Лекція №35

Навчальні питання:

1. Відпал 1-го роду.

2. Відпал 2-го роду.

3. Гартування з поліморфним перетворенням і відпуск сталі.

Навчальне питання 1. Відпал 1-го роду.

Відпал 1-го роду- термічна операція, що зводиться до нагрівання металу, який знаходиться у нестійкому стані внаслідок попередньої обробки, і переведення його у більш стійкий стан. Здійснення такого відпалу не пов’язане із фазовими перетвореннями у твердому стані.

Головними параметрами, що визначають швидкість процесів переходу металу до рівноважного стану, є температура нагрівання і тривалість витримки при такій температурі.

До основних різновидів відпалу 1-го роду належать: гомогені­зуючий (дифузійний) відпал, рекристалізаційний відпал, відпал для зняття залишкових напружень.

Гомогенізуючий (дифузійний) відпал застосовують для усунення дендритної ліквації, тобто для вирівнювання хімічного складу та підвищення однорідності структури литої легованої сталі, кольорових сплавів. Для усунення внутрішньокристалічної ліквації та розчинення незрівноваженої надлишкової карбідної фази евтектичного походження леговані сталі нагрівають до температур 1050 ...1250 °С, витримують

10…15 год і повільно охолоджують. Утворюється однорідна структура із великим зерном, яке подрібнюють під час наступної термічної обробки або при прокатуванні.

Зливки деформівних алюмінієвих сплавів гомогенізують залежно від марки сплавів і виду напівфабрикатів при температурах 450.. .550 °С, магнієвих - при 390...405 °С із метою поліпшення їхньої обробки тиском та підвищення механічних властивостей напівфабрикатів.

Рекристалізаційний відпал у промисловості використовують як попередню операцію перед холодною обробкою тиском (для надання матеріалу найбільшої пластичності), як проміжний процес між операціями холодного деформування (для зняття наклепу) та як кінцеву термічну обробку для отримання певного розміру зерна (для надання напівфабрикатам чи виробам необхідних властивостей). Після прокатування, штампування виробів із низьковуглецевих сталей із 0,08...0,2 % С температуру відпалу обирають у межах 680...700 °С із витримкою 3...6 год. Рекристалізаційний відпал прутків після холод­ного протягування, виготовлених із високовуглецевої легованої сталі, проводять при температурі 680...740 °С протягом 0,5... 1,5 год. Для поновлення пластичності міді рекомендований годинний відпал при температурі 500...700 °С, для деформівних алюмінієвих сплавів ця температура становить 350...500 °С із тривалістю витримки під час відпалу 0,5...2,0 год. Внаслідок цього замість структури деформова­ного металу утворюється рівноважна дрібнозерниста структура, вільна від залишкових напружень.

Навчальне питання 2. Відпал 2-го роду.

Відпал 2-го роду базується на використанні фазових перетворень, вони відбуваються при нагріванні та охолодженні сплавів. При фазовій рекристалізації подрібнюється зерно сталі, усувається відманштеттова структура, зменшується структурна неоднорідність. Цей відпал - сприяє підвищенню пластичності та в'язкості порівняно із властивостями, отриманими після лиття, кування і прокатування, відпал 2-го роду може бути як попередньою, так і кінцевою термічною обробкою для виливків, поковок, сортового і фасонного прокату, труб, і прокатаних листів.

До основних параметрів відпалу 2-го роду відносять температуру плавлення, час витримки при цій температурі та швидкість охолодження. температура нагрівання і тривалість витримки повинні забезпечувати необхідні фазові перетворення, повільне охолодження уможливлює фазові перетворення, що відбуваються дифузійним шляхом у зворотному напрямку і забезпечують необхідні зміни структури.

Основними різновидами відпалу 2-го роду є повний та неповний відпали сталі, ізотермічний відпал сталі та чавуну, нормалізація, графітизуючий та сфероїдизуючий відпали.

