ответы на материаловедение 2 семестр. матвед экзамен. 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
23.24.25.26. Термическая обработка сталей. Основные операции и их назначение. Отжиг. Закалка. Отпуск. Для сталей применяются следующие основные виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и нормализация. Отжиг. Отжиг – термическая обработка, включающая нагрев сталей выше критических точек Ac3 или Ac1, выдержку при этих температурах для прогрева по всему сечению и полного завершения фазовых превращений, и последующее медленное охлаждение – с печью, отключенной от источников питания. Обычно охлаждение в печи производится до температуры 600C, а затем – на спокойном воздухе. Целью отжига является разупрочнение металла (заготовок) для обеспечения хорошей обрабатываемости резанием и давлением; исправление дефектов структуры, образующихся при горячей пластической деформации, литье или сварке (например, образование крупнозернистой структуры в отливках и поковках); устранение остаточных напряжений, возникающих в процессе получения заготовок этими методами. Ускоренное охлаждение при технологических процессах получения заготовок, связанных с нагревом, приводит к появлению напряжений и образованию неравновесной структуры, вызывающей повышение твердости. Это затрудняет их обрабатываемость резанием и понижает пластичность. Поэтому в машиностроении отжиг является предварительной технологической операцией, которой подвергаются литые, штампованые, кованые (и т.п.) и сварные заготовки перед механической обработкой или холодной обработкой давлением. Отжиг может использоваться также в качестве промежуточной операции, если предшествующая обработка вызвала изменение структуры и свойств (например, наклеп). В металлургической промышленности отжиг является окончательной термической обработкой в технологическом процессе изготовления стали. На машиностроительные предприятия сталь поступает от металлургов уже в отожженном состоянии, т.е. подготовленной для обработки резанием. Для доэвтектоидных конструкционных сталей наиболее часто применяется полный отжиг. При этом отжиге заготовки нагревают на 3050C выше критической температуры (точки) Аc3. В результате ферритно–перлитная структура превращается в аустенит, который затем при медленном охлаждении, после предварительного выделения из него феррита, распадается при малых степенях переохлаждения с образованием перлита. Таким образом, в процессе отжига сталь приобретает равновесную структуру, состоящую из феррита и перлита согласно диаграмме «Железо–цементит» и, следовательно, низкие значения твердости (НВ) и предела прочности (в). Это обеспечивает, хорошую обрабатываемость резанием и давлением. При отжиге также практически полностью снимаются остаточные напряжения. Отжиг заэвтектоидных инструментальных сталей заключается в нагреве заготовок на 2050C выше критической точки Аc1, выдержке и медленном охлаждении (с печью). Это – неполный отжиг. Отжиг заэвтектоидных сталей должен обеспечить получение структуры зернистого перлита. Такой перлит состоит из кристаллов феррита и цементита зернистой формы, в отличие от пластинчатого перлита в доэвтектоидных сталях, где перлит имеет форму пластин. Зернистый перлит имеет более низкую твердость, чем пластинчатый, что обеспечивает лучшую обрабатываемость резанием. Твердость в отожженном состоянии доэвтектоидных сталей ниже, чем заэвтектоидных, в их структуре которых присутствует феррит, поэтому наличие пластинчатого цементита оказывает незначительное влияние на обрабатываемость резанием. Для получения зернистой структуры температура нагрева при отжиге должна быть немного выше Аc1. В этом случае при температуре изотермической выдержки в структуре сохраняется цементит. При охлаждении ниже А1 частицы цементита, не растворившиеся при нагреве в аустените, служат центрами кристаллизации для цементита, образующегося при перлитном распаде аустенита. В этом случае кристаллы цементита принимают зернистую форму. Если отжиг выполняется при более высокой температуре, образуется пластинчатый перлит. Это происходит вследствие растворения большого количества цементита и уменьшения, таким образом, возможных центров кристаллизации. При последующем медленном охлаждении вторичный цементит в большей степени выделяется по