Термообработка
Термообработка
Описание : реферат по термообработке . Здавался в МИСИС на физикохимическом
факультете . Подробно смотри план :
План реферата .
1. Введение.
2. Гомогенизационный отжиг.
3. Дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиг.
3.1. Смягчающий отжиг.
3.2. Упрочняющий отжиг.
4. Отжиг,уменьшающий напряжения.
5. Факторы , влияющие на перлитно-аустенитное превращение.
6. Влияние зерна аустенита на свойства стали.
7. Изотермический распад переохлажденного аустенита .
8. Построение термокинетической диаграммы распада (-переохлажденного .
9. Отжиг II рода
9.1. Полный отжиг.
9.2. Неполный отжиг.
9.3. Изотермический отжиг.
9.4. Сфероидизирующий отжиг.
10. Нормализация.
11. Одинарная термообработка.
12. Патентирование стали .
1. Введение
Отжиг I рода - это термообработка , которая устраняет частично (или
полностью) всякого рода неоднородности и неравновесности , которые были
внесены в металл при предшествующих операциях ( мех. обработка , обработка
давлением , литье , сварка ).
В зависимости от исходного состояния стали отжиг может включать процессы
гомогенизации , рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Эти
процессы происходят независимо от того , протекают ли в сплавах при такой
обработке фазовые превращения или нет . Поэтому отжиг I рода можно
проводить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений .
2.Гомогенизационный отжиг.
Основной целью гомогенизационного отжига являются - устранение последствий
дендритной или внутрикристаллитной ликвации , которая может привести к :
1.Снижению пластичности , за счет выделения неравновесных хрупких фаз.
2.Уменьшению коррозионной стойкости и развитии электрохимической коррозии
внутри сплава.
3.Анизотропии мех. свойств.
4.Снижению температуры солидуса.
5.Уменьшению температуры плавления , из-за которого происходит оплавление
дендритов при дальнейшей обработке.
6.Отсутствию стабильности свойств.
Физико- химической основой гомогенизационного отжига является диффузия в
твердом состоянии , по этому отжиг желательно проводить при более высоких
температурах , чтобы диффузионные процессы , необходимые для выравнивания
состава стали , проходили более полно.
Температура нагрева под отжиг колеблется в пределах (0.85-0.90)Tпл .
Выдержка будет определяться природой ликвирующих элементов . Так как
гомогенизация интенсивно протекает в начальный период отжига ( по мере
выравнивания состава сплава градиент концентрации dC/dX уменьшается ) , то
большие времена выдержки не применяются. Однако для некоторых металлов это
время составляет десятки или сотни часов. Для уменьшения времени отжига
нужно
1. Увеличить температуру
2. Изменить dC/dX , а для этого нужно изменить условия кристаллизации.
3. Загрузить в печь уже нагретые слитки.
Гомогенизирующий отжиг может вызвать ряд негативных побочных явлений:
1. Рост зерна аустенита,следовательно ухудшение мех. свойств .
2. Вторичная пористость и неоднородность .
3. Коагуляция избыточных фаз.
Поэтому гомогенизирующий отжиг является предварительной обработкой , после
которой поводят полный отжиг,или обработку давлением , или отпуск при 670-
680 градусах ,или нормализацию.
Для устранения неоднородностей , вызванных холодной пластической
деформацией применяют дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиг
При холодной деформации происходит:
1.Изменение формы и размеров кристаллов
2.Накопление в металле большого количества избыточной энергии ,что в
конечном итоге приводит к росту напряжений 1 и 2 родов.
Из-за этого : уменьшаются пластические характеристики, появляется
анизотропия механических свойств, увеличивается электросопротивление и
уменьшается коррозионная стойкость.
Все это можно попытаться устранить отжигом.
Дорекристаллизационный отжиг бывает смягчающим и упрочняющим.