Призначення режимів термічної обробки і, зокрема, відпал 2-го роду для сталі та чавуну, пов'язане із положенням критичних точок діаграми стану залізо-вуглець. Критичні точки позначають літерою А (початкова літера від франц. arrêter - зупинятися). Нижня критична точка А і знаходиться на лінії PSK (727 °С) діаграми залізо-вуглець і відповідає при охолодженні перетворенню аустеніту на перліт. Точка A₃, що знаходиться на лінії GS діаграми, відповідає початку виділення або завершенню розчинення фериту в доевтектоїдних сталях, тобто поліморфному α↔γ перетворенню. Точка А₄ відповідає лінії NJ діаграми залізо-вуглець. Температури критичних точок при нагріванні вище, ніж при охолодженні. Ця різниця визначається так званим гістерезисом. Він тим більший, чим вища швидкість нагрівання чи охолодження. Для того, щоб відрізнити критичні точки під час нагрівання і охолодження, їх позначають: літерою с (від франц. chaufer- нагрівати) – Ас₁, А_с3, літерою r (від франц. refroidir — охолоджувати) — А_r1, А_r3. За дуже малих швидкостей нагрівання і охолодження різниця температур зникає і точки А_с і А_r зливаються в одну рівноважну точку.

Таким чином, критичну точку перетворення аустеніту на перліт позначають А_r1, а перліту на аустеніт – А_c1, початок виділення фериту з аустеніту позначають А_r3, а закінчення розчинення фериту в аустеніті – A_c3. Початок виділення вторинного цементиту з аустеніту та закінчення розчинення вторинного цементиту в аустеніті позначають однією й тією ж точкою - А_ст.

Відкриття критичних точок у залізі та сталі Д. Черновим було покладено в основу теорії науково обгрунтованої технології термічної обробки залізовуглецевих сплавів.

Повний відпал складається з нагрівання доевтектоїдної сталі на

30...50 °С вище від точки Ас₃ витримки при цій температурі для повного прогрівання та завершення фазових перетворень в об'ємі металу і наступного повільного (разом із піччю) охолодження (рис. 7.16), з метою отримання рівноважної структури.

Аустенітний стан є вихідним при здійсненні більшості операцій термічної обробки сталі. Характер перетворень сталі при охолодженні залежить від швидкості охолодження (ступеня переохолодження).

Ступінь переохолодження зумовлює механізм і кінетику перетворення і, як наслідок, структуру і властивості сталі. Визначити вплив переохолодження в процесі безперервного охолодження складно. Тому перетворення аустеніту в зв'язку з різним ступенем переохолодження аналізують в ізотермічних умовах, використовуючи діаграми ізо­термічного розпаду аустеніту даної сталі (або Т-Т-Т-діаграми, назва за початковими літерами англійських слів: Temperature, Time, Transforma­tion). Ізотермічні умови дозволяють зробити швидким переохоло­дженням аустеніту до різних температур нижче від точки A₁. Витримуючи аустеніт за таких температур, визначають початок і кінець його розпаду, для цього у більшості випадків використовують магнітометричний або дилатометричний методи. З'єднавши лініями точки, що відповідають початку і завершенню перетворення при різних температурах, одержують основні лінії на діаграмі ізотермічного розпаду аустеніту (рис. 7.17).

За своїм механізмом розпад переохолодженного аустеніту поділяють на такі типи:

- дифузійне перлітне перетворення в інтервалі І (А₁ - 550 °С);

- проміжне бейнітне перетворення в інтервалі II (від 550 °С до 300 °С);

- бездифузійне мартенситне перетворення, область III ( в інтервалі

температур Mн-Мк, М_н температура початку, М_к-температура кінця

мартисистого перетворення).

Підрізки по осі абсцис 0а_1г 0а₂, 0а₃ (рис. 7.17, а) означають час до початкуперетворення при певній температурі ізотермічного витримування (інкубаційний період); точки B₁, В₂, В₃ відповідають часу повного завершення дифузійного розпаду аустеніту.