границам зерен. Поэтому образование пластинчатого перлита сопровождается образованием цементитной сетки, окружающей зерна перлита и ухудшающей свойства сталей. Таким образом, структура заэвтектоидных сталей после отжига – зернистый перлит и вторичный цементит, это обеспечивает заготовкам инструментов низкую твердость и удовлетворительную пластичность. Закалка. Закалка – упрочняющая операция термической обработки, она выполняется на изделиях (деталях машин и инструментах). Цель закалки сталей состоит в получении структуры мартенсита. Мартенсит – пересыщенный, а потому неравновесный, твердый раствор углерода в железе – , обладающий высокой твердостью и пределом прочности. Закалка заключается в нагреве сталей на 3050C выше критических точек, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем быстром охлаждении со скоростью выше критической. Температура нагрев под закалку для деталей из конструкционных доэвтектоидных сталей назначается несколько выше критической точки Аc3. tзак.=А c3+(3050)C При этой температуре в процессе изотермической выдержки сталь с исходной (после отжига) структурой феррита и перлита приобретает структуру мелкозернистого аустенита. Последующее быстрое охлаждение со скоростью, большей чем критическая (Vохл.>Vkp.) (при этом подавляются диффузионные процессы), обеспечивает превращение аустенита в мелкоигольчатый мартенсит. Закалка от более высоких температур приведет к росту аустенитного зерна, как следствие, к получению после охлаждения структуры крупно–игольчатого мартенсита и, таким образом, к снижению прочности. Температура нагрева под закалку для инструментов и деталей из инструментальных и конструкционных заэвтектоидных сталей, назначается несколько выше критической точки Аc1. tзак =Аc1+(3050)C При этой температуре в процессе изотермической выдержки сталь с исходной (после отжига) структурой перлита и цементита вторичного приобретает структуру мелкозернистого аустенита и цементита вторичного. Охлаждение со скоростью, большей чем критическая, обеспечивает превращение аустенита в мелко–игольчатый мартенсит. Поскольку содержание углерода в заэвтектоидных сталях, а, следовательно, и его концентрация в аустените высокая (>0,8%), то точка MK (конец мартенситного превращения) снижается в область отрицательных температур и мартенситное превращение не проходит до конца. Таким образом, структура закаленных заэвтектоидных сталей – мартенсит, вторичный цементит, не растворившийся при нагреве, и остаточный аустенит. Повышение температуры закалки сверх указанной оптимальной приведет к уменьшению в структуре вторичного цементита. Вместе с тем, присутствие в структуре заэвтектоидных сталей цементита вторичного полезно. Он задерживает рост зерна аустенита при нагреве. Кроме того, обладая более высокой твердостью, чем мартенсит, цементит вторичный повышает износостойкость закаленной стали. Наличие остаточного аустенита в структуре нежелательно из–за снижения твердости стали. Кроме того, возможно изменение размеров изделий вследствие объемных изменений, происходящих при самопроизвольном превращении аустенита в мартенсит в процессе их хранения, транспортировки или эксплуатации. Для уменьшения количества остаточного аустенита или полного его устранения применяют обработку холодом. Она заключается в охлаждении закаленных изделий ниже температуры MK, т.е. в область отрицательных температур. Такое охлаждение осуществляют в специальных средах. Обработку холодом используют при изготовлении мерительных инструментов, деталей подшипников качения и точных приборов. Закаливаемость и прокаливаемость сталей являются важнейшими технологическими свойствами. Закаливаемость – свойство стали приобретать при закалке структуру мартенсит и высокую твердость. Закаливаемость зависит в первую очередь от содержания в стали углерода. Чем больше углерода в стали, а, следовательно, и в мартенсите, тем выше твердость. Своего максимального значения (6566HRC) она достигает при концентрации углерода 0,60,8%. В то же время, в низкоуглеродистых сталях (менее 0,3% углерода) образуется низкоуглеродистый мартенсит. Он имеет сравнительно низкую твердость, вследствие невысокой степени тетрагональности кристаллической решетки. Поэтому в производственной практике считается, что стали с углеродом менее 0,3% закалку «не принимают»; изделия, изготовленные из таких углеродистых сталей, закалке не подвергают. Прокаливаемость – свойство стали приобретать при закалке структуру мартенсит и высокую твердость (т.