PART 4: HEAT TREATMENT OF STEEL

A. READING

Steel undergoes heat treatment to improve its structure and to obtain higher or specified mechanical properties.

Heat treatment is the process of changing the structure of a metal by heating it to a predetermined temperature, holding it at this temperature for a prescribed period оf time and cooling it at a prescribed rate.

The types of heat treatment applied in practice are: (1) annealing, (2) normalisation, (3) hardening and (4) tempering.

Annealing is one of the most important heat treating operations applied to steel. It relieves internal stresses in the metal, refines the grain and reduces the hardness. After annealing, steel becomes more plastic and ductile.

After the required heating temperature is achieved in annealing about 600–700° C the metal is held for a certain time in the furnace to enable the required changes to take place throughout the mass of the workpiece. This holding time in the furnace at the annealing temperature usually ranges from 30 to 60 minutes per ton of the charge.

The metal is commonly cooled, after heating and holding, with the furnace; a cooling rate from 150 to 200 deg С per hour is regular practice.

A special highly efficient annealing process, called normalizing, is sometimes used for the elimination of internal stresses in steel and for its recrystallisation. It has essentially the same purposes as coventional annealing, therefore, the structure of the steel after normalizing is similar to the structure of annealed steel. Normalized steel castings have a higher yield point, tensile strength and impact strength than if they were annealed. Since normalizing requires less time than conventional annealing it is extensively replacing the conventional annealing in treating low- and medium-carbon steels. High-carbon steels undergo normalizing to eliminate the cementite (carbide) network.

The heat-treating process applied to impart high hardness to steel, to improve its mechanical strength and to retain its ductility comprises two operations – hardening and tempering.

Steel is hardened by heating to a temperature above the upper or lower criticial point, holding at this temperature and quenching (rapid cooling).

Directly after quenching, the steel acquires a high hardness but, at the same time, high internal stresses develop in the steel and it becomes brittle. The next heat treatingoperation – tempering – relieves the internal stresses to some extent and reduces the brittleness of the hardened steel. After hardening and tempering structural steels acquire higher strength, hardness and ductility. The purpose of hardening tool steel is to increase the hardness and wear resistance while retaining sufficient ductility.

Whenever steel is quenched in water, in various aqueous salt solutions or oil, an insulating film envelops the work thus impeding heat extraction from the metal. Agitation of the parts in the quenching bath breaks up the vapour blanket, thereby allowing intimate contact between the metal and the quenching medium. This increases the cooling rate and leads to more intensive hardening of the steel.

EXERCISES:

I. Find in the texts the following topical words and phrases, explain what they mean, and add them to your Active Vocabulary:

heat treatment, holding time, hardening, tempering, quenching

II. Write out from the texts the sentences or the parts of the sentences which contain the following words and expressions and translate them into Russian:

refine grains, normalizing, annealed steel, cementite network, salt solutions

III. Answer the following questions:

1. What does steel undergo heat treatment for?

2. What types of heat treatment do you know?

3. What is the essence of annealing?

4. What is the cooling rate of the annealing?

5. What properties do normalized steel castings have?

6. In what way is steel hardened?

7. What is the purpose of hardening tool steel?

8. What increases the cooling rate?

B. TRANSLATION

EXERCISES:

I. Before translating the text, find in it the sentences in which you would be able to use the following topical words and expressions:

internal stresses, heating temperature, workpiece, elimination, recrystallisation, yield point, impact strength, criticial point, brittleness, wear resistance

II. Read the text again, find in it the information about the following questions, and answer them using the topical words and phrases:

1. What treatment is calls heat treatment?

2. What can we achieve by heat treatment?

3. What is the purpose heat treatment?

4. What factors influence the results of heat treatment?

5. What is the purpose of annealing?

6. What is the purpose of normalizing?

7. What is the purpose of hardening?

8. What is the purpose of tempering?

III. Now translate the text in writing. Use as many topical words and phrases as you can:

Термической обработкой называется тепловая обработка, в результате которой изменяются структура и физико-механические свойства металлических сплавов. Термической обработке подвергаются как заготовки (кованые, штампованные, литые и др.), так и готовые детали. Заготовки обычно подвергают термообработке для улучшения структуры, снижения твёрдости, а обрабатываемые детали – для придания им требуемых свойств: твёрдости, прочности, износостойкости, упругости и др. В результате термической обработки свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность значительного повышения механических свойств после термической обработки деталей машин и изделий позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и вес деталей и механизмов, повысить надёжность и срок службы изделий. Улучшение свойств в результате термической обработки позволяет применять сплавы более простых составов. В результате термической обработки сплавы приобретают также некоторые новые свойства, в связи с чем расширяется область применения многих сплавов.

Цель термической обработки заключается в том, чтобы нагревом до определённой температуры и последующим охлаждением получить требуемое изменение строения металла.

На результат термической обработки оказывают влияние следующие факторы: скорость нагревания, температура нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения. Таким образом, основными факторами термической обработки являются температура и время.

Основными операциями термической обработки, общими как для стали и чугуна, так и для цветных сплавов, являются отжиг, нормализация. Закалка и отпуск.

Отжигом называется операция термической обработки, при которой путём нагрева, выдержки при установленных температурах и последующего медленного охлаждения вместе с печью в стали получают устойчивую (равновесную) структуру, свободную от остаточных напряжений. Отжиг стальных изделий имеет целью снятие внутренних напряжений, устранение структурной неоднородности, улучшение обрабатываемости резанием и подготовку к последующей термической обработке.

Нормализацией называется нагрев стали выше линии GSE на 30-50°, с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Нормализацию применяют для устранения внутренних напряжений и наклёпа, повышения механических свойств стали. Само слово «нормализация» указывает на то, что сталь после этой операции получает нормальную, однородную, мелкозернистую структуру; перлит приобретает тонкое строение. Нормализации подвергают отливки и поковки. В настоящее время нормализация распространена в машиностроении больше, чем отжиг, так как она является более производительной операцией и даёт лучшие результаты.

Закалкой называется операция термической обработки, состоящая в нагреве до температур выше верхней критической точки Ас₃ доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки Ас₁ заэвтектоидной стали и выдержке при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных растворах солей и пр.).

В результате закалки сталь приобретает структуру мартенсита и благодаря этому делается очень твёрдой.

Закалкой достигается повышение прочности конструкционных сталей и придание режущей способности инструментальной стали.

Режимы закалки определяются скоростью и температурой нагрева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения.

Отпуском называется операция термической обработки, состоящая в нагреве закалённой стали до температуры ниже критической Ас₁, выдержке при этой температуре и последующим медленном или быстром охлаждении. Отпуск имеет целью устранение или уменьшение напряжений в стали, повышение вязкости и понижение твёрдости.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки. Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество готовой закалённой детали.