Обрані температури ізотермічного витримування (650,550 і 350 °С) і відповідні їм три ступені переохолодження свідчать, що при малих (650 °С) і значних (350 °С) переохолодженнях аустеніту перетворення β→α+Fe3A відбувається повільно, а за 550 °С перетворення має максимальну швидкість. При побудові діаграми з'єднують точки початку (а₁, а₂, а₃) і кінця (в₁, в₂, в₃) дифузійного розпаду аустеніту отримують так звані C-подібні криві. Область переохолодженого аустеніту, що зберігається певний час при даній температурі без перетворення, на діаграмі заштриховано. Проте інтервал температур йогоіснування обмежений температурою М_н тобто переохолоджений аустеніт, здатний до дифузійного розпаду, можна зберігати лише до певної температури, характерної для даної марки сталі. Значне переохолодження аустеніту до температури Мп створює можливість його бездифузійного перетворення на мартенсит.

Продуктами перлітного перетворення є перліт, сорбіт, троостигпластинчанчасті ферито-цементитні суміші. Вони відрізняються між собою відстанню між пластинами цементиту: у перліті приблизно 0,03.. 1,0 мкм; у сорбіті - 0,3 мкм; у трооститі - 0,03 мкм.

У вуглецевих сталях нижче вигину С-подібної кривої (рис. 7.17, б) в інтервалі температур розпаду переохолодженого аустеніту від 550 °С до Мп відбувається бейнітне перетворення, що є за своїм механізмом проміжним між перлітним і мартенситним, внаслідок якого утворюютьсясуміш фериту і карбіду заліза, що має назву бейніт. Карбід заліза у бейніті дуже дисперсний і не має пластинчастої будови. Розрізняють верхній і нижній бейніт, які утворюються відповідно в інтервалах температур розпаду аустеніту 550...350 °С та 350 °С - Мп. І ароіди верхнього бейніту виділяються з аустеніту при його розпаді, а пароїди нижнього бейніту знаходяться всередині пластин α-фази. І пароїдна фаза верхнього бейніту - цементит, а нижнього - ԑ-карбід.

Останній може змінюватися на цементит у разі зменшення ізотерміч­ного витримування. Верхній бейніт містить крупніші карбіди і має меншу твердість. У сталі із 0,8 % С твердість перліту, сорбіту, трооститу та бейніту приблизно дорівнює: 170. ..230 НВ, 230. ..330 НВ, 400 НВ та 430...580 НВ.

В умовах безперервного повільного охолодження перехід сталі з аустенітного стану відбувається за відносно невисоких ступенів переохолодження. Воно має місце при термічних операціях повного відпалу і нормалізації. При нормалізації доевтектоїдну сталь також нагрівають на 30...50 °С вище від точки Ас₃ і після витримування, охолоджують на повітрі (див. рис. 7.17, б, крива 2). Прискорене, порівняно з повним відпалом, охолодження викликає дещо більше переохолодження аустеніту. Тому при нормалізації отримують більш тонку будову евтектоїду, дрібніше евтектоїдне зерно, частково пригнічується виділення надлишкової фази (фериту у доевтектоїдній сталі чи вторинного цементиту у заевтектоїдній сталі). Отже, твердість і міцність після нормалізації будуть дещо більшими, порівняно із цими характеристиками, після повного відпалу. Але відмінність властивос­тей сталі в цих двох випадках залежить від складу сталі. Наприклад, твердість сталей, що містять 0,20...0,45 та 0,80 % С, після повного відпалу дорівнює відповідно 120, 160 та 180 НВ, а після нормалізації - 130, 190 і 240 НВ. Тому нормалізацію широко застосовують замість повного відпалу до низьковуглецевих сталей для їх пом’якшення перед обробкою різанням. Нормалізацію застосовують також замість відпалу для усунення дефектів сталі, що виникають при гарячій деформації і термічній обробці: крупнозернистість, відманштеттова структура, строкатість. У заевтектоїдній сталі нормалізація усуває грубу сітку вторинного цементиту. При нагріванні заевтектоїдної сталі на 30.. .50 °С вище від точки А_ст вторинний цементит розчиняється, і при наступному прискореному охолодженні на повітрі він не встигає утворити грубу сітку, яка знижує механічні властивості сталі. Нормалізація також поліпшує структуру сталі перед її гартуванням - при подальшому нагріванні сталі під гартування полегшується швидке утворення гомогенного аустеніту.

