Урок№25 Зміна структури сплавів при нагріванні і охолодженні.

В результаті термічної обробки в сплавах відбуваються структурні зміни. Після термообробки металеві сплави можуть перебувати в стані рівноваги (стабільному) і нерівноважному (метастабільних станів).

Рівноважний стан досягається тоді, коли повністю завершуються всі що протікають в сплавах процеси. При цьому будова сплаву буде відповідати діаграмі стану. Неравновесное стан виходить за умов, що перешкоджають повного завершення процесів, що протікають (наприклад, при наклеп).

Збільшення теплового руху атомів при нагріванні сприяє переходу в рівноважний стан.

В основі всіх перетворень, які відбувається в стали при нагріванні, лежить прагнення системи до мінімуму вільної енергії (рис. 7.2).

Теоретично перетворення перліту в аустеніт має відбуватися при А₁= 727 ^oC. Фактично ж для перетворення потрібен перегрів. Крім цього, чим вище t ^oC, тим швидше відбувається перетворення Fe_a«Fe_g, А також розчинення цементиту Fe₃C в аустените.

Перетворення починається з зародження центрів аустенітних зерен на поверхні розділу - ферит-цементит. Аустеніт виявляється вже при невеликих нагревах - до температури 727^oC і дуже малих витримках.

При повільному охолодженні стали, відбувається зворотне перетворення. Термодинамічних умовою цього перетворення є деяка ступінь переохолодження, коли вільна енергія перліту стає менше вільної енергії аустеніту. При охолодженні стали з більшою швидкістю, кінетику і механізм перетворення аустеніту з'ясовують за допомогою постановки спеціальних експериментів, на підставі яких будують діаграму ізотермічного перетворення аустеніту.

Розглянемо кінетику і механізм перетворення переохолодженого аустеніту на прикладі стали евтектоїдного складу, що містить 0,8% вуглецю. Нагріті до температури на 30-50 ^oC вище критичної точки, відповідної перетворенню П > А (точка А₁), Зразки, які мають структуру однорідного аустеніту, переносять в термостати із заданою температурою. Спостерігають за змінами магнітних характеристик зразків (аустеніт парамагнитен, а ферит і цементит намагнічені), що дозволяє оцінити кінетику перетворень аустеніту в перліт при різних температурах.

Отримують серію кінетичних кривих , які показують кількість утвореного перліту в залежності від часу, що пройшов з початку перетворення.

Спочатку спостерігається інкубаційний (підготовчий) період, час, протягом якого зберігається переохолоджену аустенит. Перетворення протікає з різною швидкістю і досягає максимуму при утворенні 50% продуктів розпаду. точки Н₁, Н₂, Н₃ відповідають початку, точки К₁, До₂, До₃ - Кінця перетворення.

Потім швидкість починає зменшуватися і поступово згасає. Зі збільшенням ступеня переохолодження стійкість аустеніту зменшується, а потім збільшується.

Найбільша швидкість перетворення П > А для евтектоїдной стали досягається при переохолодженні на 150-200 ^oC нижче точки А₁(Точка Н₂ на графіку). Починаючи з цієї температури (Т₂) Подальше її зниження призводить до зменшення швидкості перетворення.

Перетворюючи координати, за отриманими досвідченим кривим проводять побудова діаграми ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту

Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту для евтектоїдной стали представляє результат узагальнення численних даних досліджень перетворень аустеніту при постійних температурах . За схожість цих кривих з буквою «с» їх також називають С-діаграмами або ТТТ - діаграмами.

Мал. Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту евтектоїдной стали

На діаграмі можна виділити наступні області:

(1) - область стійкого аустеніту

(2) - область переохолодженого аустеніту

(3) - область починається, але ще не закінчився перетворення А®П

(4) - область закінчився перетворення

(5) - область починається, але ще не закінчився мартенситного перетворення (між М_н®М_к)

(6) - мартенситна область (нижче М_к)

Це крива ізотермічного перетворення евтекооідной стали (0,8% С).

Для доевтектоїдних сталей на діаграмі ізотермічного перетворення додається крива виділення фериту з аустеніту , а для заевтектоідних сталей - крива виділення цементиту з аустеніту .

Мал. Діаграма ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту а) - доевтектоїдної стали; б) - евтектоїдной стали; в) - заевтектоідной стали

Відстань від осі ординат до лінії початку перетворення, характеризує міру стійкості аустеніту. Діаграма ізотермічного перетворення дозволяє визначити кінцеву структуру для конкретної марки стали, якщо відома температура або швидкість перетворення.