е. закаливаться) на определенную глубину. При охлаждении закаливаемого изделия скорость охлаждения по его сечению всегда неодинакова. Поверхность охлаждается быстрее, чем сердцевина. В том случае, если сердцевина охлаждается со скоростью меньше критической, ее структура будет отличной от мартенситной. Большей прокаливаемостью обладают стали, у которых время устойчивости переохлажденного аустенита больше, а критическая скоростью охлаждения, соответственно, меньше. Прокаливаемость сталей обычно оценивают критическим диаметром dK – диаметром (размером) сечения изделия (образца), прокаливающегося насквозь. Принято сердцевину изделия считать закаленной, если она приобретает полумартенситную структуру (50%мартенсита+50% троостита). Углеродистые стали имеют низкую прокаливаемость. У них очень большая Vкр, т.к. время минимальной устойчивости переохлажденного аустенита этих сталей не превышает 12 секунд. Поэтому изделия из углеродистых сталей необходимо охлаждать весьма интенсивно. Среда –охладитель при закалке углеродистых сталей – вода. Однако, даже в этом случае изделия из углеродистой стали прокаливаются насквозь в сечениях диаметром не более 1012 мм. Прокаливаемость увеличивают легирующие компоненты. Они повышают устойчивость переохлажденного аустенита и, следовательно, значительно снижают критическую скорость охлаждения. Это позволяет полностью прокаливать детали большого сечения, а также использовать более мягкое охлаждение при закалке, например, в масле. Прокаливаемость является очень важной характеристикой сталей. При сквозной прокаливаемости все сечение термически упрочняемого изделия приобретает однородную структуру и свойства не только непосредственно после закалки, но и после последующего отпуска. При малой прокаливаемости сердцевина изделий будет иметь меньшие пределы текучести и прочности, чем закалившиеся слои. Закалочные напряжения возникают в изделии в процессе закалки и остаются после ее завершения (поэтому их часто называют остаточными). Величина этих напряжений может быть значительной. В том случае, если они превосходят предел текучести, но не достигают предела прочности (в>зак>0,2) происходит коробление (деформация) изделия и в технологии должна быть предусмотрена операция правки. Если же закалочные напряжения достигают значения предела прочности (зак=в), происходит местное (трещины) или полное разрушение детали. Напряжения, меньшие предела текучести (зак<0,2) не вызывают коробления детали. Опасность в том, что в случае их суммирования с напряжениями, возникающими в процессе эксплуатации изделия, может произойти разрушение детали. Закалочные напряжения разделяются на термические (тепловые) и структурные (фазовые). Термические напряжения возникают вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины, вызывающего перепад температур по сечению изделия. Это приводит к неравномерному изменению объемов различных слоев изделия. Чем выше температура закалки и чем выше скорость охлаждения, тем больший перепад температур возникает по сечению изделия и тем больше величина термических напряжений. Термические напряжения вызывают появление остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях и растяжения – в сердцевине. Структурные напряжения появляются в результате мартенситного превращения, протекающего с увеличением объема при охлаждении ниже точки MH. Мартенсит в первую очередь образуется на поверхности, вызывая увеличение объема поверхностных слоев. Этому мало препятствует аустенит (пластичный) сердцевины, испытывающий при этом микропластические деформации. Затем мартенситное превращение происходит в сердцевине, но увеличение объема затруднено из–за высокой твердости и малой пластичности мартенсита, образовавшегося ранее в поверхностных слоях. Это служит источником возникновения напряжений. Значительное влияние на величину структурных напряжений оказывает содержание углерода в стали. Чем больше его больше в стали, тем больше и в мартенсите, тем выше степень тетрагональности кристаллической решетки. Это определяет. большие объемные изменения, а, следовательно, более