Ответы на вопросы к вступительному экзамену по теме Термическая обработка. Термическая обработка. Термическая обработка
 Скачать 2.1 Mb.
|
|
Классификация сталей по прокаливаемости: стали неглубокой прокаливаемости – включают в себя хромистые, хромованадиевые, хромовольфрамовые и ванадиевые стали. Массовая доля легирующих элементов колеблется в пределах 1-5 %, массовая доля углерода – 0,6-1,1 %. Характерной особенностью этих сталей из-за малого содержания легирующих элементов является низкая прокаливаемость. Инструмент, изготовленный из этих сталей, при закалке охлаждается в воде и имеет мягкую незакаленную сердцевину; стали глубокой прокаливаемости – содержат 1-4 % легирующих элементов; отдельные марки имеют до 8-10 % легирующих элементов. Основной легирующий элемент, повышающий прокаливаемость – хром; его массовая доля, как правило, составляет 1,0-1,5 %. Из этих сталей изготавливают те же инструменты, что и из сталей неглубокой прокаливаемости, а также холодновысадочные матрицы, пуансоны, клейма, штемпели и другие ответственные детали, от которых требуется повышенная износостойкость. Основные способы поверхностной закалки сталей: Поверхностная индукционная закалка сталей – основана на размещении изделия вблизи источника переменного тока - индуктора. При этом, на металл оказывает воздействии электромагнитное поле, которое возбуждает в металле электродвижущую силу и вызывает прохождение по нему переменного тока с такой же частотой, как и ток индуктора. Ток индуцируется в поверхностном слое детали и вызывает его разогрев; Пламенная (газопламенная) закалка металла – основана на разогреве поверхности металла газовым пламенем. При таком способе закалки получают закаленные слои глубиной 2-4,5 мм; Лазерная закалка – основана на использовании лазерного излучения, которое создает на участке поверхности высокие плотности теплового поля. При лазерной закалке обычно получают слой менее 1 мм; Поверхностная закалка в электролите – этот способ основан на пропускании электрического тока напряжением 200-300 вольт через электрическую цепь с анодом (закалочная ванна) и катодом (закалиеваемая деталь) в растворе электролита. В качестве электролита применяют 5-16 % раствор кальцинированной соды, 10% раствор поваренной соли, может применяться раствор карбоната калия или едкий натр. Вопрос 15. Старение пересыщенных твердых растворов. Кинетика выделений при старении. Коагуляция. Возврат после старения. Изменение свойств сплавов при старении. Природа упрочнения при старении. Влияние продолжительности и температуры старения, состава сплавов в двойных и тройных системах на упрочнение при старении. Естественное и искусственное старение. Выбор оптимальных режимов старения. Старение проводится после предварительной закалки, в процессе которой получают при охлаждении пересыщенный твёрдый раствор α легирующих элементов в основном компоненте материала (закалка без полиморфного превращения). Такое состояние является термодинамически неустойчивым. На следующем этапе для изменения строения и свойств закалённого материала его нагревают, т.е. подвергают старению. При проведении старения происходят процессы изменения пересыщенного твёрдого раствора с переходом в более стабильное состояние с меньшей величиной свободной энергии. Из пересыщенного твёрдого раствора α, полученного в результате закалки, в процессе старения выделяется фаза β. «Распад» закалённого твёрдого раствора, находящегося в метастабильном состоянии с повышенной величиной свободной энергии, может происходить по двум различным механизмам: механизм образования и роста зародышей новой фазы β в исходном растворе α; спинодальный распад твёрдого раствора α, более вероятный в системах с расслоение в твёрдом состоянии на два твёрдых раствора α’ и α” разной концентрации. Расслоение α-раствора приводит к уменьшению свободной энергии. Особенностью спинодального распада является отсутствиенеобходимостиобразованиязародышейновойфазы. Такой распад происходит на поверхностях расслоения твёрдого раствора α. В результате формиру- ется структура с частицами фазы β в объёме твёрдого раствора α(α + дис- персные частицы β). Спинодальный распад происходит при старении закалённых материалов Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co и др. Основные процессы, протекающие при старении: перегруппировка атомов внутри кристаллической решётки твёрдого раствора, как подготовительная стадия к образованию частиц вторых фаз (зон Гинье-Престона); скопление (группировка) атомов в виде зон Гинье-Престона и подготовка к образованию промежуточных метастабильных фаз, когерентно связанных с основой твёрдого раствора. Такое состояние обусловливает максимальную прочность сплава; переход метастабильных фаз в стабильные вторые фазы, частицы которых имеют границы раздела с зернами твердого раствора. Чем мельче эти частицы, тем больше их влияние на повышение прочности сплава; коагуляция продуктов распада твёрдого раствора, т.