Перліт, сорбіт, троостит є структурами однієї природи - механічної сумішшю фериту і цементиту і відрізняються один від одного лише ступенем дисперсності. Зі збільшенням ступеня дисперсності пластин цементиту, тобто з пониженням температури розпаду, зростає твердість і міцність сталі. Під ступенем дисперсності розуміють відстань між сусідніми пластинками фериту і цементиту.

Найбільшу пластичність мають сталі з сорбітной структурою. Троостит характеризується меншою пластичністю.

При охолодженні нижче 500 ^оЗ до t початку мартенситного перетворення утворюється игольчатая структура бейнита (або голчастого троостита). Бейніт відрізняється від перлитових структур більш високим вмістом вуглецю в фериті. Бейнітне ділянки мають голчастий характер.

При великих ступенях переохолодження зростає термодинамічна нестійкість аустеніту, а швидкість дифузії вуглецю різко падає. При переохолодженні аустеніту в евтекоідной стали до 240 ^оЗ рухливість атомів вуглецю близька до нуля, і відбувається бездіффузіонному перетворення аустеніту. При цьому змінюється лише тип решітки a-g, а весь вуглець, раніше розчинений в решітці аустеніту, залишається в решітці фериту. Утворюється мартенсит Fe_? (C) - пересичений твердий розчин впровадження вуглецю в a - залозі. Мартенсит має тугіше концентрацію вуглецю як і вихідний аустенит.

Через пересичених вуглецем решітка мартенситу спотворена і має тетрагональную форму. Чим більше вуглецю, тим вище ступінь тетрагонального мартенситу.

Мартенсит має високу твердість і крихкість HRC = 65. При переході від аустенитной до мартенситной структурі обсяг і розміри деталі збільшуються.

Технологічні можливості і особливості відпалу, нормалізації, загартування і відпустки

При розробці технології необхідно встановити:

- Режим нагріву деталей (температуру і час нагрівання);

- Характер середовища, де здійснюється нагрів і її вплив на матеріал стали;

- Умови охолодження.

Режими термічної обробки призначають згідно з діаграмами стану і діаграмою ізотермічного розпаду аустеніту.

нагрівання може здійснюватися в нагрівальних печах, сховищ пального та електричних, в соляних ваннах або в ваннах з розплавленим металом, пропусканням через виріб електричного струму або в результаті індукційного нагріву.

З точки зору продуктивності, нагрів з максимальною швидкістю зменшує окалинообразования, обезуглероживание і зростання аустенітного зерна. Однак необхідно враховувати перепад температур по перетину, що веде до виникнення термічних напружень. Якщо напруження розтягу перевищать межа міцності або межа плинності, то можливо викривлення або утворення тріщин.

Лівий кут діаграми стану залізо - цементит і температурні області нагріву при термічній обробці сталей

Швидкість нагріву тим вище, чим менше легирована сталь, однорідні її структура, простіше конфігурація.

Швидкість нагріву приймається 0,8 ... 1 хв на 1 мм перетину. Час витримки приймається близько 20% від часу нагріву.

середа нагріву при нагріванні в печі з газовим середовищем. Складові можуть надавати на сталь різну дію: окисляє (Про₂, СО₂, Н₂О);

відновлює (СО, СН₄); обезуглероживающего (Про₂, Н₂); науглероживается (СО, СН₄); нейтральне (N₂, Інертні гази).

Окислення з утворенням окалини Fe₂O_3, перешкоджає отриманню високої і рівномірної твердості при загартуванню, призводить до зміни розмірів, вимагає збільшення припусків на механічну обробку.

Обезуглероживание (вигоряння вуглецю в поверхневому шарі металу) сприяє появі м'яких плям при загартуванню та виникненню напруг, що розтягують в поверхневому шарі, що знижують міцність від утоми.

Температурні області нагріву при термічній обробці сталей:

Відпал і нормалізація

відпал, знижуючи твердість і підвищуючи пластичність і в'язкість за рахунок отримання рівноважної дрібнозернистої структури, дозволяє:

-поліпшити оброблюваність заготовок тиском і різанням;

-ісправіть структуру зварних швів, перегрітої при обробці тиском і лиття сталі;

-підготувати структуру до подальшої термічної обробки.

Характерно повільне охолодження зі швидкістю 30 ... 100^oЗ / ч.

Відпал першого роду

1.Дифузійний (гомогенізований) отжиг. Застосовується для усунення ліквації, вирівнювання хімічного складу сплаву.

В його основі - дифузія. В результаті нагрівання вирівнюється складу, розчиняються надлишкові карбіди. Застосовується, в основному, для легованих сталей.

Температура нагріву залежить від температури плавлення, Т_Н = 0,8 Т_пл.