Смягчающий отжиг используют для повышения пластичности при частичном
сохранении деформационного упрочнения. Чаще всего его применяют в качестве
окончательной операции , придающей изделию требуемое сочетание прочности и
пластичности. Кроме того , можно уменьшить остаточные напряжения
,стабилизировать свойства и повысить стойкость к коррозии. Для выбора
режима дорекристаллизационного смягчающего отжига необходимо знать
температуру начала рекристаллизации, при данной степени деформации.
Дорекристаллизационный упрочняющий отжиг применяют для повышения упругих
свойств пружин и мембран.Оптимальную температуру подбирают опытным путем.
Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как предварительную
операцию перед холодной обработкой давлением,для придания материалу
наибольшей пластичности;как промежуточный процесс между операциями
холодногодеформирования,для снятия наклепа ; и как окончательную
термообработку,для придания материалу необходимых свойств.
При выборе режима отжига нужно избегать получения очень крупного зерна и
разнозернистости.Скорость нагрева чаще всего не имеет значения.
4.Отжиг,уменьшающий напряжения.
При обработке давлением,литье,сварке,термообработке в изделиях могут
возникать внутренние напряжения.В большинстве случаев,они полностью или
частично сохраняются в металле после окончания технологического
процесса.Поэтому основная цель отжига - полная или частичная релаксация
остаточных напряжений.
Причинами возникновения остаточных напряжений являются неодинаковая
пластическая деформация или разное изменение удельного объема в различных
точках тела,из-за наличия градиента температур по сечению тела.
Напряжения при отжиге уменьшаются двумя путями : вследствии пластической
деформации в условиях когда эти напряжения превысят предел текучести и в
результате ползучести при напряжениях меньше предела текучести.
Продолжительность отжига устанавливают опытным путем.Определенной
температуре отжига в каждом конкретном изделии соответствует свой конечный
уровень остаточных напряжений, по достижении которого увеличивать
продолжительность отжига практически бесполезно.
Температуру подбирают обычно несколько ниже критической точки Ас1 .
Скорости нагрева и особенно охлаждения при отжиге должны быть
небольшими,чтобы не возникли новые внутренние термические напряжения.
Использование отжига лимитируется теми нежелательными структурными и
фазовыми изменениями , которые могут произойти при нагреве. Поэтому
приходится либо мириться с недостаточно полным снятием остаточных
напряжений при низких температурах ,либо идти на компромис ,достигая более
полного снятия напряжений при некотором ухудшении механических и других
свойств.
5.Факторы,влияющие на перлитно-аустенитное превращение.
Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом и
подчиняется основным положениям теории кристаллизации. Процесс сводится к
полиморфному ((( [pic] превращению и растворению в образовавшемся
аустените цементита.Из этого вытекают факторы ,влияющие на перлитно-
аустенитное превращение.
1. При повышении температуры превращение перлита в аустенит резко
ускоряется. Это объясняется , с одной стороны ,ускорением диффузионных
процессов, а с другой - увеличением градиента концентрации в аустените.
2. Скорость превращения будет зависеть и от исходного состояния ферритно-
цементитной структуры. Чем тоньше структура ,тем больше возникает
зародышей аустенита и быстрее протекает процесс
аустенизации.Предварительная сфероидизация цементита замедляет прцесс
образования аустенита.
3. Чем больше в стали углерода , тем быстрее протекает аустенизация,что
объясняется увеличением количества цементита, и ростом суммарной
поверхности раздела феррита и цементита.
4. Введение в сталь хрома ,мрлибдена,вольфрама ,ванадия и других
карбидообразующих элементов задерживает аустенизацию из-за образования
легированного цементита или трудно растворимых в аустените карбидов
легирующих элементов.
5. Чем больше скорость нагрева ,тем выше температура ,при которой
происходит превращение перлита в аустенит , а продолжительность
превращения меньше.
6.Влияние величины зерна аустенита на свойства стали.