высокий уровень структурных напряжений. К повышению уровня структурных напряжений приводит также резкое охлаждение в интервале температур МHМK при мартенситном превращении. После окончания мартенситного превращения в поверхностных слоях образуются остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине – сжатия, это противоположно характеру распределения термических напряжений. Величина структурных напряжений в большинстве случаев больше, чем термических, поэтому после закалки поверхность изделий испытывает значительные растягивающие (наиболее опасные) напряжения, а внутренние слои – сжимающие. Снижение закалочных напряжений является важной технической – конструкторской и технологической задачей. Конструкторские решения заключаются в правильном выборе марки стали и учете требований к технологичности детали. Меньшие напряжения возникают при закалке деталей из легированных, а не углеродистых сталей, т.к. их можно охлаждать с меньшей скоростью – в масле, а не воде (подробнее ниже, в разделе легированные стали). При конструировании следует избегать концентраторов напряжений в виде различных перепадов размеров по сечению, острых кромок, глубоких канавок, проточек и других конструктивных надрезов. Необходимо также учитывать, что закалочные напряжения особенно опасны при изготовлении деталей сложной формы. К ним относятся длинные и тонкие детали, детали сложной конфигурации с резкими переходами размеров по сечению и т.п. Снижение закалочных напряжений может быть достигнуто замедлением скорости охлаждения в интервале температур мартенситного превращения (MHMK), т.е. изменением технологии закалки (рис.9.1). Следует заменить непрерывную закалку, при которой производится непрерывное охлаждение изделий от закалочных температур в одном охладителе (она широко применяется при закалке деталей простой формы) на прерывистую или ступенчатую закалку. Прерывистая закалка (закалка в двух средах), заключается в том, что закаливаемая деталь помещается в воду на время необходимое для быстрого прохождение интервала температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита, а затем переносится в масло, обеспечивающее замедленное охлаждение в интервале мартенситного превращения. Выполнение этой закалки требует от термиста высокой квалификации, так как необходимо достаточно точно определить время пребывания изделий в воде (в первом охладителе). Ступенчатая закалка, осуществляется путем достаточно быстрого охлаждения изделия до температуры немного выше мартенситной точки MH ( на 50°C), короткой выдержке для выравнивания температуры по всему сечению и последующего медленного охлаждения на воздухе. На первом этапе охлаждение выполняется в расплаве солей, температура которого равна температуре выдержке («ступеньки»). Изделие достаточно быстро охлаждается до температуры «горячей среды». Поскольку температура изделия выравнивается в процессе выдержки по всему сечению, то и мартенситное превращение при последующем охлаждении на воздухе протекает медленно и одновременно по всему сечению. Это приводит к значительному уменьшению закалочных напряжений. Ступенчатой закалке обычно подвергают изделия небольшого сечения (до 40мм) и, предпочтительно, изготавливаемых из легированных сталей, обладающих большей устойчивостью переохлажденного аустенита. Отпуск. При закалке стали приобретают неравновесную структуру, возникают значительные закалочные напряжения. Поэтому закалка не является окончательной операцией термической обработки. Для уменьшения напряжений, получения окончательной структуры и механических свойств сталей, обеспечивающих эксплуатационные свойства изделий, после закалки всегда проводится отпуск. Отпуск – окончательная термическая обработка, которая заключается в нагреве сталей до температур ниже критической точки Аc1, выдержке и последующем охлаждении. Целью отпуска является получение окончательной структуры и свойств, которые формируются в результате распада пересыщенного твердого раствора, уменьшения уровня закалочных напряжений и приближения сплава к равновесному состоянию. В процессе отпуска при изотермической выдержке структура стали стремится к равновесному состоянию. Это достигается уменьшением концентрации углерода в мартенсите за счет выделения карбидов и коагуляции выделившихся карбидов. Поскольку оба эти процесса являются диффузионными ими можно управлять. Назначая различные температуры отпуска, можно получать разную структуру и, таким образом, разные свойства стали. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали показано на рис. 9.2. Различают три разновидности отпуска сталей: низкий, средний и высокий. Низкий (низкотемпературный) отпуск осуществляется путем нагрева закаленных изделий до температур 150¸250C. При таких температурах из мартенсита выделяется лишь часть углерода, его содержание в твердом растворе превышает равновесное, т.е. сохраняется структура мартенсита. Таким образом, в результате низкого отпуска образуется структура, состоящая из мартенсита (содержание углерода в нем меньше, чем после закалки) и высокодисперсных карбидов (выделившиеся карбиды не успевают коагулировать). Ее называют отпущенным мартенситом (мартенситом отпуска). Закаленная сталь после низкого отпуска сохраняет высокую твердость в пределах (58¸64HRC для сталей, содержащих 0,6¸1,3% углерода) и, следовательно, высокую износостойкость Вследствие снижения уровня закалочных напряжений достигается некоторое повышение переделов прочности текучести, однако ударная вязкость остается низкой. Низкому отпуску подвергают: режущие и измерительные инструменты, штампы холодного деформирования, изготавливаемые из углеродистых и легированных инструментальных сталей; детали подшипников качения (внутренние и наружные кольца, шарики, ролики); цементованные детали (см. ниже) детали, подвергаемые закалке ТВЧ (см. ниже). Средний (среднетемпературный) отпуск выполняется при температурах 350¸400C. При таких температурах из мартенсита выделяется весь пересыщающий углерод, но коагуляции выделившихся карбидов практически не происходит. В результате этих превращений образуется высокодисперсная ферритно–цементитная смесь, которую называют трооститом отпуска. Вследствие распада мартенсита твердость уменьшается (до 40¸48HRC у высоко – и средне – углеродистых сталей), понижается предел прочности. Вместе с тем, средний отпуск обеспечивает наибольший предел упругости, высокий предел выносливости при достаточной вязкости. Средний отпуск применяют, главным образом, при термической обработке упругих элементов – пружин, рессор, мембран, торсионных валов. Он также используется для некоторых видов деревообрабатывающих и слесарно–монтажных инструментов. Высокий (высокотемпературный) отпуск проводят при температурах 500¸650C. При этом концентрация углерода в твердом растворе снижается до равновесной, а также развиваются процессы коагуляции цементита. Однако, при таких температурах частицы цементита сохраняют еще достаточно мелкие размеры. Структура, представляющая дисперсную смесь феррита и цементита называется сорбитом отпуска. При высоком отпуске практически полностью снимаются закалочные напряжения. Поскольку образование сорбита связано с коагуляцией цементита, происходит снижение твердости (до 30HRC). Снижаются также значения пределов прочности и упругости, однако они существенно превышают эти свойства отожженной стали. Высокий отпуск заметно повышает пластичность и, особенно сильно ударную вязкость. В результате детали получают более высокий комплекс свойств (все свойства лучше), чем он был в исходных заготовках. Термическая обработка, включающая закалку на мартенсит и высокий отпуск на сорбит; называется улучшением. Улучшение применяют для деталей машин, которые изготавливают из углеродистых и легированных конструкционных сталей, содержащих 0,3¸0,55% углерода. Такие стали называют улучшаемыми. Улучшение применяют для большинства деталей машин. Высокие значения предела текучести и ударной вязкости стали особенно важны для тяжело нагруженных деталей, работающих при динамических нагрузках (валы, оси, шатуны, шпиндели, зубчатые колеса и многие другие). В результате такой термической обработки значительно уменьшается чувствительность к концентраторам напряжений, т.е. возрастает конструктивная прочность деталей. Лучшие результаты при улучшении достигаются в результате формирования однородной структуры мартенсита при закалке и, соответственно, сорбита при отпуске по всему сечению термически упрочняемой детали. Это достигается выбором марки стали, обеспечивающей сквозную прокаливаемость конкретной детали. |