Противофлокенный отжиг

В металлах и сплавах при их производстве традиционными способами (мартеновским, конверторным и т.д.), без применения вакуумных обработок, содержится некоторое количество элементов, которые в обычных условиях являются газами (кислород, водород, азот). В металле эти элементы могут находиться в атомарном (протонном), ионном состоянии или в виде химических соединений. Возможно также образование между растворенными газами и железом достаточно прочных соединений (гидриды, нитриды, оксиды), которые называют неметаллическими включениями (к неметаллическим включениям в металлах относятся также и сульфиды, фосфиды, карбиды, интерметаллиды).

Одним из наиболее вредных газов, содержащихся в металлах и сплавах и значительно ухудшающих механические и эксплуатационные свойства металлоизделий, является водород. Наводороживание металла может происходить при плавке металла, при сварке, травлении, в процессе нанесения гальванических покрытий и др. обработках металлоизделий. Водород, который адсорбирует в процессе технологических переделов при производстве металла называют металлургическим.

Водородной хрупкостью называют ухудшение одной или несколько механических характеристик металла при его наводороживании.

В практике часто называют разрушение изделий за счет охрупчивающего воздействия водорода, который находился внутри металла, внутренним водородным охрупчиванием. Внутренний водород первоначально в металле находился в виде протонов, находящихся в электронном облаках кристаллической решетки. В таком случае процесс переноса водорода в обьеме металла контролируется диффузией, развивающейся под действие градиента напряжений. Присутствие в металле примесей типа мышьяка, серы и фосфора по границам зерен увеличивает скорость переноса водорода и степень охрупчивания металла.

А в случае охрупчивания в результате взаимодействия изделия с водородсодержащей средой и проникновением водорода через поверхность металла внутрь – водородным охрупчиванием извне. Внешний водород может быть молекулярным и атомарным.

При этом возможно воздействие на металл изделия вследствие одного механизма, либо одновременно нескольких механизмов охрупчивания. А истиннный механизм, ответственный за водородное охрупчивание металла в конкретном случае, будет определяться скоростью диффузии водорода, его количеством и локализацией в местах образования дефектных участков. Скорость диффузии и локализация водорода зависят от многих факторов: химического состава, напряженного состояния, дефектности металла и его температуры, структуры и т.д. Локализация водорода в металле и состояние, в котором он присутствует в решетке, имеют определяющее значение для процесса охрупчивания в связи с тем, что этими факторами определяются условия его передвижения в металле.

Обычно под растворимостью газа понимают его количество, перешедшее в металл при нормальном порциальном давлении (рис.84). При этом растворимость газов в металлах или сплавах сильно зависит от температуры.

Из приведенных на рис.84 данных видно, что:

-растворимость водорода возрастает при повышении температуры и уменьшается при ее снижении;

-растворимость водорода в различных модификациях железа неодинакова;

-при переходе железа из жидкого в твердое и из одного аллотропического (полиморфного) состояния в другое растворимость водорода изменяется скачкообразно. Установлено, что содержание водорода в металле по ходу плавки зависит от порциального давления воды (точнее паров) в атмосфере над расплавом и подчиняется закону Сивертса [H]=K√P_H2O (иногда называют эту зависимость законом квадратного корня).

Концентрацию водорода в металле измеряют по его объему в 100 граммах металла (см³ Н₂\100г) при нормальном атмосферном давлении и температуре 20⁰С (298К), выделившемся при дегазации нагревом металла или при плавлении в вакууме. В современной технической литературе его концентрацию измеряют:

-в см³\ на100 грамм металла;

-в одной десятитысячной доле процента - 1ppm =0,0001% (масс.) = 1,12 см³ Н₂\100г, часто принимают равным 1см³ Н₂\100г=1ppm.

При температуре плавления в жидком железе растворяется до 24,5 ppm Н₂. Если конвертерная, мартеновская или электросталь не вакуумирована, то в слитке может содержаться водорода до 2…10ppm и более.

Коэффициент диффузии водорода в жидком железе D_H=(8,0+9,0)х10^-3 см²\с (для сравнения у азота D_N=3,77х10^-5 см²\с, т.е. на два порядка ниже, чем у водорода).

Рис. 84 – Растворимость водорода в железе

Уникальность водорода заключается прежде всего в его аномально высокой подвижности в металлах, которая даже при комнатной температуре значительно выше по сравнению с углеродом и азотом (коэффициент диффузии водорода в 10¹² раз выше, чем у С или N).

Коэффициент диффузии водорода в железе при 25⁰С D_H=7х10 ^-5 см² \с – т.е. его проникающая способность порядка 1мм за 3 минуты. Дефекты металла удерживают очень длительное время водород в металле при его концентрации на 3 порядка выше равновесной.

В сплавах на основе железа растворимость водорода и коэффициент диффузии зависят от концентрации углерода, легирующих элементов, примесей и структурного состояния металла или сплава. Например, для стали Ст3сп коэффициент диффузии равен 1,499х10^-4 см²\с, а для стали 14Х2ГМР – 4,442Х10^-4 см²\с. Известно, что с повышением концентрации углерода, кремния, алюминия, хрома, вольфрама, бора в сплаве растворимость водорода в расплаве уменьшается, а при легировании титаном, ниобием и др. повышается. Все легирующие элементы, замедляющие диффузию водорода, одновременно снижают и скорость его удаления из металла. Легирующие элементы по разному влияют на растворение водорода в металле (рис.85) и поэтому их подразделяют на три группы:

-элементы, повышающие растворимость водорода (титан, ниобий, неодим, цирконий, торий, церий, лантан, тантал, ванадий до 6%) и образующие с водородом соединения, прочные при низких температурах;

-снижающие растворимость водорода (углерод, кремний, алюминий, вольфрам, бор и др.) и имеющие в растворе более сильные связи с железом, чем связи водорода с железом;

-слабо влияющие при малых концентрациях на растворимость водорода элементы (никель, кобальт, марганец, молибден, хром, медь).

Известно, что водород существует в стали в пяти основных состояниях:

- диссоциированном (атомарном - в виде протонов)- часто называют диффузионно-подвижным и считают его химически активным, способным взаимодействовать с атомами других вещств, дислокациями, связями в решетке металла и т.д.;

- молекулярном – находится чаще всего в пустотах при повышенных давлениях, не растворим в твердой стали;

-в виде химических соединений –гидридов;

-в окисленном состоянии – в виде водяных паров в порах металла;

-в виде гидроксильных групп в составе неметаллических включений.

