Термической обработкой называют нагрев до определенной температуры, выдержку и охлаждение металлов и сплавов с целью изменения их структуры.
Термическая обработка включает в себя:
- отжиг 1-го рода,
-отжиг 2-го рода,
-закалку без полиморфного превращения,
-закалку с полиморфным превращением,
-отпуск и старение.
Эти виды термической обработки относятся и к сталям, и к цветным металлам, и к сплавам
. Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий внеравновесном состоянии, и приводящая его в болееравновесное состояние, называется отжигом .
Нагрев при отжиге может производиться ниже и выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига
Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производятся с целью приведения его в равновесное состояние за счет
- уменьшения (устранения) химической неоднородности,
-снятия внутренних напряжений и рекристаллизации,
называетсяотжигом первого рода.
Его проведение не связано с прохождением фазовых превращений. Он возможен для любых металлов и сплавов
Существуют следующие разновидности отжига 1-го рода:гомогенизационный, рекристаллизационньй и уменьшающий напряжения.
Гомогенизационный (диффузионный) отжиг - это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации (химической неоднородности).
Рекристаллизационный отжиг- это термическая обработка деформированного металла, при которой главным процессом является рекристаллизация металла.
Отжиг, уменьшающий напряжения - это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений.
Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом второго рода или перекристаллизацией.
Если после нагрева выше температур фазовых превращений охлаждение ведется не в печи, а на воздухе, то такой отжиг называется нормализацией.
Существует два вида закалки:
- закалка без полиморфного превращения
-закалка с полиморфным превращением.
Закалка без полиморфного превращения заключается в нагреве металла или сплава до температур растворения избыточной фазы, выдержке при этой температуре с целью получения однородного пересыщенного твердого раствора и в фиксации полученного пересыщенного твердого раствора за счет быстрого охлаждения. В результате сплав имеет структурно неустойчивое состояние. Этот вид закалки характерен для сплавов алюминия с медью — дуралюминов
Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температур фазовых превращений с последующим быстрым охлаждениемдляполучения структурно-неравновесного состояния, называется закалкой с полиморфным превращением. Этот вид закалки характерен для сплавов железа с углеродом (сталей). После закалки в стали образуется структура пересыщенного твердого раствора углерода в -железе, которая называется мартенситом.
Состояние закаленного сплава характеризуется особой неустойчивостью. Процессы, приближающие его к равновесному состоянию, могут идти даже при комнатной температуре и резко ускоряются при нагреве.
Термическая обработка, представляющая собойнагрев закаленного сплава ниже температур фазовых превращений для приближения его структуры к структуре более устойчивого состояния, называется отпуском.Отпуск является операцией, проводимой после закалки с полиморфным превращением.
Между отпуском и отжигом 1-го рода много общего. Разница в том, что отпуск - всегда вторичная операция после закалки.
Самопроизвольный отпуск, происходящий после закалки без полиморфного превращения в результате длительной выдержки при комнатной температуре, или отпуск при сравнительно небольшом подогреве называется старением
Термическую обработку сплавов, не связанную с фазовым превращением в твердом состоянии проводят:
- для уменьшения остаточных напряжений (отжиг для уменьшения напряжений), температура ниже порога рекристаллизации, выдержка и медленное охлаждение
- рекристаллизации пластически деформированных заготовок (рекристаллизационный отжиг), температура Тр+100-200оС и охлаждение на спокойном воздухе,
Для уменьшения ликвации в отливках и слитках (диффузионный отжиг или гомогенизация), длительная выдержка при высоких температурах, при которых протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при кристаллизации. Подвергают слитки, иногда отливки. Для сталей -1100-1300оС в течение 20-50 ч, алюминиевые сплавы 420-450оС.
Виды термической обработки сталей
Температурные области термической обработки сталей приведены на рисунке 38.
Отжигом называется нагрев доэвтектоидной стали на 30-40° выше точки АС3 выдержка при данной температуре и медленное охлаждение вместе с печью. Такой отжиг называется полным.
Для заэвтектоидной стали применяют неполный отжиг, заключающийся в нагреве стали на 30-40° выше точки АС1, выдержке при этой температуре и охлаждении с печью.
При отжиге происходит измельчение зерен в результате перекристаллизации. В результате отжига вдоэвтектоидной стали получается сетчатая структура в виде перлита, окруженного ферритной сеткой.
При отжиге заэвтектоиднойстали имеет место измельчение перлитных зерен; цементит не подвергаются изменениям.
В связи с тем, что перлит в этих сталях занимает до 90% объема, неполный отжиг дает вполне удовлетворительные результаты. Чем больше углерода и других примесей в стали, тем медленнее нагревают ее при отжиге во избежание возникновения сильных напряжений и образования трещин в металле. Охлаждение вместе с печью протекает со скоростью 0,04-0,05° С в 1 сек.
При отжиге температуру ограничивают 30-40°С выше верхней критической точки Ас3. Более высокий нагрев приводит к перегреву стали и росту зерен. Перегретая сталь менее прочна, менее пластична и имеет крупнозернистую видманштеттову структуру пластинчатого строения, напоминающего мартенсит. Следствием этого является пониженная прочность стали. Перегрев стали имеет место при превышении точки АС3 более чем на 50°, а нагрев до температур, близких к линии солидуса, приводит к пережогу стали, когда по границам зерен появляются окислы металла. Такую сталь термической обработкой исправить нельзя.
