|
|
Реферат - Основные принципы термической обработки сплавов. Отжиг. Реферат Основные принципы термической обработки сплавов. Студент 1 курса Группы и10м Смурага В. В
МИНИСТЕРСТВО ОБРОЗОВАНИЯ КРАСНОЯРСКАВА КРАЯ
КГБПОУ Иланский ФИЛИАЛ «БОГОТОЛЬСКИЙ ТЕХНИКУМ ТРАНСПОРТА»
Реферат
Основные принципы термической обработки сплавов.
Выполнил:
Студент 1 курса
Группы И-10м
Смурага В.В.
Проверила
Шевель В.Н.
Иланский 2021
Вступление……………………… ………… …………………………………..….3
Основные виды термической обработки……… ………… ……………...………4
Отжиг I рода………………………… ……………… ……………………..……...6
Отжиг II рода…………………… ………………… ………..……………………. 9
Закалка………………………… …………… ……………………….…………...12
Отпуск…………………………… …………………… ……………….…………15
Выводы…………………………… ………………… ………………….………..17
Литература…………………… ………………………… ……………….………18
Вступление.
Термической обработкой называют процессы теплового воздействия на металлы (нагрев и охлаждение) с целью изменения их структуры и свойств. Это один из самых распространённых в технике и самых эффективных способов изменения структуры и свойств сталей и сплавов, обусловленных протеканием различных фазовых превращений.
Термическая обработка может быть как промежуточной операцией, предназначенной для улучшения технологических свойств (облегчения ковки, штамповки, прокатки), так и окончательной – для обеспечения в материале или изделиях требуемого комплекса свойств.[1]
Основные виды термической обработки.
Классификация основных видов термической обработки, используемых на практике, была разработана академиком А. А. Бочваром. Существующие способы её реализации подразделяются на собственно термическую, термомеханическую (теперь её чаще называют деформационно-термической) и химико-термическую.
Термическая обработка включает четыре основных вида: отжиг, закалку, отпуск и старение.
Принадлежность к тому или иному виду термической обработки определяется не скоростями и уровнем изменения температуры при нагреве и охлаждении, а типом происходящих при этом структурных изменений в материале.
Отжигом называют вид термической обработки, при которой формируются близкие к равновесным структуры материалов, в которых неравновесные состояния возникли в результате всех предшествующих видов воздействий (литьё, ковка, прокатка, сварка и т. п.).
Существуют два основных типа отжига – отжиг І – го рода, при котором не протекает фазовых превращений, и отжиг ІІ – го рода, сопровождающийся фазовыми превращениями.
Закалкой называют процесс, при котором металл нагревают до температур, выше температур фазовых превращений и быстро охлаждают для получения неустойчивых состояний.
Отпуском и старением предварительно закалённых сталей и сплавов называют технологические операции, проводимые с целью получения более устойчивых структурных состояний. При этом термин отпуск применяют в тех случаях, когда при закалке материал претерпевает полиморфные превращения. Старением же называют процесс распада пересыщенных закалённых твёрдых растворов, в которых при закалке полиморфных превращений не происходило. Как правило этот процесс осуществляется при нагреве материала.
Деформационно-термическая обработка сочетает в себе процессы термической обработки и пластической деформации. В зависимости от того, когда осуществляют деформацию – до протекания фазового превращения или после, – различают термомеханическую обработку – ТМО (деформация осуществляется до превращения) и механико-термическая – МТО (деформация осуществляется после фазового превращения).
Химико-термическая обработка сочетает тепловое воздействие с химическим, в результате чего в поверхностных слоях изменяется и химический состав и структура.
Возможность или невозможность провидения того или иного вида обработки определяется на основании анализа диаграмм состояний. Для выбора вида обработки, обеспечивают требуемый комплекс свойств, необходим учёт динамики изменений структуры материалов.
Для обоснованного осуществления такого выбора необходимо, хотя бы очень кратко познакомится с основами теории термической обработки.[1]
ОТЖИГ І РОДУ.
Этот вид отжига в зависимости от температурных условий выполнения устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками. Характерная особенность этого отжига состоит в том, что устранение неоднородности происходит независимо от того, протекают ли а сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет, поэтому отжиг І рода можно производить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений.
Гомогенизация (диффузионный отжиг). Диффузионный отжиг применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению, к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен).
Дендритная ликвация понижает пластичность и вязкость легированной стали, поэтому не только слитки, но и крупные отливки нередко подвергают гомогенизации. Нагрев при диффузионном отжиге должен быть высоким (1100 – 12000С), так как только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания в отдельных объемах состава стали.
Общая продолжительность диффузионного отжига (нагрев, выдержка и медленное охлаждение) больших садок метала достигает 50 – 100 часов и более. В зависимости от состава стали и массы садки продолжительность выдержки составляет 8 – 20 часов.