В жидкой стали водород находится в ионизированном состоянии (в виде протона Н⁺), т.е. в виде частиц очень малых размеров, которые мигрируют с высокой скоростью. В жидком металле скорость растворения водорода и его концентрация выше, чем в твердом. Растворимость водорода в твердом металле определяется кристаллической структурой металла. Известно, что a-железо (феррит) более проницаемо для водорода, чем g-железо (аустенит), хотя растворимость его и в g-железе большая (рис.84).

Рис.85 – Растворимость водорода в сплавах железо-легирующий элемент (R) при нормальном давлении и температуре 1600^0С

Такое же состояние характерно и для углерода. Так, например, в литературе приводятся данные о том, что коэффициент диффузии углерода в d-феррите в 100 раз больше, чем в g-железе (аустените) при одной и той же температуре. При этом растягивающие напряжения в металле увеличивают, а сжимающие уменьшают диффузию водорода в стали. Процесс охрупчивания металла от растворенного в нем водорода во многом зависит от различных побочных явлений (температуры, напряжений, загрязнения металла примесями и т.д.). Так, например, присутствие в металле примесей катализаторов или вредных рекомбинационных продуктов, типа мышьяка, фосфора или серы на поверхности металла или по границам зерен, может усиливать процесс переноса водорода и увеличивать степень охрупчивания металла. А наличие непрерывного оксидного слоя на поверхности металла во многих случаях предотвращает диссоциацию молекулярного водорода.

В ряде экспериментальных исследований сотрудников предприятий приведены данные о растворимости водорода (за 24ч при 20⁰С) в различных по химическому составу сталях:

-армко-железо (феррит)..........................51,1 см³/100г

-нержавеющая сталь (аустенит).................... 62,2

-углеродистая сталь со структурой:

мартенсит.....................6,9 см³/100г

троостит................... 15,9

сорбит...........................46,5

Из приведенных данных видно, что наибольшее количество водорода растворяется в аустените, что объясняется большими размерами полостей в гранецентрированной решетке, по сравнению с металлом с ОЦК решеткой. Растворяясь в ферритной составляющей металла, водород вызывает увеличение ее объема на» 1,75 см³⁄моль.

Из результатов исследований, выполненных на ПО «Уралмаш» содержание водорода в фасонном литье и слитках из кислой и основной мартеновской стали составляет 4-6 и 5-9 см³/100г (соответственно), а в электростали достигает 5-7 см³/100г. При этом многими исследователями отмечается влияние на количество водорода в металле сезонного фактора (влажности воздуха). Зимой содержание водорода в металле на 2-3 см³/100г ниже, чем летом или осенью. Отмечается также, что вследствие увлажнения извести, используемой в металлургическом производстве, содержание водорода в металле может повысится до 12-15 см³/100г.

До сих пор остается до конца не выясненным механизм водородного охрупчивания металлов и сплавов, хотя предложен целый ряд гипотез, подтвержденных в разной степени экспериментальными данными. К наиболее приемлемым из них относятся объяснения водородного охрупчивания за счет:

-повышенной концентрации его в твердом растворе железа;

-накопления водорода и его рекомбинацией из атомарного (протонного) состояния в молекулярное в границах зерен, пустотах и других несовершенствах структуры или дефектах металла;

-блокировки дислокаций;

-адсорбции водорода на границах с частицами вторичной фазы и т.д.

Считается, что способов переноса водорода в металлах может быть много: транспортировка атомов водорода дислокациями; объемная диффузия в поле напряжений; восходящая диффузия по границам зерен, субзерен и межфазным границам раздела и т.д.

Образование флокенов связывают с выделением при охлаждении и кристаллизации (наиболее вероятно при температурах g®a превращения) растворенного в металле атомарного водорода и его молизацией, что приводит к повышению давления молярного водорода в дефектах до значений, инициирующих нарушение сплошности металла – возникают флокены (микротрещины). Внешние и внутренние факторы (деформации, напряжения и т.д.) способствуют облегчению процесса образования флокенов.

Критическая концентрация водорода в стали, необходимая для образования флокенов зависит от химического состава стали, ее структуры, свойств, уровня напряжений и т.д.

Водород при его содержании от 0,5 - 2 см³ \100г и более ухудшает механические свойства металла, устойчивость к отпускной хрупкости и т.д. Наиболее значительно воздействие водорода, растворенного в металле, проявляется на пластических свойствах (d, j, угол загиба). При этом охрупчивающее действие водорода усиливается с повышением прочности металла.

По мнению многих исследователей, предельное содержание водорода в стали при упрочняющей термической обработке, когда флокены (дефекты металла в виде снежинок, паучков – микротрещины) обычно не возникают после термического упрочнения, не должно превышать 2...2,5 см³/100г. При содержании водорода в металле свыше 4 см³/100г продольные образцы для механических испытаний теряют пластичность, а поперечные образцы полностью охрупчиваются при содержании водорода более 2 см³/100г.

Многочисленные исследования позволили однозначно установить на данное время следующие механизмы взаимодействия водорода с металлом, приводящие к снижению свойств сталей и сплавов:

-взаимодействие с дислокациями;

-взаимодействие с межатомными связями в кристаллической решетке;

-скапливание в полостях и создание внутреннего давления;

-образование гидридов.

Установленными фактами считается, что водород может скапливаться вокруг дислокаций, переносится дислокациями, разупрочнять металл за счет облегчения скольжения дислокаций, упрочнять металл за счет торможения дислокаций и изменения характера их движения.

Водород, адсорбируясь на поверхности металла снижает свободную энергию поверхности и уменьшает работу, необходимую для разрыва химических связей. Этот механизм взаимодействия водорода с металлом называется адсорбционный. Если водород находится внутри решетки металла, то он вызывает локальное снижение когезивной прочности. Такой механизм взаимодействия водорода с металлом назван декогезивным.

Водород, находящийся в кристаллической решетке в объемах металла, прилегающих к границам раздела фаз, включений и границ зерен мигрирует на эти границы, переходя в молекулярную форму, накапливаясь в образованных полостях и создавая давления, облегчающие зарождение и рост микротрещин (флокенов – рис.86,87,88,89) в металле практически без приложения внешней нагрузки. Такой вид повреждения конструкционных материалов называют необратимым водородным охрупчиванием.

Многие металлы образуют различные гидриды – ионные (близкие по природе к солям); переходные; промежуточные; ковалентные (при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии). Гидриды, с которыми связывают охрупчивание металлов и сплавов, относятся к группе переходных. Например, железо, никель и медь в твердом состоянии растворяют большое количество водорода и гидридов обычно не образуют. Эти металлы называют еще эндотермическими поглотителями водорода и с ростом температуры растворимость водорода в их решетке повышается. С другими металлами переходной группы – титаном, цирконием, ниобием и многими редкоземельными, образует гидриды металлического типа (экзотермические поглотители) и водород перемещается в них в виде протонов. Водород, при его концентрации выше предела растворимости в твердой фазе, может образовывать в металле гидриды, которые являются сами хрупкими и создают большие объемные расширения, являющиеся причиной охрупчивания.