е. частиц вторых фаз, при которой происходит значительное снижение прочности и повышение пластичности сплава. Коагуляция – физико-химические процессы слипания мелких частиц дисперсных систем в более крупные агрегаты под влиянием сил сцепления с образованием коагуляционных структур. Возврат после старения – закалка состаренного сплава при нагреве до температуры, превышающей температуру предшествующего старения с кратковременной выдержкой и последующим быстрым охлаждением, с целью восстановления (возврата) закалённого состояния. Природа упрочнения при старении: упрочнение при старении – результат торможения дислокаций теми выделениями, которые образовались при распаде пересыщенного твёрдого раствора. Можно выделить три главные причины упрочнения: торможение дислокаций полем упругих напряжений в матрице вокруг выделений; упрочнение при перерезании выделений дислокациями; упрочнение при огибании частиц дислокациями. Для продвижения дислокаций через упругодеформированную матрицу требуется напряжение, превышающее среднее напряжение поля упругих деформаций вокруг выделений. Соответствующее упрочнение является результатом дальнодействующего влияния выделений на дислокации. Упрочнение при перерезании частиц – результат ближнего взаимодействия дислокаций и выделений, когда дислокации проходят через выделения, и они деформируются влияния выделений на дислокации. Упрочнение при огибании частиц дислокациями возникает тогда, когда дислокации не перерезают выделения. В этом случае необходимо повысить напряжение, чтобы выгнуть дислокацию между выделениями. Старение подразделяют на естественное, происходящее при комнатной температуре, и искусственное, требующего нагрева до определенной температуры. В большинстве стареющих сплавов вылеживание при комнатной температуре после закалки не дает такого изменения свойств, которое можно было бы практически использовать. Механические свойства закаленных медных, никелевых и многих других сплавов вообще не изменяются при комнатной температуре, так как она слишком низка для достаточного развития в них диффузионных процессов. В алюминиевых сплавах (дюралюминах и др.) образование зон ГП при естественном старении приводит к сильному упрочнению, что широко используют в промышленности. Параллельно с понятиями естественное и искусственное старение используют понятия зонное и фазовое старение. Зонное старение алюминиевых сплавов может быть естественным и искусственным и заканчивается на стадии образования зон ГП. Фазовое старение алюминиевых сплавов, как правило, бывает искусственным. Исключение составляют многолетние выдержки при комнатной температуре сплавов на базе системы Al–Zn–Mg. Практически важно, что сплав после зонного и фазового старения характеризуется разным комплексом свойств. Для зонного старения алюминиевых сплавов характерны большое относительное удлинение (δ>10-15%), значительная разница между временным сопротивлением и пределом текучести (σ0.2/σв= 0,7-0,8), высокое сопротивление удару и стойкость против коррозии под напряжением. Зонное старение бывает только упрочняющим. Фазовое старение может быть упрочняющим и разупрочняющим (перестаривание). Для упрочняющего фазового старения характерны пониженное относительное удлинение, малая разница между временным сопротивлением и пределом текучести (σ0.2/σв = 0,8-0,95), пониженная ударная вязкость и пониженная стойкость против коррозии под напряжением. Перестаривание – это старение при более высокой температуре или большей выдержке с целью получить сочетание повышенных прочности, пластичности, коррозионной стойкости, электропроводности и других свойств. Скорость охлаждения после старения не влияет на свойства сплава. Обычно с температуры старения изделия охлаждают на воздухе. Вопрос 16. Отпуск закаленной стали. Назначение отпуска по температурным режимам. Превращения при нагреве закаленной стали. Изменения структуры и свойств при отпуске в связи с протекающими процессами. Факторы, определяющие свойства стали в низкоотпущенном и высокоотпущенном состоянии. Хрупкость сталей при отпуске. Обратимая и необратимая отпускная хрупкость. Отпуск – это термическая обработка закаленного на мартенсит сплава (или металла), при которой главными процессами являются распад и (или) возврат и рекристаллизация мартенсита. Структура стали после закалки обычно состоит из мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита, причем кристаллическая решетка мартенсита искажена. Как мартенсит, так и аустенит являются неустойчивыми структурами. Длительное пребывание закаленной стали даже при комнатной температуре