Чем мельче зерно ,тем выше прочность ( (в ,(0.2) ,пластичность(( , ( ) и
вязкость и ниже порог хладноломкости( t ). Уменьшая размер зерна
аустенита, можно компенсировать отрицательное влияние других механизмов на
порог хладноломкости. Чем мельче зерно , тем выше предел
выносливости.Поэтому все методы , вызывающие измельчение зерна аустенита
повышают конструктивную прочность стали. Крупное зерно нужно только в
трансформаторных сталях , чтобы улучшить их магнитные свойства. При
укрупнении зерна до 10-15 мкм трещиностойкость уменьшается , а при
дальнейшем росте зерна - возрастает. Это может быть связано с очищением
границ зерна аустенита от вредных примесей благодаря большему их расворению
в объеме зерна при высокотемпературном нагреве.
7.Изотермический распад переохлажденного аустенита .
Если сталь со структурой аустенита , полученной в результате нагрева до
температуры выше Ас3 -для доэвтектоидной стали или выше Асm - для
заэвтектоидной , переохладить до температуры ниже Аr1 , то аустенит
оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение .
Рассмотрим кинетику этого процесса ( см. рис. 1)
Вначале объем новой составляющей , испытавший превращение , растет с
ускорением, а к концу превращения прибыль этого объема резко замедляется
.Это объясняется тем , что в начальный период образуется лишь небольшое
количество центров превращения с малой поверхностью новой структурной
составляющей ; по мере изотермической выдержки число центров возрастает ,
увеличиваются размеры новой составляющей , но вскоре наступает замедление
прцесса из-за того , что растущие кристаллы соприкасаются между собой и в
местах стыка рост их прекращается , т.е. поверхность фронта превращения
уменьшается .
Период о-а называется инкубационным периодом. В инкубационный период
количество образовавшихся новых кристаллов настолько мало , что превращение
не фиксируется обычными методами исследования . Конец инкубационного
периода - точка а на рис. 1 - фиксируемое данным методом начало
превращения .
[pic]
По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием
более стабильных структур .Скорость распада сначала быстро увеличивается ,
а потом постепенно убывает . Через какое-то время процесс полностью
заканчивается ( точка в ) на рис. 1 .
Строя такие кривые при различных температурах можно получить диаграмму
изотермического превращения переохлажденного аустенита , см. рис. 2 .
[pic][pic]
Для этого нужно отрезки времени , соответствующие началу ( точки а ) и
концу ( точки в ) распада аустенита или какой - то степени превращения для
каждой из исследуемых температур перенести на график температура - время
, и одноименные точки соединить плавными кривыми . На диаграмме кривая 1
соответствует началу превращения , а кривая 2 характеризует конец
превращения .
8.Построение термокинетической диаграммы .
Термокинетические диаграммы используются для разработки технологии
термической обработки . По этим диаграммам можно получить данные о
температурных интервалах протекания фазовых превращений при непрерывном
охлаждении и об образующихся при этом структурных составляющих .
Существует два способа построения таких диаграмм.
1 способ. При непрерывном охлаждении образцов фиксируем их температуру
осциллографом .Можно измерять какую-либо характеристику образца в процессе
его охлаждения ( например , его длину при дилатометрическом методе ) и по
отклонению этой характеристики от плавного изменения определить начало
превращения .
2 способ . Охлаждаем серии образцов по одинаковому режиму , которые
в разные моменты времени закаливаем в воде , а затем исследуем их структуру
или свойства ,определяя по ним начало и конец превращения или степень оного
,при одном режиме непрерывного охлаждения .
Если исследуем фазовые превращения при распаде переохлажденного аустенита ,
то термокинетическую диаграмму строим в координатах температура - время
на основе анализа серии кривых охлаждения , на которых отмечаем температуры
начала и конца перлитного и промежуточного превращений и соответственно
области этих превращений .