Флокены (хлопья) - дефекты металла, обусловленные повышенным содержанием водорода в молекулярной форме, который способствует зарождению тончайших трещин в металле под действием внутренних напряжений. Считается, что если металл резко не переохлаждать ниже 150-200⁰С при термообработке или после ОМД, то вероятность флокенообразования резко уменьшается.

Флокены представляют собой в поперечном сечении микрошлифа (из пораженного металла) извилистые трещины со светлыми стенками (а в изломе выглядят в виде белых пятен размером от 0,5мм до 50мм). Чаще всего флокены встречаются в легированных сталях (никелевых, хромоникелевых, хромоникельмолибденовых и др.). Присутствующий в металле отливок, поковок атомарный водород может под воздействием повышенной температуры или времени свободно диффундировать в объеме металла к поверхности до тех пор, пока не встретит на своем пути несплошности или дефекты металла. При попадании в такие полости, а также при столкновении с дефектами кристаллической решетки или неметаллическими включениями атомарный водород соединяется в молекулы и дальнейшая его диффузия становиться практически невозможной. Переход водорода из атомарного в молекулярный (т.н.рекомбинация) приводит к возникновению дополнительных напряжений. В местах скопления молекулярного водорода происходит его накапливание и рост давления до значений, превышающих прочность металла. Это приводит к образованию микротрещин - флокенов.

	Рис.86 –Вид излома образца из стали 65Г с серебристыми пятнами (флокенами) и крупными глобулями (фасетками), что характерно для рельефа излома металла с повышенной концентрацией водорода

Образованию флокенов способствуют: дендритная ликвация, структурные и термические напряжения. Пораженность стали флокенами во много зависит и от содержания серы, которая образует с марганцем сульфиды марганца - потенциальные коллекторы водорода. Считается, что в сталях, с высоким сопротивлением водородному растрескиванию должно содержаться серы не более 0,001%.

Флокены представляют собой в поперечном сечении микрошлифа (из пораженного металла) извилистые трещины со светлыми стенками (а в изломе выглядят в виде белых пятен размером от 0,5мм до 50мм) (рис.87,88). Чаще всего флокены встречаются в легированных сталях (никелевых, хромоникелевых, хромоникельмолибденовых и др.). Присутствующий в металле отливок, поковок атомарный водород может под воздействием повышенной температуры или времени свободно диффундировать в объеме металла к поверхности до тех пор, пока не встретит на своем пути несплошности или дефекты металла. При попадании в такие полости, а также при столкновении с дефектами кристаллической решетки или неметаллическими включениями атомарный водород соединяется в молекулы и дальнейшая его диффузия становиться практически невозможной. Переход водорода из атомарного в молекулярный (т.н.рекомбинация) приводит к возникновению дополнительных напряжений. В местах скопления молекулярного водорода происходит его накапливание и рост давления до значений, превышающих прочность металла. Это приводит к образованию микротрещин - флокенов. Образованию флокенов способствуют: дендритная ликвация, структурные и термические напряжения. Пораженность стали флокенами во много зависит и от содержания серы, которая образует с марганцем сульфиды марганца - потенциальные коллекторы водорода. Считается, что в сталях, с высоким сопротивлением водородному растрескиванию должно содержаться серы не более 0,001%.

	Рис.87–Вид нетравленого микрошлифа с излома образца из стали 65Г с серебристыми пятнами (флокенами) и крупными глобулями (фасетками), что характерно для рельефа излома металла с повышенной концентрацией водорода. В плоскости шлифа видны извилистые микротрещины
	Рис.88 - Вид поперечного сечения стальной поковки после шлифовки, на котором хорошо видны микротрещины-флокены. При производстве поковки в металле присутствовал диффузионно-подвижный водород в количестве более 2 см^3\100г и противофлокенная термическая обработка (ПФО) не производилась отжига слитка и после ковки

Считается, что процесс флокенообразования в стали обусловливается атомарной (связанной с дефектами кристаллической решетки) и атомарно-протонной (растворенной в кристаллической решетке) формами водорода. Часть исследователей считают, что водород в молекулярной форме не участвует в образовании флокенов, хотя в некоторых работах причиной микрорастрескивания толстолистовой стали 09Г2ФБТ определена молекулярная форма водорода, образовавшаяся из диффузионно-подвижных форм при вылеживании стали.

Наглядной иллюстрацией уровня воздействия водорода на скорость разрушения высокопрочной стали, в зависимости от его состояния, могут служить данные из работ зарубежных авторов, приведенные в табл..

Таблица 5 - Сравнение скоростей роста трещины в стали 4130 (аналог 38ХМ) с s_т=1330 МН/м² при воздействии трех различных водородсодержащих сред

Среда (при Р =6 кПа)	Скорость роста трещины, м/с
Молекулярный водород	9,0 х 10^-6
Сероводород	8,0 х 10^-3
Диссоциированный водород	1,2 х 10^-2
Примечание. Испытания при комнатной температуре и постоянном значении К1С=41 МН/м^3/2

Из табл.5 видно, что скорости подрастания трещин в стали при замедленном разрушении в среде сероводорода и атомарного водорода на несколько порядков выше по сравнению с воздействием молекулярного водорода. Механизм воздействия водорода на металл в этих случаях один и тот же, но различие в интенсивности охрупчивания обусловлено скоростью переноса водорода в этих средах (с разной формой водорода).

Однако при более тщательном исследовании (Астафьев) интенсивности выделения водорода было установлено, что при повышении температуры металла коэффициент диффузии водорода возрастает, а параметр удаления водорода с поверхности обрабатываемого изделия снижается (рис.89).

Рис.89 – Зависимость параметра выделения водорода из образцов технического железа (1) и стали 40ХН (2) от температуры

А в связи с тем, что оба эти параметра оказывают влияние на процесс удаления водорода из металла, были установлены температурные интервалы аномального выделения водорода. Так, для стали 40ХН зависимость параметра удаления водорода с поверхности от температуры металла носит линейный характер (при повышении температуры уменьшается). А коэффициент диффузии водорода в металле при повышении температуры возрастает, т.е. существует область температур металла с оптимальными параметрами рассматриваемых величин. Исследования показали, что в интервале температур нагрева металла 500-550⁰С интенсивность выделения водорода из этой стали выше, чем при 600⁰С и практически равна интенсивности выделения водорода при 700-800⁰С. В литературе отмечается и тот факт, что при выдержках в интервале 200-300⁰С в металле содержится меньше водорода, чем при 400⁰С. Исследователями установлено, что подвижность водорода достаточно высокая при комнатной температуре и возрастает в два и четыре раза при нагреве металла до 100 ⁰С и 200⁰С (соответственно).