Для удаления поверхностных дефектов слитки после отжига иногда подвергают нагреву при 670 – 6800С в течении 1 – 16 часов, что снижает твёрдость. Фасонные отливки после гомогенизации подвергают полному отжигу или нормализации для измельчения зерна и улучшения свойств.
Рекристаллизационный отжиг. Под рекристаллизационным отжигом понимают нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением. Этот вид отжига применяют перед или после холодной обработки давлением и как промежуточную операцию для снятия наклёпа между операциями холодного деформирования.
Температура отжига для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения времени процесса превышает температуру порога рекристаллизации. Для углеродистых сталей с 0,08 – 0,2% С, чаще подвергаемых холодной деформации (прокатке, штамповке, волочению), температура отжига 600 – 7000С. Отжиг калиброванных прутков (холодная протяжка) из высокоуглеродистой стали (хромистой, хромокремнистой и др.) проводят при 7300С. Продолжительность нагрева составляет 0,5 – 1,5 часа.
При отжиге стали, кроме рекристаллизации феррита может протекать процесс коагуляции и сфероидизации цементита, в результате которого повышается пластичность стали и облегчается обработка давлением.
Отжиг для снятия остаточных напряжений. Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резаньем и др., в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т. п. возникли остаточные напряжения.
Остаточные напряжения могут вызвать изменение размеров, коробление и поводку изделия в процессе его обработки (например, резанием), эксплуатации или хранения. При резании за счёт удаления части метала происходит нарушение равновесия остаточных напряжений, влекущих за собой деформацию изделия. Изменение размеров в процессе хранения связано с перераспределением остаточных напряжений при их релаксации. Отжиг стальных изделий для снятия напряжений проводится при температуре 160 – 7000С с последующим медленным охлаждением. Например, многие детали прецизионных станков (ходовые винты, высоконапряженные зубчатые колёса, червяки и др.) нередко проходят отжиг (отпуск) после основной механической обработки при 570 – 6000С в течении 2 – 3 часов и после окончательной механической обработки для снятия шлифовочных напряжений при 160 – 1800С 2 – 2,5 часов. Отжиг для снятия сварных напряжений проводится при 650 – 7000С.
Остаточные напряжения снимаются и при проведении других видов отжига, например рекристаллизационного, с фазовой перекристаллизацией, а также при отпуске (особенно высоким) закаленной стали.[2]
ОТЖИГ ІІ РОДА (ФАЗОВАЯ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ)
Отжиг ІІ рода заключается в нагреве стали до температуры выше точек Ас3 или Ас1, при выдержке и последующим, как правило медленном, охлаждении, в результате которого фазовые превращения приводят к достижению практически равновесного структурного (фазового) состояния.
Различают следующие виды отжига: полный, изотермический и неполный.
Полный отжиг. Этот вид отжига заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30 – 500С выше температуры, соответствующей точке Ас3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующим медленном охлаждении. При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали.
При нагреве выше точки Ас3 на 30 – 500С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, и поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность, а также возможность достижения высоких свойств после окончательной термической обработки.
Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки Ас3 вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Время нагрева и продолжительность выдержки при заданной температуре зависят от типа нагревательной печи, способа укладки изделий в печь, высоты садки, типа полуфабриката (лист, сортовой прокат и т. д.).
Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение. В связи с этим легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются значительно медленнее (10 – 1000С), чем углеродистые (250 – 2000С). Скорость охлаждения при отжиге можно регулировать, проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом.
Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки.
Изометрический отжиг. В этом случае сталь обычно легированную нагревают, как и для полного отжига, и сравнительно быстро охлаждают (переносом в другую печь) до температуры, лежачей ниже точки Ас1 (обычно 6500С) и назначают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.
Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием, чистоту поверхности и уменьшает деформации при последующей термической и химико-термической обработке.
Неполный отжиг. Этот отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки Ас1).
Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием. Однако при неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали только вследствие превращения перлит – аустенит. Избыточный феррит только частично превращается в аустенит, и поэтому значительная его часть не подвергается перекристаллизации. В связи с этим неполный отжиг доэвтектоидной сталей применяют в том случае, если горячая механическая обработка их была выполнена правильно и при этом не было получено крупного зерна такой структуры, как, например, видманштеттова.
Для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг. В этих сталях нагрев несколько выше точки Ас1 (обычно на 10 – 300С) вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую структуру перлита вместо пластичной. Такой отжиг называют сфероидизацией.
Отжиг нормализационный (нормализация). Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 500С, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждения на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке.
Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, квазиэвтектоида типа сорбита или троостита. Это повышает на 10 – 15% прочность и твёрдость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.