Из этих диаграмм можно увидеть , что при малых скоростях охлаждения в
углеродистых сталях протекает только перлитный распад аустенита с
образованием феррито-цементитной структуры с различной степенью
дисперсности - перлит , сорбит , троостит .При высоких скоростях охлаждения
- выше Vк - перлитный распад аустенита подавляется и аустенит претерпевает
только мартенситное превращение .В легированных сталях существует и область
промежуточного превращения , в которой аустенит претерпевает распад с
образованием бейнита .
9.Отжиг II рода.
Отжиг второго рода - это термообработка , которая заключается в нагреве
стали до температур выше точек Ас3 или Ас1 ,выдержке и последующем
охлаждении. В результате мы получаем почти равновесное структурное
состояние стали; в доэвтектоидных сталях - феррит + перлит , в эвтектоидных
- перлит и в заэвтектоидных - перлит + вторичный цементит .
После отжига получаем : мелкое зерно, частично или полностью устраненные
строчечность , видманштеттову структуру и другие неблагоприятные структуры
.
Сталь получается снизкой прочностью и твердостью при достаточном уровне
пластичности.
В промышленности отжиг II рода часто используется в качестве
подготовительной и окончательной обработки.
Разновидности отжига II рода различаются способами охлаждения и степенью
переохлаждения аустенита , а так же положением температур нагрева
относительно критических точек .
9.1 Полный отжиг.
Основные цели полного отжига - устранение пороков структуры , возникших при
предыдущей обработке ( лить , горячей деформации или сварке ) , смягчение
стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений , для придания
стали определенных характеристик. Вцелом отжиг II рода проводят для
приближения системя к равновесию.
[pic]
Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур
на 30-50 С выше температуры Ас3 (чрезмерное повышение температуры выше
этой точки приведет к росту зерна аустенита , что вызовет ухудшение свойств
стали), выдержке для полного прогрева и завершения фазовых превращений в
объеме металла и последующем медленном охлаждении . Для заэвтектоидных
сталей такой отжиг с нагревом выше Аcm не пойдет потому что при медленном
охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного
цементита , ухудшающая механические свойства . Для доэвтектоидных сталей
время нагрева и продолжительность обработки зависят типа печи ,способа
укладки , типа отжигаемого материала (лист,прокат , ...).Наиболее
распространенная скорость нагрева составляет ~ 100 C / ч ,а
продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа на тонну изделия. Медленное
охлаждение обусловленно необходимостью избежать образования слишком
дисперсной ферритно-цементитной структуры и следовательно более высокой
твердости. Скоростьохлаждения зависит от устойчивости переохлажденного
аустенита ,а следовательно , от состава стали . Ее регулируют проводя
охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей , с полностью или частично
выключенным обогревом.
При полном отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали.При
нагреве выше точки Ас3 образуется аустенит , характеризующийся мелким
зерном ,который при охлаждении дает мелкозернистую структуру ,
обеспечивающую высокую вязкость , пластичность и получение высоких свойств
после окончательной обработки.
Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из избыточного
феррита и перлита.
Существует отжиг противоположный по целям обычному отжигу .Это отжиг на
крупное зерно с нагревом до 950-1100 С , который применяют для улучшения
обработки резанием мягких низкоуглеродистых сталей .
9.2 Неплный отжиг .
Неполный отжиг доэвтектоидной стали проводят при нагреве до температур выше
Ас1 , но ниже Ас3 . При таких температурах происходит частичная
перекристаллизация стали , а именно лишь переход перлита в аустенит .
избыточный феррит частично превращается в аустенит и значительная часть его
не подвергается перерекристаллизации . Поэтому неполный отжиг не устраняет
пороки стали связанные с нежелательными размерами и формой избыточного
феррита . Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется лишь тогда ,
когда отсутствует перегрев , ферритная полосчатость, и требуется только
снижение твердости и смягчения перед обработкой резанием .
9.3 Сфероидизирующий отжиг .