Неповний відпал відрізняється від повного нагрівання сталі до нижчої температури (дещо вище від точки Ас₁), його застосовують для поліпшення обробки різанням доевтектоїдної сталі. При їх неповному відпалі відбувається перекристалізація лише перлітної складової структури, тоді як неповний відпал заевтектоїдної сталі спричинює практично повну її перекристалізацію і дозволяє отримати зернисту (сфероїдальну) форму цементиту у перліті замість пластинчастої.

Сфероїдизуючий відпал евтектоїдної та заевтектоїдної сталей складається з нагрівання до температури, дещо вищої від точки Ас_ь іривалого витримування, повільного охолодження (30...40 °С/год) до (600 °С і далі на повітрі, або циклічного багаторазового нагрівання вище під точки Ас₁ і охолодження нижче від точки A_r1. При цьому відбувається усунення пластинчастого перліту та сітки цементиту, у спорюється кінцева структура фериту та зернистого цементиту. Сфероїдпзацію карбідів здійснюють для підвищення обробки різанням високовуглецевих інструментальних сталей, підвищення пластичності мало- і середньовуглецевих сталей перед холодним штампуванням і волочінням.

Ізотермічний відпал застосовують для скорочення тривалості відпалу прокату або заготовок легованих сталей після кування. Режим ізотермічного відпалу складається з нагрівання при температурі (0... 50 °С вище від точки Ас₃ (для доевтектоїдних сталей) і вище від тчок Ас₁ або Ас_т (для заевтектоїдних) витримування, прискореного охолодження до температури 650.. .680 °С, витримування за цієї темпера­тури до повного розпаду переохолодженого аустеніту на ферито-каріпдиу суміш та подальшого охолодження на повітрі. Кінцева структура - пластинчастий перліт і ферит (у заевтектоїдній сталі - перліт і цементит).

Схеми режимів відпалу (повного, сфероїдизуючого, ізотермічного) наведено на рис.7.18.

Навчальне питання 3. Гартування з поліморфним перетворенням і відпуск сталі.

Гартування із поліморфним перетворенням зводиться до нагрівання вище від точки Лс₃ (для доевтектоїдної сталі), або від Ас₁ (для заевтектоїдної сталі), витримування і охолодження зі швидкістю, що перевершує критичну і забезпечує одержання переважно мартенситної (або тростомартенситної) структури. Критичною швидкістю гартування називають мінімальну швидкість охолодження, необхідну для розпаду аустеніту в інтервалі мартенситного перетворення.

Мартенсите перетворення відбувається бездифузійним шляхом, оскільки аустеніт до моменту γ→α перетворення переохолоджують з такою швидкістю, що дифузія вуглецю практично виключена. Внаслідок швидкісного охолодження від температур аустенізації, вуглець, залишаючись у твердому розчині, спричинює викривлення його кристалічної ґратки. Утворюється пересичений твердий розчин вуглецю в α-залізі - мартенсит.

Перетворення аустеніту на мартенсит при охолодженні починається з певної, чітко визначеної для кожної сталі температури - температури початку мартенситного перетворення (Мн). Вона залежить не від швидкості охолодження, а значною мірою від вмісту вуглецю і легуючих елементів у сталі. Так, для сталей з 0,4 % С температура дорівнює 380 °С, з 0,6 % С - 300 °С, 0,8 % С - 230 °С, з 1 % С - 190 °С.

Закінчується мартенситне перетворення при температурі М_к, що мало залежить від вмісту вуглецю і у більшості випадків знаходиться нижче за кімнату. Для доевтектоїдної і заевтектоїдної сталей вона дорівнює близько мінус 100 °С.

