Сполучення гартування з відпуском чи старінням практично завжди

Основні перетворення в сталі при нагріванні.

Термічна обробка сплавів зі змінною розчинністю компонентів у твердому стані.

Термічна обробка сплавів, що не мають фазових перетворень.

Термічна обробка та її види.

ТЕРМІЧНА ОБРОБКА МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ

План:

1. Термообробкою називають технологічні процеси нагрівання, витримки й охолодження металевих виробів з метою зміни структури та властивостей. Термічній обробці піддають злитки, виливки, напівфабрикати після гарячої чи холодної обробки тиском, зварні з'єднання, деталі машин, інструменти.

Основні види термічної обробки: відпал, гартування, відпуск і старіння.

Відпал - вид термічної обробки, в результаті якого метали чи сплави здобувають структуру, близьку до рівноважної. Відпал викликає зміцнення металів і сплавів, що супроводжується збільшенням пластичності та зняттям залишкових напружень. Температура нагрівання при відпалі залежить від складу сплаву та різновиду відпалу, швидкість охолодження звичайно невелика і складає 3-200 С^о/годину.

Гартування - вид термічної обробки, в результаті якого в металах і сплавах утвориться не рівноважна структура. Нерівно ва;ys структури при термічній обробці можна одержати у випадку, коли у сплавах є перетворення в твердому стані: змінна розчинність, поліморфні перетворення твердих розчинів, розпад не рівноважної структури. Проводять нагрівання сплаву до температури фазового перетворення в твердому стані, після чого швидко охолоджують, щоб запобігти рівноважному перетворенню при охолодженні. Конструкційні та інструментальні сталі піддають гартуванню з метою зміцнення і підвищення твердості. Сильно зміцнюються при гартуванні сплави, в яких евтектоідне перетворення відбувається в рівноважних умовах.

Відпуском і старінням називається вид термічної обробки, в результаті якого в попередньо загартованих сплавах відбуваються фазові перетворення, що наближають їх структуру до рівноважної.

має на меті одержання більш високого рівня властивостей у порівнянні з відпаленим станом: твердості, характеристик міцності та інше.

У більшості сплавів після гартування одержують перенасичений твердий розчин, у цьому випадку основний процес, що відбувається при відпуску чи старінні - розпад перенасиченого твердого розчину. Температуру і витримку обирають так, щоб рівноважний стан сплаву при обробці не досягався, як це відбувається при відпалі. При відпуску сплавів проводять нагрівання нижче температур фазових перетворень і повільне охолодження. Після відпуску твердість і міцність нижче, а пластичність і в'язкість вище, ніж у загартованих сплавів.

Термічне старіння полягає в тому, що в загартованих сплавах при кімнатній температурі (природне старіння) чи при нагріванні (штучне старіння) протікають фазові перетворення, що наближають їх до стійкого стану. Однак, механічні властивості сплавів при старінні, у порівнянні з відпуском, змінюються в оборотному напрямку: міцність і твердість збільшуються, а пластичність і в'язкість зменшуються.

Нормалізація є різновидом відпалу. При нормалізації, сталь також нагрівають вище температур фазових перетворень в твердому стані, але охолодження проводять на повітрі. Тому твердість і міцність сталі після нормалізації вище, ніж після відпалу.

2. Термічна обробка сплавів, що не мають фазових перетворень.

а) Нагрівання для зняття залишкових напруг.

Багато які технологічні впливи супроводжуються виникненням в оброблюваних виробах залишкових напруг першого роду, що врівноважуються в об’ємах одновимірних з об’ємом оброблюваного виробу (наприклад, у виливках, у зварних з’єднаннях, при гартуванні і так далі). Ці напруги небажані, тому що можуть викликати деформацію виробу в процесі роботи чи передчасне порушення деталі. По величині залишкові напруги можуть досягати границі текучості. Для їх зменшення вироби нагрівають.

З підвищенням температури σ_т (границя текучості) понижується, тому залишкові напруги викликають пластичну деформацію та понижуються до рівня границі текучості металу при температурі нагрівання. В сталевих і чавунних деталях істотне пониження залишкових напруг відбувається в процесі витримки при температурі 450^о С. Після витримки при температурі 600^оС напруги зменшуються до дуже низьких значень. Час витримки: від декількох до десятків годин. По закінченні витримки вироби повільно охолоджують із швидкістю V ≈200^оС/год, щоб запобігти виникненню нових напруг.

б) Рекристалізаційний відпал.

Рекристалізаційний відпал – нагрівання холодно-деформованих виробів вище температурної межі рекристалізації - Т_р. У процесі витримки відбувається рекристалізація. Швидкість охолодження при цьому різновиді відпалу не має вирішального значення, звичайно охолодження по закінченні витримки проводять на повітрі.