Температуры нагрева стали при отжиге и нормализации:
Диффузионный отжиг; 2 - рекристаллизационный отжиг; 3 - отжиг для снятия напряжений; 4 - полный отжиг, 5 - неполный отжиг, 6 - нормализация; 1- 3 - отжиг 1 рода; 4—6— отжиг II рода.
Помимо рассмотренного нормального, при термической обработке стальных изделий применяют и другие виды отжига.
Так, только для снятия напряжений производят низкий отжиг путем нагрева ниже температуры АС1, выдержки при ней и охлаждении с печью или на воздухе.
Для выравнивания химического состава в стальном литье производят гомогенизирующий или диффузионный, отжиг (нагрев на 200-300° выше точки АС3 и длительная - в течение десятков часов выдержка при этой температуре). Вызываемый этим рост зерна исправляют в дальнейшем нормальным отжигом.
Для уменьшения твердости высокоуглеродистых сталей перед обработкой их на металлорежущих станках производят циклический (маятниковый) отжиг на зернистый перлит или сфероидизацию (нагрев стали немного выше точки АС1 и последующее охлаждение ниже Аr1). Нагрев и охлаждение повторяют 4-5 раз, пластинки цементита принимают сферическую форму, и сталь приобретает структуру зернистого перлита. Аналогичные результаты дает длительный отжиг при температурах, близких к АС1.
Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали выше точки АС3, а заэвтектоидиой стали - выше точки Аст на 50°, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение на воздухе.
Структура нормализованной стали мелкозернистая (за счет измельчения зерен аустенита). Благодаря мелкозернистому строению твердость, прочность и вязкость нормализованной стали выше, чем отожженной. Нормализации подвергают низкоуглеродистую сталь, так как при этом получается незначительное различие в свойствах по сравнению с отжигом, а процесс обходится дешевле.
Закалка-нагрев стали выше критической точки АС1 или АС3, выдержка при этой температуре и последующее быстрое охлаждение в соответствующей среде (воде, масле, воздушной струе). В зависимости от температуры нагрева закалку называютполной и неполной.При полной закалке сталь переводят в аустенитное состояние, т.е. нагревают выше АС3 или Асm, при неполной - нагревают до межкритических температур.
Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, оптимальной является температура А С3+30-50оС.
Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура А С1+30-50оС. Охлаждение при закалке проще всего осуществляется погружением детали в жидкую среду (вода, масло) Т=20-25оС, однако для избежания коробления или трещин иногда применяют сложную закалку.
Обработка холодом- охлаждение закаленных деталей ниже 20-25оС. Проводится для сталей, Мн которых ниже комнатной температуры. Поэтому при закалке образуется остаточный аустенит, который при обработке холодом переходит в мартенсит.
Отпуск закаленных сталей.Нагрев закаленных сталей до температур, не превышающих А1, называют отпуском.
В результате закалки чаще всего получают структуру мартенсита с некоторым количеством остаточного аустенита, иногда - структуру сорбита, троостита или бейнита.
При отпуске происходит несколько процессов. Основной процесс - распад мартенсита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов, кроме того, распадается остаточный аустенит, происходит карбидное превращение и коагуляция карбидов, уменьшаются остаточные напряжения.
Фазовые превращения при отпуске принято разделять на три в зависимости от изменения удельного объема стали. В сталях, не содержащих легирующие элементы, первое превращение происходит в интервале температур 80-200оС. второе 20О-260оС, третье 260-380оС.
Первое превращение. Из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного -карбида, имеющего гексагональную решетку и химический состав близкий к Fe2C и когерентный с решеткой мартенсита. Первое превращение с очень малой скоростью идет и без нагрева.
Второе превращение. Одновременно происходит несколько процессов: продолжается распад мартенсита, распадается остаточный аустенит и начинается карбидное превращение. Распад остаточного аустенита происходит по механизму бейнитной реакции: образуется смесь низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. При температурах около 250оС начинается превращение -карбида в цементит, при этом когерентность решеток твердого раствора и карбида нарушаются.
Третье превращение. Завершаются распад мартенсита и карбидное превращение. Из мартенсита выделяется весь пересыщающий углерод в виде карбидов, тетрагональность решетки твердого раствора устраняется - мартенсит переходит в феррит. После отпуска при температуре 380-400оС в структуре стали обнаруживается только карбид цементитного типа.
Ферритно-карбидная смесь, образовавшаяся в конце третьего превращения, весьма дисперсна и имеет примерно такую же твердость, как троостит (ее называют трооститом отпуска). Структуру стали, образовавшуюся при температурах первого и второго превращения называют отпущенным мартенситом или мартенситом отпуска.
В интервале температур третьего превращения цементит имеет форму пластин. С повышением температуры происходит коагуляция частицы цементита укрупняются, а форма приближается к сфероидальной. Коагуляция и сфероидизация карбидов происходит с заметной скоростью, начиная с 350- 400оС.
Ферритно-карбидная смесь образовавшаяся при температуре 450-650оС называют сорбитом отпуска. Выше - грубая смесь - зернистый перлит.
Дата добавления: 2016-02-04; просмотров: 6521;