вызывает в ней структурные превращения. Например, если выдерживать закаленную сталь при температуре 20° в течение 40 месяцев, то содержание углерода в мартенсите уменьшится с 1,35 до 1,02%. Нагрев значительно ускоряет структурные превращения в закаленной стали. При отпуске закаленной стали в ее структуре происходят следующие превращения: 1) кристаллическая решетка мартенсита принимает правильную форму куба; 2) остаточный аустенит превращается в мартенсит; 3) мартенсит распадается на механическую смесь феррита и цементита; 4) образовавшиеся частицы цементита коагулируют (разрастаются и приобретают округлую форму). Эти превращения накладываются друг на друга, поэтому трудно определить температурные границы для каждого процесса. Можно лишь указать, при каких температурах то или иное превращение является основным, ведущим. Первое превращение происходит при температурах 100 – 200°. При этих температурах устраняется искажение кристаллической решетки мартенсита. Она принимает форму куба, благодаря чему в стали несколько ослабляются внутренние напряжения. Мартенсит, имеющий кубическую решетку, называется отпущенным мартенситом. Второе превращение протекает при температурах 200 – 270° и состоит в переходе остаточного аустенита в отпущенный мартенсит, который является менее напряженной структурой, чем мартенсит закалки. Третье превращение протекает при температурах 300 – 400°. При этих температурах происходит распад мартенсита: из кристаллической решетки мартенсита выделяется избыточный углерод в виде цементита. В результате получается весьма измельченная смесь феррита и цементита – троостит отпуска. Четвертое превращение протекает заметно при температурах, превышающих 400°. В результате отпуска стали при температурах 500 – 650° образуется механическая смесь более крупных частиц феррита и цементита - сорбит отпуска. При протекании третьего и четвертого превращений твердость стали заметно понижается, а пластичность и вязкость повышаются. Изменение механических свойств при отпуске сталей: общей тенденцией изменения свойств стали при отпуске является снижение прочностных характеристик углеродистой стали (временное сопротивление, предел текучести и твердость) и повышение показателем пластичности (относительное удлинение и сужение). По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск: низкий отпуск на отпущенный мартенсит (120 – 250 °С) широко применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий и после поверхностной закалки. Цель низкого отпуска – уменьшение остаточных закалочных напряжений; температуру низкого отпуска выбирают такой, чтобы твёрдость и износостойкость не снизились или слабо снизились. Выдержка при температуре низкого отпуска обычно не превышает 1-3 часа; с дальнейшим увеличением выдержки остаточные напряжения очень слабо уменьшаются; средний отпуск на троостит (350 – 450 °С) является сравнительно редкой операцией, которую используют тогда, когда необходимо сочетание высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры; высокий отпуск на сорбит (450 – 650 °С) широко применяют в машиностроении к изделиям из конструкционной стали, которые должны характеризоваться не только достаточной прочностью, но и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам. Выдержку при высоком отпуске (обычно несколько часов) подбирают опытным путем для получения заданного комплекса свойств. Отпускная хрупкость – уменьшение вязкости стали после отпуска в определенном интервале температур. Отпускная хрупкость разделяется на 2 вида: отпускная хрупкость I рода или необратимая хрупкость – наблюдается после отпуска в температурном интервале 250-300 ºС; отпускная хрупкость II рода или обратимая хрупкость – наблюдается в интервале температур 500-600 ºС. Необратимая отпускная хрупкость присуща практически всем сталям, углеродистым и легированным. Повторный отпуск при более высокой температуре (400-500 ºС) снимает хрупкость, и сталь становится к ней не склонной даже при отпуске вновь в область опасных температур. В связи с этим хрупкость получила название необратимой. Этот род хрупкости не зависит от скорости охлаждения после отпуска. Обратимая отпускная хрупкость характерна для среднеуглеродистой стали, содержащей легирующие элементы: Si, Mn, Cr. Отпускная хрупкость II рода может быть устранена повторным высоким отпуском с быстрым охлаждением и вызвана вновь высоким отпуском с последующим медленным охлаждением. Поэтому такую отпускную хрупкость называют обратимой. Основные меры борьбы с обратимой отпускной хрупкостью: уменьшение содержания вредных примесей; ускоренное охлаждение с температуры высокого отпуска (выше 600°С); введение небольших добавок молибдена (0,2 – 0,3%); использование высокотемпературной термомеханической обработки. |