Метою відпалу може бути: зниження міцності і відновлення пластичності деформованого металу, одержання певної кристалографічної текстури, що створює анізотропію властивостей і одержання заданої величини зерна. Температура відпалу на 100200° вище Т_р (межі рекристалізації). Fе - 650570°С, Al - 400450°С.

В деяких металах і твердих розчинах на їх основі рекристалізація супроводжується утворенням текстури (переважного орієнтування кристалів в об’ємі виробу), що створює анізотропію властивостей. Це дозволяє поліпшити ті чи інші властивості вздовж певних напрямків у виробах (магнітні властивості в трансформаторних сталях, модуль пружності в пружинних сплавах та інше).

В машинобудуванні широко застосовуються метали і сплави - тверді розчини, що не мають фазових перетворенню у твердому стані (А1, Сu, Ni, однофазні латуні та бронзи). В таких матеріалах єдина можливість регулювати розмір зерна - поєднання холодної пластичної деформації з наступним рекристалізаційним відпалом.

в) Дифузійний відпал (гомогенізація).

В реальних умовах охолодження розплаву кристалізація твердих розчинів найчастіше протікає нерівноважно: дифузійні процеси, необхідні для вирівнювання зростаючих кристалів, за об’ємом відстають від самого процесу кристалізації.

В результаті зберігається неоднорідність складу по об’єму кристалів – внутрішньо-кристалічна ліквація: серцевина кристалів збагачена тугоплавким компонентом сплаву, а зовнішні частини кристалів збагачені компонентами, що понижують температуру плавлення. Внутрішньо-кристалічна ліквація, особливо у випадку появи в структурі евтектичної складової, перешкоджає обробці сплавів тиском (зменшує пластичність) і погіршує механічні властивості через неоднорідність структури. Дифузійний відпал – довготривала витримка сплавів при високих температурах, в результаті якої зменшується лікваційна неоднорідність твердого розчину. При високій температурі протікають дифузійні процеси, що не встигли завершитися при первинній кристалізації. У сталевих злитках в результаті дифузійного відпалу досягається більш рівномірний розподіл фосфору, вуглецю і легуючих елементів в об’ємі зерен твердого розчину. Якщо температура відпалу досить висока, відпал призводить і до більш сприятливого розподілу сульфідів.

Дифузійний відпал сталевих злитків (виливків) проводять при температурах 11101130°С витримкою 20-50 годин, алюмінієвих злитків при Т=420520^оС витримкою 20-30 годин.

3. Термічна обробка сплавів із змінною розчинністю компонентів у твердому стані.

Змінна розчинність компонентів у твердому стані обумовлює можливість значного зміцнення сплавів шляхом термічної обробки. Тому в техніці широко використовуються старіючі сплави, сплави на основі Сu, Fе, Ni, Co, Ti. У більшості старіючих сплавів бажана дисперсна структура утворюється в результаті термічної

обробки, яка складається з двох операцій: гартування і старіння. При гартуванні сплав нагрівають до температур, що забезпечують розчинення вторинних кристалів. Швидким охолодженням з температури гартування цілком пригнічують процес виділення вторинних кристалів і в результаті одержують однофазний сплав (перенасичений твердий розчин).

Перенасичення твердого розчину відносно мало позначається на збільшенні твердості й міцності, незначно змінюється і пластичність сплавів.

Перенасичений твердий розчин не є рівноважною структурою (з підвищеним рівнем вільної енергії). Як тільки рухливість атомів виявиться досить великою, твердий розчин буде розпадатися - почнеться процес старіння. Старіння, що відбувається при підвищених температурах, називають штучним. У сплавах на основі низькоплавких металів старіння може відбуватися при кімнатний температурі, у процесі вилежування після гартування (природне старіння). При старінні зменшується концентрація перенасиченого компонента в твердому розчині; цей компонент витрачається на утворення виділень. Тип виділень, їх розмір і характер спряженості з гратками твердого розчину залежать як від природи сплаву,

так і від умов старіння, тобто від температури і часу витримки.

В загальному випадку, при розпаді перенасичених твердих розчинів можуть утворитися наступні типи виділень:

1) зони Гіньє-Престона;

2) кристали метастабільної фази.

3) кристали стабільної фази AmBn.

Найбільше зміцнення сплавів при старінні досягається або при утворенні зон Гіньє-Престона, або при утворенні когерентних кристалів метастабільної фази.

Ступінь зміцнення при старінні може бути дуже високою. Твердість і межа міцності дюралюмініїв при оптимальних умовах старіння збільшуються в 2 рази, у берилієвих бронзах - в 3 рази.

