят Cr, W, Ti, Mo. К не карбидообразующим относят Ni, Al, Cu, Si, Mn. Карбиды относятся к фазам внедрения, поэтому их появление в сталях вызывает резкое увеличение прочности и твердости, с одновременным снижением вязкости и пластичности. Легирующие элементы влияют на положение критических точек в сталях и основных линий на диаграмме Fe-C. Введение карбидообразующих элементов повышает точки А₁ и А₃, т.к. карбиды легирующих элементов более устойчивы и растворяются в железе при более высоких температурах, чем обычный цементит. Поэтому введение легирующих элементов, образующих карбиды, вызывает необходимость повышения температур отжига и закалки. Введение карбидообразующих элементов смещает влево точки S и E на диаграмме Fe-C, поэтому, чем больше легирующих элементов, тем меньше содержание углерода в перлите. Смещение точки Е влево может приводить к тому, что при содержании углерода 1,3-1,5% в структуре могут наблюдаться выделения эвтектики – ледебурита. В обычных углеродистых сплавах ледебурит присутствует только в чугуне.
Влияние легирующих элементов на фазовые превращения при термообработке.

Введение легирующих элементов изменяет положение С – образных кривых на диаграмме изотермического превращения аустенита.

Практически все легирующие элементы смещают С – образные кривые вправо, а точки Mn и Mk вниз. И только один элемент является исключением, действует наоборот – это Co. Из-за смещения С – образных кривых вправо, изменяется критическая скорость охлаждения при закалке.

При содержании легирующих элементов более 15-20%, интервал перлитного превращения смещается вправо настолько, что при охлаждении на воздухе превращение не наступает вовсе. Начало и конец мартенситного превращения смещается в область отрицательных температур. В результате Аустенитная структура стали сохраняется при любых температурах. Такую сталь называют сталью Аустенитного класса.

Наличие легирующих элементов в стали делает более устойчивым закаленное состояние, т.е. мартенсит сохраняется при нагревании в процессе отпуска до более высоких температур. Так, если в обычной углеродистой стали мартенсит превращается в троостит уже при нагревании до 250º С, то в легированных сталях мартенсит может сохраняться до температур 450-550º С. Это позволяет использовать такую сталь при работе, например, с более высокими скоростями резания, или в качестве инструмента для горячей штамповки.

---

Изменение твердости легированной стали при отпуске.

Сохранение твердости легированной стали до более высокой температуры отпуска объясняется повышенной устойчивостью мартенсита, а также выделением из него при отпуске огромного количества мельчайших карбидов легирующих элементов: Cr, W, Ti. Этот эффект называется дисперсионным или вторичным твердением.
Маркировка легированной стали.

Для маркировки легированной стали принята буквенно-цифровая форма, в которой каждому легирующему элементу присвоена своя буква, а цифра, которая следует за этой буквой показывает среднее содержание этого элемента в процентах. Если содержание элемента близко к единице, то никакой цифры не ставится.

Условно любую марку модно представить как четыре отдельные части.

1. Она может быть или не быть, обычно это буквы. Первая часть показывает на назначение стали: А – автоматная, Ш – шарикоподшипниковая, Р – режущая (быстрорежущая).

2. Здесь всегда находятся цифры, показывающие содержание в стали углерода.

10, 20, 40 – в сотых долях процента (любая сталь, кроме инструментальной). Если стоит одна цифра 2-9, то это содержание углерода в десятых долях процента. Если нет цифры, то содержание примерно 1%.

3. Обозначение легирующих элементов и их количество.

А – азот (N), Б – ниобий (Nb), В – вольфрам (W), Г – марганец (Mn), Д – медь (Cu),

Е – селен Se), К – кобальт (Co), М – молибден (Mo), Н – никель (Ni), П – фосфор ( P), Р – бор (B), С – кремний (Si), Т – титан (Ti), Х – хром (Cr), Ф – ванадий (V).

Если цифры нет, то содержание легирующих элементов 1%. Любая цифра равна числу процентов. Исключения В – 0,003%, N – 0,02-0,05%, Se – 0,3%. Иногда в маркировке появляется цифра 1: 15Х1МФ – содержание Cr больше 1%, но меньше 2%.

4. Буквенная часть. Буквы в конце марки показывают качество стали или метод ее очистки:

А – более высокое качество, т.е. пониженное содержание вредных примесей (30ХГСА)

Ш – шлаковый переплав, т.е. дополнительная очистка продувкой шлаком.

СШ – синтетическим шлаком.

ВД – вакуумно-дуговой переплав.
Исключения (маркировка для служебного пользования).

1. Шарикоподшипниковые стали: ШХ6, ШХ9, ШХ15. Цифра показывает содержание хрома не в целых, а в десятых долях процента.

2. Режущие стали: Р9, Р18, Р6М5. Цифра после буквы Р показывает содержание не углерода, а вольфрама в целых процентах. Углерода в таких сталях одинаковое количество – 1,2%.

---