Сфероидизирующий отжиг с нагревом несколько выше температуры Ас1 и
несколько ниже точки Аr1 (740 -780 C ) и последующем медленном охлаждением
применяют к заэвтектоидным сталям , что позволяет получить зернистую форму
перлита вместо пластинчатой .
Для режима сфероидизирующего отжига заэвтектоидных сталей характерен узкий
температурный интервал отжигаемости . Верхняя граница не должна быть выше
слишком высокой , т.к. иначе при растворении центров карбидного выделения
при охлаждении образуется пластинчатый перлит . а для сталей близких к
эвтектоидному составу этот интервал особенно узок т.к. точки Асm и А1
сходятся при эвтектоидной концентрации .
Выдержка при постоянной температуре необходима для окончательного распада
переохлажденного аустенита и коагуляции карбидов и составляет 4-6 часов в
зависимости от массы отжигаемого металла .
Скорость охлаждения очень сильно влияет на конечную структуру . чем меньше
скорость , тем до больших размеров вырастают глобули карбида при распаде
аустенита. Регулируя скорость охлаждения , можно получать структуры
глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого . Более
мелкозернистый перлит обладает повышенной твердостью .
На твердость будет оказывать влияние и повышение температуры отжига до 800-
820 С .Твердость будет снижаться из-за развития сфероидизации , а при
дальнейшем повышении температуры отжига твердость растет из-за появления
все в большем количестве пластинчатого перлита .
Вчем состоит механизм сфероидизации ?
В результате деления цементитных пластин получаются мелкие частички
цементита . Если избыточный цементит находится в виде сетки, что является
дефектом , то перед отжигом предварительно проводят нормализацию для
растворения сетки цементита в с последующем охлаждении на воздухе . При
делении цементитные пластины растворяются в наиболее тонких участках , а
также в местах выхода на межфазную поверхность Ц/А субграниц в цементите
или аустените .Деление можно ускорить применив холодную пластическую или
теплую деформацию при температурах ниже А1 . После деления пластин мелкие
их частицы сфероидизируются , путем переноса углерода через окружающий
твердый раствор .
Сфероидизирующему отжигу подвергают углеродистые , легированные
инструментальные и шарикоподшипниковые стали . Кроме того , структкра
зернистого перлита является наилучшей перед закалкой - меньше склонность к
росту аустенитного зерна , шире допустимый интервал закалочных температур ,
Если при при однократном отжиге не происходит полной сфероидизации
цементита , то можно применить циклический отжиг . Например , углеродистую
сталь несколько раз попеременно нагревают до 740 С и охлаждают до 680 С .
[pic]
Пластина цементита при каждом нагреве частично растворяется в аустените .
При каждом охлаждении из аустенита выделяется цементит на нерастворившихся
остатках цементитных пластин . Попеременно растворяясь и подрастая ,
цементитная пластина постепенно округляется . Сложности возникают с
контролированием колебаний температуры в больших массах материала в
заданном интервале .
9.4 Изотермический отжиг .
Изотермический отжиг - термообработка , при которой после нагрева до
температуры выше А3 на 50 - 70 С сталь ускоренно охлаждают до температуры
изотермической выдержки , которая находится ниже точки А1 на 100-150 С .
Затем проводим ускоренное охлаждение на воздухе .
[pic]
Чем ближе температура изотермической выдержки к точке А1 , тем больше
межпластинчатое расстояние в перлите и мягче сталь , но больше и время
превращения . А т.к. основная цель изотермического отжига - смягчение стали
, то выбирают такую температуру , при которой получается требуемое
смягчение за небольшой промежуток времени .
Преимуществ изотермического отжига - сокращение времени обработки по
сравнению с обычным отжигом , что особенно чувствуется при работе с
легированными сталями . Для наибольшего ускорения отжига температуру
изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной
устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области .