В исследованиях последних лет (например, д.т.н. Смияна О.Д. из ИЭС им. Патона) установлено, что водород в стали может одновременно существовать в виде квазийонов Н⁺ и Н^-, которые обладают различными свойствами, природой и поведением в металле. Установлено, что водород в виде Н⁺ является остаточным, концентрация его в металле в течение времени может долго не меняться, а водород в виде Н^- является диффузионно-подвижным, который может спонтанно выделяться из металла даже при комнатной температуре при вылеживании. Определена и температура перехода в стали водорода одного заряда в другой – таковой является 603К (330⁰С).

Общепризнанным является факт, что в сталях перлитного и мартенситного классов флокены могут образовываться в результате очень быстрого выделения водорода в местах его повышенной концентрации. Часть исследователей считают, что это возможно в момент распада переохлажденного аустенита по мартенситному механизму. Хотя в работах других ученых указывается, что предположение о мгновенном образовании флокенов при образовании мартенсита ошибочно.

Однако всеми признано, что при прерывании ускоренного охлаждения металла выше температуры начала мартенситного превращения (М_н) флокены не образуются.

Процесс удаления водорода (термическая противофлокенная обработка – ПФО- рис. 90) из стальных изделий больших сечений (500-700мм) является чрезвычайно длительным. Так, например, для снижения содержания водорода с 6 до 1 см³/100г в сечении изделия диаметром 750мм необходима выдержка металла при температуре 1100⁰С в течение 42 суток.

По данным многих авторов при охлаждении изделий из различных марок сталей в воде, масле или др. средах флокены появляются при переохлаждении металла ниже 100-150⁰С. При этом инкубационный период (время от конца термообработки до выделения водорода в виде флокенов) может длиться до года и более.При определении скорости нагрева и охлаждения металлоизделий из сталей с повышенным содержанием водорода в промышленности руководствуются прежде всего категорией материала, определяющей его устойчивость к образованию флокенов.

	Рис. 90- Графики тепловой обработки, предупреждающей образование флокенов:   а) – в стали мартенситного класса.   б)– в стали перлитного класса;   в)– в стали перлитного класса не подвергающейся дальнейшей механической обработке;

Считается, что только небольшая группа сталей ледебуритного класса (быстрорежущие, инструментальные типа Х12М) не склонны к образованию флокенов, но эти стали весьма чувствительны к образованию трещин, поэтому блюмсы или сортовой подкат из этих сталей охлаждают замедленно в неотапливаемых колодцах.

В связи с тем, что растворимость водорода в аустените максимальна, в процессе технологических переделов металла опасность возникновения флокенов в металле будет сохраняться до тех пор, пока в структуре остается остаточный аустенит, пересыщенный водородом. Поэтому перед термической противофлокенной обработкой металлоизделий целесообразно их подвергать обработкам, способствующим дестабилизации остаточного аустенита и переводу его во вторичные структуры (рис.91).

Рис.91 - Диаграмма превращения аустенита после охлаждения с ковочного нагрева и режим противофокенной термической обработки паковок из среднеуглеродистой высокопрочной стали мартенситного класса 40Х13Н2В2Ф и аналогичных; М₁, М₂, М₃ – мартенсит, образующийся соответственно на первой, второй и третьей стадиях охлаждения.

В последние годы в качестве режимов противофлокенной обработки рекомендуются нагрев и длительная выдержка при температурах 200-300⁰С (8-24 часа). При этом происходит снижение внутренних напряжений в металле отливок или других изделиях и удаление атомарного водорода.Такие низкие температуры противофлокенной обработки вероятно обусловлены новыми данными по диффизии водорода и температурах перехода его из одной формы в другую.

Вредное влияние водорода на физики-механические и эксплуатационные свойства металлоизделий проявляются не только в деталях больших сечений, но также и сортовом прокате малых сечений. Это воздействие проявляется в тех случаях, когда у производителей металлопроката или изделий отсутствует возможность проведения противофлокенной обработки на разных стадях производства металла (например, за счет вакуумирования жидкого металла или ПФО слитков или заготовок). При этом охрупчивающее действие водорода усиливается с повышением прочности металла. Исходя из того, что для повышения комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств большое количество металлопроката и изделий подвергается упрочняющей термической обработке, целесообразно проанализировать ее влияние на поведение металла с повышенным содержанием водорода, т.к. довольно много производителей металлопродукции до сих пор не имеют эффективных средств для снижения уровня водорода в жидком металле до безопасной концентрации. В настоящее время в технической литературе взаимодействие водорода с металлом (диффузионная подвижность, водородопроницаемость, растворимость и полнота газовыделения и т.д.) связывают в основном с дефектами металла (ловушками для водорода).

В процессе реализации режимов упрочняющей термической обработки (с прокатного или отдельного нагрева) происходит ускоренное (принудительное) охлаждение металла, создающее градиент температур по сечению, а также фазовые и структурные превращения, изменяющие напряженное состояние металла. Это усложняет процесс выделения водорода (снижает десорбцию) из металла за счет существенного уменьшения времени пребывания металла в области повышенных температур, времени фазовых превращений, которые происходят при более низких температурах по сравнению с медленным охлаждением при отжигах или нормализации.

В многочисленных исследованиях установлено, что существенное влияние на свойства металла в процессе термического упрочнения и после него оказывает начальное содержание водорода. Так, например, установлено, что при одной и той же изначальной концентрации водорода в металле одной плавки его содержание в термоупрочненном металле в 1,5-2,0 и выше раз больше, чем в нормализованном состоянии. При исследовании арматурного проката установлено, что содержание водорода в горячекатаных стержнях 2,0-2,8 см³ на 100 грамм металла, а в арматуре классов прочности Ат800 (Ат -V)….. Ат1200 (Ат -VП) достигает 4,0…6,0 см³/100г. Это говорит о том, что в процессе технологии производства горячекатаного арматурного проката водород из металла успевает выделяться в количествах в 2-3 раза больших, чем при производстве термически упрочненной арматуры, где начальное содержание водорода практически полностью фиксируется в металле.

Контроль качества металла (для обнаружения флокенов) осуществляется путем исследования излома темплета из слитка стали по ГОСТ 10243.

Литература:

1.Шаповалов В.И. Легирование водородом. Днепропетровск, Журфонд.-2013.-385с ISBN 978-966-1696-92-0; Ш 24

2.Кудрин В.А. Теория и технология производства стали. М.: Мир, ООО Издательство АСТ, 2003.-528с.