Тривалість витримки: ? = 8 ... 20 годин.

2.відпал рекристалізації проводиться для зняття напружень після холодної пластичної деформації.

Температура нагріву пов'язана з температурою плавлення: Т_Н = 0,4 Т_пл.

Тривалість залежить від габаритів вироби.

3. Відпал для зняття напружень після гарячої обробки (лиття, зварювання, обробки різанням, коли потрібна висока точність розмірів).

Температура нагріву вибирається залежно від призначення, знаходиться в широкому діапазоні: Т_Н = 160 ... 700^oС.

Тривалість залежить від габаритів вироби.

Деталі прецизійних верстатів (ходові гвинти, високонавантажені зубчасті колеса, черв'яки) отжигают після основної механічної обробки при температурі 570 ... 600^oС протягом 2 ... 3 годин, а після остаточної механічної обробки, для зняття шліфувальних напруг - при температурі 160 ... 180^oС протягом 2 ... 2,5 годин.

Відпал другого роду призначений для зміни фазового складу.

Температура нагріву і час витримки забезпечують потрібні структурні перетворення. Швидкість охолодження повинна бути такою, щоб встигли відбутися зворотні дифузійні фазові перетворення.

Є підготовчою операцією, якої піддають виливки, поковки, прокат. Відпал знижує твердість і міцність, покращує оброблюваність різанням середньо- і високовуглецевих сталей. Подрібнюючи зерно, знижуючи внутрішні напруги і зменшуючи структурну неоднорідність сприяє підвищенню пластичності і в'язкості.

Залежно від температури нагрівання розрізняють отжиг:

1.повний, з температурою нагріву на 30 ... 50 ^oС вище критичної температури А_3.

Проводиться для доевтектоїдних сталей для виправлення структури.

При такій температурі нагріву аустенит виходить дрібнозернистий, і після охолодження сталь має також дрібнозернисту структуру.

2.неповний, з температурою нагріву на 30 ... 50^oС вище критичної температури А_1.

Застосовується для заевтектоідних сталей. При такому нагріванні в структурі зберігається цементит вторинний, в результаті відпалу цементит набуває сферичну форму (сфероідізація). Отриманню зернистого цементиту сприяє попередня відпалу гаряча пластична деформація, при якій дробиться цементітная сітка. Структура з зернистим цементитом краще обробляються і мають кращу структуру після гарту. Неповний отжиг є обов'язковим для інструментальних сталей.

Іноді неповний отжиг застосовують для доевтектоїдних сталей, а то й потрібно виправлення структури (сталь дрібнозерниста), а необхідно лише знизити твердість для поліпшення оброблюваності різанням.

3.циклічний або маятниковий відпал застосовують, якщо після проведення неповного відпалу цементит залишається пластинчастим. У цьому випадку після нагрівання вище температури А₁ слід охолодження до 680 ^oС, Потім знову нагрів до температури 750 ... 760) ^oЗ і охолодження. В результаті отримують зернистий цементит.

4.ізотермічний отжиг - після нагрівання до необхідної температури, виріб швидко охолоджують до температури на 50 ... 100^oС нижче критичної температури А₁ і витримують до повного перетворення аустеніту в перліт, потім охолоджують на спокійному повітрі. Температура ізотермічної витримки близька до температури мінімальної стійкості аустеніту.

В результаті отримують більш однорідну структуру, так як перетворення відбувається при однаковому ступені переохолодження. Значно скорочується тривалість процесу. Застосовують для легованих сталей.

5.Нормалізація. - Різновид відпалу.

Термічна обробка, при якій виріб нагрівають до аустенітного стану, на 30 ... 50 ^oС вище А₃ або А_ст з подальшим охолодженням на повітрі.

В результаті нормалізації отримують більш тонку будову евтектоіда (тонкий перліт або сорбіт), зменшуються внутрішні напруги, усуваються вади, отримані в процесі попередньої обробки. Твердість і міцність дещо вищий ніж після відпалу.

У заевтектоідних сталях нормалізація усуває грубу сітку вторинного цементиту.

Нормалізацію частіше застосовують як проміжну операцію, яка поліпшує структуру. Іноді проводять як остаточну обробку, наприклад, при виготовленні сортового прокату.

Для низьковуглецевих сталей нормалізацію застосовують замість відпалу.

Для середньовуглецевих сталей нормалізацію або нормалізацію з високим відпусткою застосовують замість гарту з високим відпусткою. В цьому випадку механічні властивості трохи нижче, але виріб піддається меншій деформації, виключаються тріщини.

Д/з: ст.121-123 опрацювати,скласти конспект

к