Конспект занятия Виды термической обработки металлов. Основы теории термической обработки стали.

Лекция 12
 
Виды термической обработки металлов. Основы теории термической обработки стали.
 
Виды термической обработки металлов.
Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении
Механизм основных превращений
Превращение перлита в аустенит
Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении.
Закономерности превращения.
Промежуточное превращение
 
Виды термической обработки металлов.
 
Свойства сплава зависят от его структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру, а, следовательно, и свойства является термическая обработка.
Основы термической обработки разработал Чернов Д.К.. В дальнейшем они развивались в работах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.
Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (представляется в виде графика в осях температура – время, см. рис. 12.1 ).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.12.1. Графики различных видов термообработки: отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)
 
Различают следующие виды термической обработки:
1. Отжиг 1 рода – возможен для любых металлов и сплавов.
Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.
Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутреннее напряжения.
Основное значение имеет температура нагрева и время выдержки. Характерным является медленное охлаждение
Разновидностями отжига первого рода являются:
диффузионный;
рекристаллизационный;
отжиг для снятия напряжения после ковки, сварки, литья.
2. Отжиг II рода – отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении.
Проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии.
Проводят отжиг второго рода с целью получения более равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.
Характеризуется нагревом до температур выше критических и очень медленным охлаждением, как правило, вместе с печью (рис. 12.1 (1, 1а)).
3. Закалка – проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).
Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охлаждения (рис. 12.1 (2, 2а)).
4. Отпуск – проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей.
Характеризуется нагревом до температуры ниже критической А[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] (рис. 12.1 (3)). Скорость охлаждения роли не играет. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.
Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.
Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).
Окончательная – формирует свойство готового изделия.
 
Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении
 
Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат стремления системы к минимуму свободной энергии (рис 12.2).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 12.2. Зависимость свободной энергии структурных составляющих сталей от температуры: аустенита (FA), мартенсита (FM), перлита (FП)
 
1. Превращение перлита в аустенит [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], происходит при нагреве выше критической температуры А1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
2. Превращение аустенита в перлит[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], происходит при охлаждении ниже А1, минимальной свободной энергией обладает перлит:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
3. Превращение аустенита в мартенсит[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
4. Превращение мартенсита в перлит [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
Механизм основных превращений
 
1. Превращение перлита в аустетит
 
Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а так же растворением цементита в аустените.
Для исследования процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита (рис.12.3). Для этого образцы нагревают до температуры выше [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и выдерживают, фиксируя начало и конец превращения.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 12.3. Диаграмма изотермического образования аустенита: 1 - начало образования аустенита; 2 - конец преобразования перлита в аустенит; 3 - полное растворение цементита.
 
С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается.
Механизм превращения представлен на рис.12.4.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 12.4. Механизм превращения перлита в аустенит.
 
Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит – цементит, кристаллическая решетка [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]перестраивается в решетку [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста
Образующиеся зерна аустенита имеют вначале такую же концентрацию углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается. Превращение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]идет быстрее. После того, как весь цементит растворится, аустенит неоднороден по химическому составу: там, где находились пластинки цементита концентрация углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка.
Величина образовавшегося зерна аустенита оказывает влмяние на свойства стали.
Рост зерна аустенита. Образующиеся зерна аустенита получаются мелкими (начальное зерно). При повышении температуры или выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста является разность свободных энергий мелкозернистой (большая энергия) и крупнозернистой (малая энергия) структуры аустенита.
Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температуры[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая.
Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой. Стали одной марки, но разных плавок могут различаться, так как содержат неодинаковое количество неметаллических включений, которые затрудняют рост аустенитного зерна.
Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор – увеличивают ее.
Заэвтектоидные стали менее склонны к росту зерна.
При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размера зерна зависят механические свойства. Крупное зерно снижает сопротивление отрыву, ударную вязкость, повышает порог хладоломкости.
Различают величину зерна наследственного и действительного.
Для определения величины наследственного зерна, образцы нагревают до 930o С и затем определяют размер зерна.
Действительная величина зерна – размер зерна при обычных температурах. полученный после той или иной термической обработки.
Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали.
Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше температуры [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. Такая структура называется видманштеттовая структура и характеризуется пониженными механическими свойствами. Перегрев можно исправить повторным нагревом до оптимальных температур с последующим медленным охлаждением.
Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается к температуре плавления. При этом наблюдается окисление границ зерен, что резко снижает прочность стали. Излом такой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак.
 
2. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении.
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается полиморфным превращением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита.
В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения. Вначале, с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, а затем убывает. При температуре 727 oС и ниже 200o С скорость равна нулю. При температуре 200o С равна нулю скорость диффузии углерода.
 
Закономерности превращения.
 
Образцы нагревают до температуры, при которой структура состоит из однородного аустенита (7700 С). Затем переносят в термостаты с заданной температурой (интервал 25 – 500 С). Превращение аустенита можно легко обнаружить с помощью наблюдений за изменением магнитных характеристик, так как аустенит парамагнитен, а феррит и цементит обладают магнитными свойствами.
Получают серию кинетических кривых (рис. 12.5 а), которые показывают количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 12.5. Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении (а); диаграмма изотермического превращения аустенита (б)
 
В начале наблюдается инкубационный подготовительный период, время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит. Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада.
Затем скорость начинает уменьшаться и постепенно затухает. С увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается, а затем увеличивается.
Горизонтальная линия Мн показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита (рис. 12.5 б).
При малых степенях переохлаждения, в области температур 727550o С, сущность превращения заключается в том, что в результате превращения аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. Аустенит содержит 0,8 % углерода, а образующиеся фазы: феррит –0,02 %, цементит – 6,67 % углерода.
Время устойчивости аустенита и скорость его превращения зависят от степени переохлаждения.
Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению ниже температуры [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]на 150200o С, то есть соответствует минимальной устойчивости аустенита.
Механизм превращения представлен на рис. 12.6.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 12.6. Механизм превращения аустенита в перлит
 
При образовании перлита из аустенита ведущей фазой является цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен. Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита. Эти пластинки растут как по толщине, так и по длине. Рост образовавшихся колоний перлита продолжается до столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров.
Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит процесс его распада.
Толщина соседних пластинок феррита и цементита определяет дисперсность структуры и обозначается [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Она зависит от температуры превращения. В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различное название.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]мм – перлит.
Образуется при переохлаждении до температуры Т = 650700 oС, или при скорости охлаждения Vохл = 3060 oС/ч. Твердость составляет 180250 НВ.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]мм – сорбит
Образуется при переохлаждении до температуры Т = 600650 oС, или при скорости охлаждения Vохл = 60 oС/с. Твердость составляет 250350 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, достаточной вязкостью и прочностью.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]мм – троостит
Образуется при переохлаждении до температуры Т = 550600 oС, или при скорости охлаждения Vохл = 150 oС/с. Твердость составляет 350450 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью и пластичностью.
Твердость ферритно-цементитной смеси прямо пропорциональна площади поверхности раздела между ферритом и цементитом..
Если температура нагрева незначительно превышала температуру А1 и полученный аустенит неоднороден по составу, то при малой степени переохлаждения образуется зернистый перлит.
 
Промежуточное превращение
 
При температуре ниже 550 oС самодиффузия атомов железа практически не происходит, а атомы углерода обладают достаточной подвижностью.
Механизм превращения состоит в том, что внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода и участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит.
Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по сдвиговому механизму, путем возникновения и роста зародышей феррита. Образующиеся при этом кристаллы имеют игольчатую форму.
Такая структура, состоящая из цементита и феррита, называется бейнитом. Особенностью является повышенное содержание углерода в феррите (0.10.2 %).
Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависят от температуры превращения.
При температуре [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]мм – верхний бейнит. Структура характеризуется недостаточной прочностью, при низких относительном удлинении ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) и ударной вязкости ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]).
При температуре 300oС – [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– нижний бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.

15