3Нельсон Г.Г. Водородное охрупчивание. В кн. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов: пер.с англ./Под ред. Брайента К.Л.-М.: Металлургия, 1988.-С.256-330

4.Ларионов В.П., Семенов Я.С. Водородное охрупчивание. В кн. Сварка и проблемы вязкохрупкого перехода. /Лариков В.П. и др.-Новосибирск, Изд-во СО РАН, 1998.-с.518-530

5.Башнин Ю.А., Паисов И.В, Цурков В.Н., Коровина В.М. Термическая обработка крупногабаритных изделий и полуфабрикатов на металлургических заводах. М.: Металлургия, 1985.-176с

6.Производство стальных отливок /Козлов Л.Я., Колокольцев В.М., Вдовин К.Н. и др. Под ред. Козлова Л.Я.- М.:МИСИС, 2003.-352с

7.Товпенец Е.С. Термическая обработка проката и поковок. Госиздат техн. лит-ры УССР, Киев, 1962

8.Шаповалов В.И., Трофименко В.В. Флокены и контроль водорода в стали. М.: Металлургия, 1987.-160с.

9.Заика В.И., Кащенко Ю.А., Брехаря Г.П. Водород в промышленных сталях. Запорожье, ЗГУ, 1998.-192с.

10.Поволоцкий Д.Я., Морозов А.Н. Водород и флокены в стали. М., Металлургиздат, 1959

11.Карпенко Г.В., Крипякевич Р.И. Влияние водорода на свойства стали. М., Металлургиздат, 1962

12.Галактионова Н.А. Водород в металлах, 2-е изд. М.: Металлургия.-1967.-304с.

13.Дубовой В.Я. Флокены в стали. М.: Металлургия, 1950. 332с.

14.Морозов А.Н. Водород и азот в стали. 2-е изд. М.: Металлургия, 1968. 284с.

15.Коттерилл Водородная хрупкость металлов. Серия Успехи физики металлов, т.9, пер. с англ. М.: Металлургиздат, 1963

16.Мороз Л.С., Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1967. -272с.

17.Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1974. -272с.

18.Склюев П.В. Водород и флокены в крупных поковках. М., Машгиз, 1963

19.Астафьев А.А. Диффузия и выделение водорода из стали. МиТОМ,1991, № 2, С.5-8

Гомогенизационный отжиг - отжиг с длительной выдержкой при высоких гомологических температурах (выше 0,7 Тпл) с целью обеспечения интенсивного развития диффузионных процессов, способствующих устранению химической (концентрационной) и структурной неоднородностей. Обычно гомогенизационный отжиг проводится с целью устранения последствий дендритной ликвации (в слитках, сварных соединениях и т.д.). Гомогенизирующий отжиг стали проводят при температурах, существенно превышающих верхнюю критическую температуру А3 или Асm (температура отжига обычно при 1000-1250С) и достаточно длительных выдержках (³6 часов) при этих температурах с последующим медленным охлаждением (Рис. 2а, 3,).

Рис.3 Графики режимов термообработки, относящихся к обобщенному понятию «Отжиги 1 рода»: 1- -гомогенизационный (диффузионный);

2- дорекристаллизационный; 3- рекристаллизационный;

4- отжиг для уменьшения напряжений.

Известно, что для поликристаллических металлов и сплавов в процессе кристаллизации после заливки формы в металле формируется дендритная форма кристаллов. Для слитков и отливок такое кристаллическое строение по сечению металла обычно имеет (рис.4) три отличающиеся своей микроструктурой зоны:

-вблизи стенки изложницы зону периферийных мелкозернистых кристаллов (иногда называют зона «замороженных» кристаллов);

-на большем удалении от стенки изложницы - к центру слитка зону столбчатых (шестоватых) кристаллов;

-в центральном объеме отливки зону равноосных кристаллов.

При кристаллизации чистых металлов или высоколегированных сталей возможно получение слитков, для которых характерна сквозная транскристаллизация (т.е. присутствует только зона столбчатых кристаллов). Такая структура неблагоприятна для последующей обработки металлов давлением и плохо поддается исправлению термическими методами (даже длительным диффузионным отжигом).

Баландин, рис схема кристаллизации

Рис.4 Схема кристаллического строения стальных отливок по их сечению

При красталлизации металлов и сплавов химический состав твердого раствора в сечении каждого кристаллита оказывается переменным. Кристаллы твердого раствора растут обычно в виде дендритов. Дендриты растут благодаря быстрому линейному продвижению главной оси дендрита. Перпендикулярно главной оси растут дендриты второго порядка и т.д. Оси дендритов, которые образуются при более высокой температуре, обогащаются компонентами, повышающими точку солидуса (температуру окончания кристаллизации, т.е. перехода жидкой фазы в кристаллическое состояние). При этом обычно выделяется избыточная хрупкая фаза - карбиды, интерметаллиды, окислы и т.д., а оси и межосные пространства дендритов, образующиеся при более низких температурах, обогащены компонентами, понижающими точку солидуса. При термической обработке слитка или нагреве его под ОМД может произойти оплавление в областях металла отливки с пониженной температурой солидуса. Кроме того, неравновесное распределение химических элементов по сечению слитка или отливки создает предпосылки для ускорения коррозии, увеличения анизотропии механических свойств, растрескиванию металла при прокатке и др. негативным последствиям. Поэтому слитки и отливки подвергают последующему отжигу - гомогенизации. Этому виду отжига подвергаются преимущественно легированные стали и сплавы. Углеродистые стали, у которых скорость диффузии углерода существенно выше, чаще подвергают полному отжигу или совмещают гомогенизацию аустенита с нагревом под ОМД, увеличивая при этом время томления слитка. Выравнивание химического состава внутри дендритных ячеек является контролирующим звеном гомогенизации, поэтому главными параметрами этой обработки являются температура, время и скорость процесса.

Температура диффузионного отжига и время изотермической выдержки при заданной температуре определяется исходя из химического состава (наличия и количества частиц вторичной фазы – специальных карбидов, карбонитридов, интерметаллидов и др., а также их термической устойчивости к частичному или полному их растворению).