Нормализация горячекатаной стали повышает её сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины.[2]
ЗАКАЛКА.
Закалка – термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической (Ас3 для доэвтектоидной и Ас1 – для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующим охлаждением со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшит хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.
Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь – для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также и высокой износостойкости.
Способы закалки. Наиболее широкое применение получила закалка в одном охладителе. Такую закалку называют непрерывной. В многих случаях, особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения деформации, применяют и другие способы закалки.
Прерывистая закалка (в двух средах). Изделие, закаливаемое по этому способу, сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки Мн, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например, в масло или на воздух), в котором оно охлаждается до 200С. В результате переноса во вторую закалочную среду уменьшаются внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении в одной среде (воде), в том числе и в области температур мартенситного превращения.
Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, с тем чтобы в сердцевине изделия сохранилось ещё некоторые количество теплоты. Под действием теплообмена температура в более сильно охлаждающихся поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск).
Ступенчатая закалка. При выполнении закалки по этому способу сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн (обычно 180 – 2500С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по сечению изделия, но это не должно вызывать превращения аустенита с образованием бейнита.
Мартенситное превращение протекает при охлаждении на воздухе, но менее полно, чем при непрерывной закалке, вследствие чего сталь сохраняет больше остаточного аустенита. При ступенчатой закалке уменьшаются объёмные изменения вследствие присутствия большего количества остаточного аустенита и возможности самоотпуска мартенсита; коробление в результате протекания мартенситного превращения почти одновременно во всех участках изделия и опасность появления трещин.
Ступенчатая закалка углеродистых сталей может быть применена лишь для изделий диаметром не более 8 – 10 мм. Скорость охлаждения более крупных изделий в среде с температурой выше точки Мн оказывается ниже критической скорости закалки, и аустенит претерпевает распад при высоких температурах.
Изотермическая закалка. Закалку по этому способу выполняют в основном так же, как и ступенчатую, но в данном случае предусматривается более длительная выдержка выше точки Мн. При такой выдержке происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита. Для углеродистых сталей изотермическая закалка не дает существенного повышения механических свойств по сравнению с получаемыми обычной закалкой и отпуском.
У большинства легированных сталей распад аустенита в промежуточной области не идёт до конца. Если аустенит, не распавшийся при изотермической выдержке, не претерпевает мартенситного превращения при дальнейшем охлаждении, то сталь получает структуру бейнит + 10 – 20% остаточного аустенита, обогащенного углеродом. При такой структуре достигается высокая прочность при достаточной вязкости. Для многих сталей изотермическая закалка обеспечивает значительное повышение конструктивной прочности, т. е. прочности образцов сложной формы.
Если же большая часть аустенита, не распавшегося после окончания промежуточного превращения, при последующем охлаждении претерпевает мартенситное превращение, то изотермической закалкой нельзя получит высокие механические свойства. В этом случае резко снижается пластичность.
В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалке чаще применяют расплавленные соли в интервале температур 150 – 5000С, например 55% KNO3 и 45% NaNO2 (или NaNO3), а также расплавленные щелочи (20% NaOH и 80% KOH). Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше скорость охлаждения в ней.[2]
ОТПУСК.
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующим охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Так, например, осевые напряжения в цилиндрическом образце из стали, содержащий 0,3% С, в результате отпуска при температуре 5500С уменьшаются 60 до 8 кгс/мм2. Так же сильно уменьшаются тангенциальные и радиальные напряжения.
Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержке при 5500С в течение 15 – 30 минут. После выдержке в течение 1,5 часа напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.
Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение при 6000С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их колебания после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500 – 6500С во всех случаях следует охлаждать быстро.
Основные влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска.
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150 – 2000С, реже при 240 – 2500С. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5 – 1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58 – 63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.
Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350 – 5000С и применяют главным образом для пружин рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали (0,45 - 0,8% С) после среднего отпуска – тростит отпуска или тростомартенсит с твердостью HRC 40 – 50. температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызывать необратимой отпускной хрупкости.
Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500 – 6800С. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.
Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение, и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.
Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3 – 0,5% С) конструкционные стали, к которым предъявляют высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие её пониженной твердости не является высокой. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации при движении трещины (работу развития трещины) и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.[2]
Выводы.
Термическую обработку применяют для изменения механических свойств и структуры металлов и сплавов. Основные способы термической обработки – это отжиг, закалка и отпуск. Выбор того или иного способа термической обработки зависит от состава сплава и тех свойств которые хотим поучить, на основании анализа диаграмм состояния. Также необходимо учитывать динамику изменений структуры материалов.
Для обоснованного осуществления такого выбора необходимо, хотя бы кратко ознакомится с основами теории термической обработки.
Литература.
Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989. – 360 с.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.
|
|
|
Скачать 77 Kb.