4) В залежності від умов нагрівання,можна одержати зерно аустеніту різної величини. Від розміру кристалів аустеніту у великій мірі залежать властивості продуктів перетворення. Продукти перетворення мілкокристалічного аустеніту, як рівноважні, так і метастабільні. мають більш високу пластичність і в'язкість, але меншу чутливість до концентраторів напруг, чим відповідні продукти перетворення крупнокристалічного аустеніту.

Зародження кристалів при розпаді аустеніта (А) відбувається переважно на границях зерен тому, що чим дрібніше зерно А, тим більше виникає центрів кристалізації і тим дрібніше будуть знову утворені кристали. Розглянемо перетворення, що відбуваються при нагріванні в сталях. Схема зародження та росту кристалів А при температурі Ас_1:

При промислових швидкостях нагріву під відпал чи гартування перліт, аж до температури Ас₁, зберігає пластинчасту будову. При досягненні температури Ас, у сталях відбувається перетворення перліта у аустеніт. Кристали аустеніта зароджуються переважно на міжфазних поверхнях феріта-цементіта.

Перетворення складається з двох паралельно протікаючих процесів: поліморфного a-g переходу і розчинення в Fe_g кристалів цементиту. Поліморфне перетворення йде з більш високою швидкістю, тому по завершенні перетворення А зберігає неоднорідність по вуглецю, для усунення якої потрібен певний час. Оскільки в кожній перлітній колонії зароджується кілька центрів кристалізації аустеніту, перетворення при температурі Ас супроводжується подрібненням зерна сталі. Ця здатність фазової перекристалізації широко використовується в практиці термічної обробки - гартування, відпал та ін. Число кристалів аустеніта, що зароджуються при температурі Ас, зростає зі збільшенням дисперсності перліту і швидкості нагрівання. У доевтектоідних і заевтектоідних сталях після переходу перліта в аустеніт у структурі зберігаються надлишкові структурні складові ферит і цементіт, відповідно.

У дотектоідних сталях при нагріванні від Ас₁ до Ас₃ відбувається розчинення надлишкового ферита в аустеніт, а в заевтектоідних сталях при нагріванні від Ас до А_ст - розчинення надлишкового Ц в А. Обидва процеси супроводжуються дифузією

вуглецю, що призводить до вирівнювання концентрації і невеликим збільшенням кристалів А.

Чим більше в сталі вуглецю, тим швидше протікає процес аустенізації, що пояснюється збільшенням кількості цементита і ростом поверхні розділу ферита-цементит. Подальше нагрівання сталі в однофазної аустенітної області призводить до росту зерна аустеніта (процес збірної рекристалізації). Чим вища температура нагрівання і чим довша витримка, тим крупніші будуть кристали аустеніту. Швидкість росту аустенітних зерен при нагріванні вище Ас₁ або Аст неоднакова для різних сталей; вона дуже залежить від способу розкислення сталі і від наявності легуючих елементів. У залежності від швидкості росту аустенітних зерен розрізняють природно-крупнозернисті і природно-дрібнозернисті сталі. Спадково крупнозернисті сталі – ті, у яких по мірі перевищення температури А_с або А_ст кристали аустеніта швидко збільшуються. Такими є сталі, розкислені Fe-Si i Fe-Mn. Спадково дрібнозернисті сталі - ті, у яких при нагрівах до 10001100°С кристали аустеніта ростуть з малою швидкістю. Це сталі додатково розкислені Аl і леговані сталі, що містять карбідоутворюючі елементи (особливо Ті і V). Гальмуючий вплив на ріст зерен роблять частки АlN, які розташовуючись по границям зерен, перешкоджають збірній рекристалізації. При температурі більше 10001100°С АlN розчиняється і перешкоди для росту зникають. Спеціальні карбіди розчиняються в аустеніті повільно і поки нерозчинені залишки присутні поряд з аустенітом, збірна рекристалізація протікає з малою швидкістю. Тільки Мn збільшує швидкість росту аустенітного зерна.

Природну зернистість сталей оцінюють балами, спеціально розробленої шкали зернистості. Відповідно до ДСТУ, схильність до росту аустенітного зерна при перегріві оцінюється розміром зерна, яке формується після 3-х чи 8-ми годинної витримки сталі при 930⁰С. Ця температура і тривалість витримки призводять до значного збільшення зерна в природнокрупнозернистих сталях і не викликає значного росту зерна у природнодрібнозернистих.

Сталі, що мають грубу крупнозернисту структуру внаслідок високотемпературних нагрівів - називають перегрітими; перегрів виправляється повторною аустенізацією (вище Ас₃, А_ст) з нагріванням до більш низьких температур.

Дата добавления: 2014-01-07