В связи с тем, что охлаждение металла с температуры диффузионного отжига производится замедленно (чаще всего с печью) в металле реализуется механизм диффузионного превращения переохлажденного аустенита. В твердом растворе углерода в аустените при температурах аустенитизации происходит непрерывная миграция атомов углерода. Вследствие этого в аустените непрерывно создаются и исчезают объемы, обогащенные и обедненные углеродом, легирующими элементами по сравнению со средней концентрацией в металле, которые принято называть – флуктуации концентраций. Эти флуктуации способны создавать условия для появления зародышей цементита (при концентрациях углерода»6,67%), специальных карбидов и ферритной фазы (при концентрациях углерода»0,02%) при переохлаждении металла ниже определенных (критических) температур. Для возникновения этих фаз в аустените при переохлаждении необходимо образование флуктуаций концентраций в объемах, превышающих некоторый критический размер (т.е. способных к дальнейшему росту). В период развития науки металловедения и термообработки долго стоял вопрос о ведущей фазе при диффузионном превращении аустенита, т.е. зародыш какой фазы образуется первым - Ф или Ц при переохлаждении металла ниже критических температур. Общепринято, что ведущая роль в диффузионном превращении принадлежит зарождению цементитных пластин, хотя в н.в. считается, что зародышем при перлитном превращении может быть Ц или Ф, образование которых облегчено на границах аустенитных зерен.

Среди атомов вещества, имеющих среднестатистическую энергию колебаний, всегда найдется определенное количество атомов с более высокой кинетической энергией, которые за счет этого прорываются через потенциальный барьер и оказаться в новом положении. Такие атомы называются дислоцированными. Образующиеся в виде пар точечные дефекты (вакансия и дислоцированный атом) – наз. дефектами Френкеля (парами Френкеля). Образующиеся независимо друг от друга дислоцированные атомы и вакансии наз. дефектами Шотки.

При гомогенизационном отжиге протекают два основных процесса: выравнивание химического состава в объеме зерен и растворение неравновесных избыточных фаз (карбидов, карбонитридов и др.). В основе этих процессов лежит диффузия в твердом растворе и поэтому часто такой отжиг называют еще диффузионным. Диффузия - процесс перемещения атомов, в результате которого устанавливается равновесная концентрация внутри фаз. В процессе такого перемещения каждый диффундирующий атом совершает ряд скачков между различными равновесными положениями в кристаллической решетке. Эти скачки и обуславливают миграцию атомов через кристалл. В зависимости от типа элементарного скачка различают более 10 механизмов диффузии. Процесс диффузии, в котором участвуют атомы только одного сорта называется самодиффузией, а если присутствуют атомы разных сортов - гетеродиффузией (просто диффузией). В литературе приводится классический пример диффузии в системе медь- латунь (опыты Киркендала и Смигельсакса)

Возможные механизмы диффузии:

-непосредственный обмен местами соседних атомов;

-перемещение по решетке дислоцированных атомов и вакансий (дырочный или вакансионный). Эффект Киркендала объясняется этим механизмом;

-кольцевой - когда атомы согласованно диффундируют по кольцу, содержащему n атомов;

-механизм диффузии по междоузлиям и т.д.

Обычно в учебной программе рассматриваются два механизма- вакансионный, характерный для твердых растворов замещения; и механизм диффузии по междоузлиям - характерный для твердых растворов внедрения.

Аналитическое описание диффузии сделал в 1858г А. Фик, поэтому уравнения или законы названы законами Фика. Закономерности этого процесса хорошо описываются первым законом Фика, Согласно первому закону Фика поток диффундирующего вещества (I), т.е. количество вещества, проходящего в единицу времени через единицу площади сечения обрабатываемого металла, пропорционален градиенту концентрации dc\dx вдоль направления х, перпендикулярного этому сечению:

I= -D dc\dx

Коэффициент D (коэфф. диффузии) - численно равен количеству вещества, перенесенного вследствие диффузии за единицу времени через единицу площади при единичном градиенте концентрации 5 (измеряется в квадратных метрах в секунду). Коэфф. диффузии зависит от природы сплава, типа и состава твердого раствора, кристаллической структуры фазы; структурных несовершенств, размера зерна и особенно резко от температуры:

D= A e ^–Q\RT, где: R –газовая постоянная; T-температура; Q –энергия активации диффузии; A- константа, практически не зависящая от температуры.

В связи с тем, что температура входит в показатель степени выражения для коэффициента диффузии, поэтому даже сравнительное незначительное ее повышение существенно ускоряет диффузию. Энергия активации диффузии обеспечивает переход атомов из одного положения решетки в другое. В связи с тем, что энергия активации диффузии также входит в показатель степени формулы, то она очень значительно влияет на величину коэффициента диффузии. Энергия активации диффузии для легирующих элементов, растворенных в металле по способу внедрения ( азот- N, углерод- C, водород- H, кислород- O, бор- B, многие карбиды и нитриды ) меньше, чем у элементов, растворенных по способу замещения ( хром-Cr, медь - Cu, никель -Ni, кобальт -Co, кремний -Si, алюминий -Al ,). Поэтому при гомогенизационном отжиге процесс диффузии у твердых растворов замещения идет значительно медленнее. Например, энергия активации диффузии углерода (элемент внедрения) в аустените среднеуглеродистой стали равна»130 кДж\моль, а энергия активации диффузии в аустените важнейших легирующих элементов (элементов замещения) превышает 250 кДж\моль. Поэтому скорость диффузии углерода в металле при термообработке существенно выше, чем легирующих элементов. Исходя из этого, слитки из углеродистых сталей обычно не подвергают гомогенизирующему отжигу в связи с тем, что при нагреве их под прокатку или ковку дендритная ликвация успевает исчезнуть или существенно уменьшиться. Следует еще отметить, что вследствие разупорядоченности кристаллической структуры вещества в зернограничных областях, диффузия по границам зерен (зернограничная диффузия) протекает в десятки раз быстрее, чем по объему зерен (объемная диффузия). В тонких пленках большую роль играет поверхностная диффузия - миграция атомов по поверхности материала.

Время полной гомогенизации зависит от следующих факторов:

-температуры отжига и времени изотермической выдержки при ней;

-химического состава металла;

-от микроструктуры литого сплава (размера дендритной ячейки, толщины и формы частиц избыточной фазы).

С уменьшением размера дендритной ячейки возрастает средний градиент концентрации по ее сечению, что в соответствии с законом Фика должно увеличивать скорость диффузии. При этом, чем мельче размер дендритной ячейки, тем меньше будет и толщина частиц избыточной фазы. В связи с этим для ускорения процесса диффузии при гомогенизирующем отжиге и получения более равномерного по химическому составу металла при кристаллизации используют различные методы увеличения скорости кристаллизации. С повышением скорости кристаллизации сплавов происходит измельчение размера дендритных ячеек и частиц избыточной фазы на их границах. Другой эффективный путь измельчения структуры литого металла и ускорения диффузии при последующем гомогенизационном отжиге –это пластическая деформация слитка или отливок перед отжигом. Эта операция практически незаменима при производстве заготовок из инструментальных сталей, например из быстрорежущих сталей типа Р9 или Р18, в состав которых входят сильные карбидообразующие элементы (КОЭ) - вольфрам, хром ванадий. После перитектической реакции в таком металле образуется эвтектика в виде грубой карбидной сетки, которая сохраняется и после отжига. Измельчить ее и более равномерно распределить частицы вторичной фазы (карбиды и др.) возможно только за счет хорошей деформационной проработки металла слитка, который затем подвергается последующей термообработке.