Другое преимущество - получение более однородной структуры , т.к. при
изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и
превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени
переохлаждения . После отжига при температуре до 930-950 С укркпняеися
зерно аустенита , улучшается обрабатываемость резанием и повышается чистота
поверхности
Изотермическому отжигу подвергаются штамповки , заготовки инструментов и
других изделий небольших размеров .
10. Нормализация .
Нормализация заключается в нагреве до температур на 30-50 К выше линии GSE
,непродолжительной выдержке для прогрева и завершения фазовых превращений и
охлаждении на воздухе. Скорость охлаждения зависит от массы изделия и
отношения его поверхности к объему.
Нормализацию чаще всего применяют как промежуточную операцию для устранения
пороков строения и общего улучшения структуры перед закалкой , а также для
смягчения стали перед обработкой резанием.Тоесть цели ее близки к целям
отжига.
Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет
крупнозернистую структуру , полученную при литье или прокатке, ковке или
штамповке.Кроме того , частично подавляется выделение избыточной фазы (
феррита или вторичного цементита) и , следовательно, образуется
квазиэвтектоид. Таким образом , прочность стали после нормализации должна
быть больше , чем прочность после отжига,т.к. по сравнению с печью
ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более
низких температурах , что повышает дисперсность ферритно-цементитной
структуры и увеличивает количество перлита или точнее квазиэвтектоида типа
сорбита или троостита.
Но не всегда нормализация предподчтительнее отжига . Все зависит от
состава стали т.к. склонность аустенита к переохлаждению растет с
увеличением содержания в нем углерода и легирующих элементов.
Нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига к
низкоуглеродистым сталям , в которых аустенит слабо переохлаждается.Но она
не может заменить смягчающий отжиг высокоуглеродистых сталей , которые
сильно упрчняются при охлаждении на воздухе из-за значительного
переохлаждения аустенита.
В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного
цементита.При нагреве выше точки А вторичный цементит растворяется , а
при последующем охлаждении на воздухе он не успевает образовать грубую
сетку , понижающую свойства стали.
Очень часто нормализация служит для общего измельчения структуры перед
закалкой. Выделения избыточного феррита и эвтектоид становятся более
дисперсными и тем самым облегчается образование гомогенного аустенита при
нагреве под закалку .
Как окончательную термообработку нормализацию применяют к
низкоуглеродистым низколегированным , средне- и высокоуглеродистым
доэвтектоидным сталям .
11. Одинарная темообработка .
[pic]
Одинарная термообработка заключается в нагреве стали выше А3 ,
среднезамедленном охлаждении струей сжатого воздуха и душировании водой .
Небольшая выдержка обусловленна необходимостью попасть в область сорбита .
После такой обработки получается пластинчатые структуры - сорбит или
троостит .
12. Патентирование.
Патентирование - термообработка , применяемая для получения высокопрочной
канатной, пружинной и рояльной проволок. Проволоку из углеродистых сталей ,
содержащих 045-085 % С ,нагревают в проходной печи до температур на 150-
200 градусов выше Ас3 , пропускают через свинцовую или соляную ванну при
Т=450-550 С и наматывают на приводной барабан.
Высокая температура нагрева необходима для гомогенизации аустенита.
Скорость движения проволоки должна быть такой , чтобы время пребывания в
ванне было несколько больше времени окончания перлитного превращения. Иначе
, при выходе проволоки из ванны аустенит , не успевший претерпеть перлитный
распад , превращается в нижний бейнит или мартенсит и пластические свойства
проволоки резко снижаются.
При выходе из ванны проволока имеет ферритно-цементитную структуру с очень
малым межпластинчатым расстоянием и отсутствием зерен избыточного феррита.
Благодаря этому проволока способна выдерживать большие обжатия при
холодной протяжке без обрывов.
Получаемая структура называется квазиэвтектоидной .
Список литературы.
1. Новиков И.И. Теория термичесеой обработки металлов .М.:
Металлургия,1986.
2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.
М.: Металлургия , 1993
3. Лившиц Металлография. М.: Металлургия ,1994. |