При температурі М_н, коли утворюються перші кристали мартенситу (зі швидкістю близько 1 км/с), перетворення лише почина­ється. Для продовження процесу необхідне безперервне охолодження сталі в інтервалі температур М_н- М_к. Якщо охолодження припинити, то мартенсите перетворення також зупиняється. У структурі сталі, де основою є мартенсит, знаходиться невелика кількість залишкового аустеніту. Чим нижчою є точка М_н, тим більша кількість аустеніту залишається після гартування. Загартована сталь з 0,7 % С містить близько 5...7 % залишкового аустеніту, а сталь з 1 % С - 10... 15 %.

Залежно від температури нагрівання розрізняють повне і неповне гартування. При повному гартуванні, якому піддають лише доевтекто- їдні сталі, сталь нагрівають на 30...50 °С вище за Ас₃ (вище від лінії 1S па рис. 7.19) для отримання вихідної структури аустеніту. Для неповного гартування доевтектоїдну сталь нагрівають в інтервалі температур Ас₁ – Ac₃ (до 760...780 °С). Неповному гартуванню, як правило, піддають заевтектоїдні сталі. Вихідна структура при цьому — аустеніт з цементитом. Останній зберігається в структурі після гартування, сприяє підвищенню твердості та зносостійкості загартованої високовуглецевої сталі. Для забезпечення потрібної швидкості охолодження використовують різні гартівні середовища (воду, масло, розчин органічних сполук тощо). Залежно від способу охолодження розрізняють гартування з безперервним охолодженням, ступеневе, ізотермічне, переривчасте тощо.

Загартована сталь після охолодження знаходиться у структурно напруженому стані, є твердою, (при цьому її твердість залежить від вмісту вуглецю у мартенситі) та крихкою. Для зменшення крихкості та напружень, спричинених гартуванням, переведення незрівноважної структури загартованої сталі у рівноважний стан і надання потрібних властивостей (підвищення в'язкості, пластичності, зменшення твердості), сталь після гартування обов'язково піддають відпуску.

Відпуск - нагрівання загартованої сталі до певної температури (нижче від Ас₁), витримування її при цій температурі із наступним охолодженням до кімнатної температури. Залежно від температури нагрівання розрізняють низький, середній і високий відпуск.

Низький відпуск здійснюють при температурах 120...250 °С для зменшення внутрішніх напружень у сталі. При цьому тетрагональний мартенсит гартування перетворюється на мартенсит відпуску (кубічний), дещо знижується твердість (НRС<58...62 проти 62...64 після гартування) і крихкість. Низькому відпуску піддають різальні та вимірювальні інструменти з вуглецевих і легованих сталей після гартування, а також вироби після цементування (поверхневого насичення сталі вуглецем при хіміко-термічній обробці). Середній відпуск проводять при температурах 300...450 °С, в цьому інтервалі температур залишковий аустеніт розпадається, мартенсит значною мірою збіднюється вуглецем, утворюються дуже дрібні карбідні частинки цементиту сферичної форми. Дисперсну зернисту ферито- карбідну суміш, що утворюється при температурах середнього відпуску, називають трооститом відпуску. Середній відпуск забезпечує високу в'язкість та пружність сталі, знижує твердість до 40...45 НRС. Застосовується він для таких деталей, як пружини, ресори, штампи тощо.

Високий відпуск (при 450...680 °С) значно знижує твердість сталі (до 20...30 НRС), знижує границю міцності сталі при розтяганні, границю текучості, підвищує пластичність та ударну в'язкість. Під час витримування сталі в інтервалі температур високого відпуску збільшується розмір і проходить сфероїдизація дисперсних карбідних частинок, зростає феритне зерно. Зернисту ферито-цементитну суміш, структуру, що при цьому утворюється, називають сорбітом відпуску. Високий відпуск застосовують для обробки деталей з вуглецевих і легованих сталей, які повинні задовольняти високі вимоги до границі витривалості, ударної в'язкості, мати найліпше співвідношення міцності та в'язкості сталі (вали, осі, елементи кріплення тощо). Термічну обробку, що складається з гартування та високого відпуску називають поліпшенням.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.