Одним из эффективных способов измельчения структуры литых сплавов и уменьшения химической неоднородности металлов или сплавов является модифицирование.

В промышленных условиях в жидком металле могут присутствовать (или специально вводиться) примеси, которые подразделяются на растворимые в расплаве и нерастворимые (механические). Такие примеси могут воздействовать на процесс кристаллизации металла через изменение поверхностного натяжения металла и энергию активации. Использование примесей может менять процесс кристаллизации, как в сторону ускорения, так и замедления. Примеси, которые могут повышать скорость зарождения центров кристаллизации при малых степенях переохлаждения металла и одновременно уменьшать скорость роста кристаллов называют модификаторами первого рода. Такие примеси специально вводятся в металл для измельчения зерна в отливках и слитках. В последние десятилетия многочисленными исследованиями было доказано, что традиционные методы модифицирования и микролегирования (при размере вводимых в жидкий металл частиц»5…40мкм) значительно уступают по эффективности воздействия на свойства металла новому направлению в технологии модифицирования сплавов методом суспензионного модифицирования частицами ультрадисперсных порошков (УДП) тугоплавких соединений для измельчения макро- и микроструктуры, уменьшения ликвационных явлений и улучшения комплекса механических свойств металла. При этом используют нерастворимые или частично растворимые частицы УДП (карбида, нитриды или карбонитриды кремния, бора, ванадия, титана, ниобия и др. - так называемые экзогенные добавки) или эндогенные примеси, которые могут быть получены в расплавах за счет химических реакций (наиболее активные инициаторы кристаллизации, но по своей природе неустойчивые в жидком металле). Эндогенные примеси могут быть получены, например, при реакции восстановления титана, тантала, ниобия, циркония из их оксидов в расплаве с помощью силикокальция. При введении УДП в жидкие металлы в 1 см³ расплава может содержаться более 10¹³ частиц твердой фазы с поверхностью около 200см². За счет наличия такой большой поверхности раздела фаз существенно меняется распределение поверхностно-активных элементов (серы, кислорода, марганца), участвующих в процессе образования неметаллических включений. Известно, что в сталях с содержанием углерода до 0,5% добавки УДП снижают средний размер неметаллических включений на 25…30% и при этом переводят их в глобулярную форму.

Установлено, что модифицирующий эффект проявляется уже при введении УДП в количестве 0,02…0,03% (при открытой плавке) от массы расплава (для вакуумных плавок. Для модифицирования наиболее часто используются УДП с дисперсностью частиц от 1 мкм до 0.01мкм.

При этом в случае использования в качестве УДП частиц карбидов, карбонитридов или др. соединений сильных карбидообразующих элементов (ванадий, титан, ниобий и др.) возможно реализовывать в металле не только эффект инициирования кристаллизации расплава, но и воздействие этих частиц (как вторичной фазы) при горячей прокатке и термообработке на процессы структурообразования

Следующим фактором, на который необходимо обратить внимание при рассмотрении особенностей гомогенизационного (диффузионного) отжига это явление восходящей диффузии ( примеры- атомы диффундируют в область, где решетка растянута; образование скоплений атомов-сегрегаций, атмосфер Котрелла, предвыделений и частиц вторичной фазы). В многокомпонентных сплавах в процессе высокотемпературной обработки возможны ситуации диффузионного перемещения одного из компонентов в сторону увеличения градиента концентрации, что на первый взгляд противоречит 1-му закону Фика (для идеального раствора, в котором диффузионные потоки различных компонентов не взаимодействуют). Но это объяснимо, если использовать представления термодинамики для необратимых процессов, согласно которым в общем случае движущей силой диффузионного переноса вещества является не градиент концентрации, а градиент химического потенциала - m., которому пропорционален диффузионный поток:

I=-M dm\ dx

Диффузионную активность любого компонента в растворе определяет его химический потенциал, так же как градиент концентрации в идеальном растворе. Поэтому если в соседних участках раствора активность i-того компонента одинакова, то он не будет перераспределяться диффузионным путем. Поэтому движущей силой диффузии является градиент активности.

Так вот в металлах или сплавах, в которых имеются микрообьемы с разной концентрацией элементов (например, кремния из-за внутрикристаллитной ликвации), при отжиге вначале будет происходить восходящая диффузия, способствующая быстрому понижению концентрации кремния в этих микрообъемах, и только после определенного времени отжига, когда исчезнет градиент концентрации кремния, будет выравниваться и концентрация углерода по объему металла. Если время отжига выбрано не правильно и процессы диффузии не завершились при выдержке, то при охлаждении металла в тех объемах, где была повышенная концентрация кремния, но мало углерода, произойдет образование феррита, а в малокремнистых, но с повышенным содержанием углерода - образование перлита. Такой отжиг не только не устраняет концентрационную неоднородность металла, но даже усиливает ее и вместе с тем увеличивает и структурную неоднородность. Поэтому надо знать, что карбидообразующие элементы (Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn) понижают, а некарбидообразующие (Cu, Ni, Co, Si, Al)- повышают термодинамическую активность углерода в аустените.

Исходя из вышеизложенного следует, что правильно выбранные температура и время для выравнивания химического состава по сечению слитка или заготовки при диффузионном отжиге создаст нам однородный твердый раствор углерода и легирующих элементов в металле. Но при этом мы должные еще знать и состояние металла после охлаждения. А на параметры микроструктуры влияют температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения металла. Устранив концентрационную неоднородность металла при высокотемпературной выдержке, одновременно создаются условия для сильного роста зерна аустенита, соответственно и продуктов его распада, поскольку при нагреве и выдержке были растворены полностью (или частично) частицы вторичной фазы (карбидов, карбонитридов и др.) на границах зерен, препятствующих их росту. Для металла, который подвергается последующей деформационной обработке, измельчающей зерно, это явление не имеет определяющего значения. А вот для металла, который после гомогенизационного отжига не подвергается больше деформационным переделам, это является одним из видов брака. Поэтому для таких изделий требуется последующая термическая обработка с целью измельчения зеренной структуры (аустенита).

Следующим процессом, который одновременно протекает в металле при гомогенизации, может быть коагуляция избыточных фаз. Это явление может происходить в обрабатываемом металле по разным причинам. Некоторые сплавы содержат в своем составе избыточные фазы, которые при температуре гомогенизационного отжига не способны раствориться и в процессе выдержки или замедленного охлаждения металла могут коагулировать. К таким относятся алюминиевые сплавы, содержащие кристаллы силицида Mg₂Si. В металлах, содержащих частицы тугоплавких карбидов и карбонитридов, которые полностью не растворяются при температурах отжига, в процессе медленного охлаждения слитков возможно выделение элементов на таких частицах из твердого раствора и они растут, либо из твердого раствора выделяются углерод и КОЭ с образование и ростом частиц вторичной фазы. Если затем такой металл подвергать другим видам окончательной термической обработки с общепринятых температур аустенитизации, то эти крупные частицы не растворяются и твердый раствор получается обедненным по углероду и легирующим элементам, что не позволяет получать требуемый уровень свойств в металле готовых изделий.

В практике термообработки, особенно часто при работе с цветными сплавами, встречаются ситуации, когда при проведении диффузионного отжига происходит не гомогенизация раствора, а гетерогенизация (т.е. не растворение, а образование или выделение избыточных фаз в твердом растворе). Например, для алюминиевых сплавов, содержащих в своем составе марганец, цирконий, хром, при быстрой кристаллизации в процессе непрерывного литья тонкостенных отливок эти элементы полностью или частично переходят в твердый раствор. Эвтектическая или перитектическая температура в двойных системах близка к точке плавления алюминия. А температура гомогенизационного отжига слитков алюминиевых сплавов выбирается значительно ниже температур эвтектического или перитектического равновесия, при которых существует предельная растворимость элементов, т.е. при температурах отжига их равновесная растворимость намного меньше предельной. Поэтому при отжиге из твердого раствора, пересыщенного марганцем, хромом и цирконием, выделяются интерметаллиды, содержащие эти элементы. Гетерогенизация структуры отливки или слитка может сильно развиваться и в период замедленного охлаждения металла с температуры отжига. Поэтому для таких сплавов или сталей металл целесообразно охлаждать ускоренно для предотвращения этих процессов.

Следующим дефектом обработки может быть закалка поверхностных слоев металла или сплава при охлаждении с температуры отжига. Те легированные стали или сплавы, которые имеют повышенную устойчивость аустенита к распаду при охлаждении с температур гомогенизационного отжига на воздухе, могут претерпевать сдвиговое или промежуточное превращение в поверхностных слоях (например, это характерно для слитков из сталей 40ХН2МА, 1Х2Н4ВА др.). Твердость поверхностных слоев таких слитков и уровень остаточных напряжений в них будут повышены, что требует проведения дополнительной умягчающей термообработки. Поэтому такие слитки металла перед механической обдиркой требуется подвергать высокому отпуску для уменьшения твердости металла, либо изотермическому отжигу.

И еще один дефект, который может образовываться в цветных сплавах в процессе гомогенизации - это возникновение вторичной пористости металла. Первичная пористость - это брак, образующийся при кристаллизации слитка. А вторичная пористость образуется по разным причинам в процессе отжига. Первой причиной такой пористости может служить повышенное содержание водорода в металле, который в процессе отжига удаляется из пересыщенного твердого раствора и скапливается в дефектных местах или на границах раздела матрицы и частиц вторичной фазы, либо неметаллических включений.

Второй причиной может служить эффект Киркендалла - неравенство встречных диффузионных потоков атомов различных элементов. В тех участках металла, откуда в результате вакансионного механизма диффузии уходят быстро диффундирующие атомы элементов, образуются вакансии, скопления которых создает пористость. Но при последующей за отжигом горячей деформации (с достаточной степенью обжатия) эти поры завариваются.

В самом начале лекции говорилось, что основная цель гомогенизационного (или диффузионного отжига) это устранение последствий дендритной ликвации, заключающееся в выравнивании химического (концентрационного) состава металла для повышения пластичности и увеличения степени деформиции при последующей обработке давлением. Но такой вид отжига не всегда выделяется в самостоятелную операцию, а может быть только первой стадией нагрева под ОМД.

В связи с тем, что температура проведения диффузионного отжига существенно превышает температуру точки фазового a®g перехода, а скорость охлаждения после диффузионного отжига небольшая (обычно охлаждение с печью, иногда на воздухе), то такая обработка приводит к получению крупнозернистой вторичной микроструктуры, которая в таком виде неблагоприятна для готовых изделий. Поэтому эта операция используется как промежуточная, подготавливающая металл к последующим видам термической, термомеханической или механической обработок.

Гомогенизационный отжиг является весьма энергоемкой операцией из-за высокой температуры его проведения и длительных выдержек. Кроме этого следует учитывать еще большие потери металла в окалину и обезуглероживание поверхностных слоев металла и правильно оценивать целесообразность его назначения. Обычно такой вид обработки используют для легированных сталей и цветных сплавов.

УДК 621.785:669

Методическое пособие по дисциплине «Термическая обработка металлов» (часть 3 –закалкас полиморфным превращением) / Ó -Днепропетровск: НМетАУ, 2014.-63с.

Рассмотрены основные понятия, термины, определения, процессы и явления, теоретические основы процессов, относящихся к наиболее часто используемым на практике видам термической обработки – нагреву (аустенитизации) и закалке с полиморфным превращением, особенности процессов фазовых превращений и структурообразования в металлах и сплавах.

Предназначена для специалистов по термической обработка металлов.

Ó Разработчик: Л. Н. Дейнеко, д-р техн. наук, проф.

Рецензент Г.В. Левченко, д-р техн. наук, проф. (ИЧМ НАНУ)

Национальная металлургическая академия Украины

49600, г. Днепропетровск-5, пр. Гагарина, 4

____________________

Оглавление

№ № пп	Содержание	Страница
	ВВЕДЕНИЕ
	Основы процессов термической обработки металлов
	1.1 Процессы теплопередачи
	Теоретические и технологические основы процессов, происходящих при аустенитизации и закалке с полиморфным превращением
	2.1 Превращения в сплавах на основе железа при нагреве до температур ниже критической точки АС1
	2.2 Процессы, происходящие в сплавах на основе железа при нагреве до температур выше полиморфного a®g превращения. Рост зерна аустенита при нагреве. Фазовый наклеп и явление структурной наследственности
	2.3 Закалка с полиморфным и без полиморфного превращения. Закаливаемость и прокаливаемость сталей. Закалочные напряжения
	2.4 Влияние легирующих элементов на устойчивость переохлажденногоаустенита и Vкрит
	2.5 Классификация способов закалки с полиморфным превращением. Закалка сплавов из жидкого состояния.

Дата добавления: 2014-10-23