Термическая обработка металлических материалов

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры.

Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты.

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в технике способов получения заданных свойств металла. Термическая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и т.д., либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень физико-механических свойств детали.

Так как основными факторами любого вида термической обработки являются температура и время, то режим термообработки обычно представляют графиком в координатах t-t или t- lg t, где t – температура, t - время. Угол наклона характеризует скорость нагрева или охлаждения.

В результате термической обработки в сплавах происходят структурные изменения.

После термообработки металлические сплавы могут находиться в равновесном (стабильном) и неравновесном (метастабильном) состоянии.

Равновесное состояние достигается тогда, когда полностью завершаются все протекающие в сплавах процессы. При этом строение сплава будет соответствовать диаграмме состояния.

Неравновесное состояние получается при условиях, препятствующих полному завершению протекающих процессов. Примером сохраняющихся длительное время неравновесных состояний являются наклеп, неоднородность химического состава вследствие ликвации, структура булатной стали. Увеличение теплового движения атомов при нагреве способствует переходу в равновесное состояние.

Общая длительность нагрева металла при термической обработке t_общ складывается из времени собственно нагрева до заданной температуры t_Н и времени выдержки при этой температуре t_В:

t_общ=t_Н+t_В

Время нагрева зависит от типа нагревательного устройства (пламенная или электрическая печь, соляная печь, установка ТВЧ, лазерная установка и т.д.), размеров деталей, их укладки в печи.

Время выдержки зависит от скорости протекания фазовых превращений.

Охлаждение при термообработке производится с различной скоростью:

– с печью (v _охл.»200 град/час),

– на воздухе (v _охл.»30 град/сек),

– в масле (v _охл.»150 град/сек),

– в воде (v _охл.»600 град/сек),

– в растворах солей и щелочей (v _охл. до 1000 град/сек).

Выбор охлаждающей среды зависит от цели проводимой термической обработки.

Превращения при нагреве

Рассмотрим превращения, происходящие при нагреве в сталях с исходной равновесной структурой: феррит и перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эвтектоидной стали, перлит с вторичным цементитом в заэвтектоидных сталях. При промышленных скоростях нагрева перлит вплоть до температуры Ас 1 сохраняет пластинчатое строение. При достижении температуры Ас 1 начинается превращение перлита в аустенит. Кристаллы аустенита зарождаются преимущественно на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом.

Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного a®g-перехода и растворения в g-Fe кристаллов цементита.

Поскольку в каждой перлитной колонии зарождается несколько центров кристаллизации, превращение при температуре Ас ₁ сопровождается измельчением зерна стали. Эта очень важная особенность фазовой перекристаллизации широко используется в практике термической обработки, связанных с нагревом стали до аустенитного состояния.

В стали эвтектоидного состава перекристаллизация заканчивается после завершения превращения перлита в аустенит.

В доэвтектоидных сталях при нагреве от Ас ₁ до Ас ₃ происходит превращение избыточного феррита в аустенит, а в заэвтектоидных сталях при нагреве от Ас ₁ до Ас _m – растворение продуктов распада избыточного цементита в аустените. Оба процесса сопровождаются диффузией углерода, приводящей к выравниванию концентрации и небольшому укрупнению зерен аустенита.

При дальнейшем повышении температуры или увеличении длительности выдержки при данной температуре происходит рост зерна аустенита. Крупное зерно – это исправимый брак, называется перегрев. Перегрев исправляется повторной аустенизацией с нагревом до более низкой температуры.

Если сталь нагреть до очень высокой температуры, близкой к температуре солидус, то происходит оплавление границ зерен. Такой брак называется пережог и является неисправимым.

Превращения при охлаждении

Влияние степени переохлаждения (скорости охлаждения) на устойчивость аустенита и скорость превращения представляют графически в виде диаграмм, которые строят на основе экспериментальных данных.

Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали

v₁ < v₂ < v₃ < v₄ < v_кр < v₅

Линия 1 – время начала превращения

Линия 2 – время конца превращения переохлажденного аустенита

Между линиями 1 и 2 находится область, в которой происходит превращение

Левее линии 1 – существует переохлажденный аустенит

Правее линии 2 – продукты превращения аустенита

Наименьшей устойчивостью аустенит обладает при температурах, близких к 550°С (время устойчивости» 1 сек)

Линия М_Н – начало мартенситного превращения

Линия М_К – конец мартенситного превращения

Положение точек М_Н и М_К, определяется химическим составом аустенита (чем больше в нем углерода и легирующих элементов, тем ниже температуры точек М_Н и М_К).

Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяют на два типа:

1. Диффузионные – перлитное (скорости охлаждения v₁ – v₃) и промежуточное бейнитное (скорость охлаждения v₄);

2. Бездиффузионное – мартенситное (скорости охлаждения v_кр и v₅)

Перлитное превращение

Перлитное превращение переохлажденного аустенита имеет кристаллизационный характер, а по механизму является диффузионным. Образование зародышей цементита происходит на границах зерен аустенита, и при этом аустенит, прилегающий к зародышам, обедняется углеродом, что приводит к образованию зародышей феррита. Рост кристаллов феррита и цементита идет совместно, и образуется перлитная колония пластинчатого вида. Перлитные колонии при этом растут во все стороны.

Строение перлитной структуры зависит от температуры превращения. С увеличением степени переохлаждения, в соответствии с общими законами кристаллизации, уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси.

Ф – Ц смесь	Т превр., °С	Твердость, НВ	Межпластиночное Расстояние D, мкм
Перлит		180-250	0,6-1,0
Сорбит	600°С	250-350	0,25-0,3
Троостит	500°С	350-450	0,1-0,15

Дисперсность перлитных структур принято оценивать межпластиночным расстоянием, за которое принимают среднюю суммарную толщину соседних пластинок феррита (Ф) и цементита (Ц).

Можно охладить аустенит столь быстро, что он весь переохладится до температуры начала мартенситного превращения, не успев превратиться в перлит. Скорость такого охлаждения носит название критической скорости закалки.

Критическая скорость закалки V_кр – это минимальная скорость, при которой аустенит превращается только в мартенсит при температуре М_Н и ниже.

Мартенситное превращение

На схеме диаграммы изотермического превращения условно показана область мартенситного превращения (ниже М_Н). Мартенситное превращение интенсивно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от М_Н до М_К. Малейшая изотермическая выдержка в этом интервале температур приводит к стабилизации аустенита, т.е. превращение не доходит до конца, и кроме мартенсита в структуре наблюдается так называемый остаточный аустенит.

При охлаждении стали со скоростью, большей v_кр, будет образовываться мартенсит (в честь немецкого ученого А. Мартенса, 1850-1914 г.г.).

Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Углерод в свободном виде не выделяется, а внедряется в ОЦК-решетку a-железа, преобразуя ее в тетрагональную, характеризуемую показателем с / а >1. Чем больше содержание углерода, тем выше показатель с / а – степень тетрагональности.

	при скорости охлаждения vохл ³ vкр →
аустенит (ГЦК)		мартенсит (ОЦТ)

ОЦТ – объёмно центрированная тетрагональная решетка

Превращение имеет как бы сдвиговой характер. Сдвиговой механизм превращения отличается закономерным кооперативным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки. Отдельные атомы смещаются друг относительно друга на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство

Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (»5000 м/сек). Мартенситное превращение характеризуется ориентированностью (пластины либо параллельны, либо расположены под углом 60⁰ или 120° одна к другой). Росту кристаллов мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита.

Превращение заканчивается при температуре М_К. При этом в стали остается некоторое количество аустенита (А_ост), которое, как и положение точек М_Н и М_К, определяется химическим составом аустенита (чем больше в нем углерода и легирующих элементов, тем ниже температуры точек М_Н и М_К).

Аустенит может оставаться в структуре также тогда, когда в углеродистой стали содержится больше 0,6 % С и охлаждение ведут только до 0°С.

Количество образовавшегося мартенсита можно представить так называемой мартенситной кривой.

Главные особенности мартенсита – высокая твердость и прочность. Причина его высокой прочности – большая плотность дефектов, возникающих при внедрении углерода в решетку a-железа. Мартенсит по сравнению с другими составляющими стали имеет наибольший удельный объем, поэтому при его образовании возникают напряжения.

Бейнитное (промежуточное) превращение

Бейнит – структура, состоящая из перенасыщенного твердого раствора углерода в a-железе и частиц цементита.

Температурный интервал бейнитного превращения занимает промежуточное положение между температурами перлитного и мартенситного превращений.

Структура	Температура превращения, °С	Твердость, HRC
Бейнит верхний	500-350
Бейнит нижний	350- МН

Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму.

Бейнитное превращение начинается с диффузионного перераспределения углерода в аустените. При этом в обедненных углеродом зернах начинается мартенситное превращение, т.к. у них повышается порог начала превращения М_Н, а в обогащенных углеродом зонах выделяется цементит в виде очень мелких кристаллов (в виде коротких палочек). При этом мартенситные кристаллы также пересыщены углеродом, и из них может выделиться цементит.

Механизм бейнитного превращения сложный, сочетает диффузионный процесс, характерный для перлитного превращения, и сдвиговый – мартенситного превращения.

Виды термической обработки

и ее технологические параметры

Различают три основных вида термической обработки металлов: собственно термическую обработку, химико-термическую и термомеханическую.

Собственно термическая обработка предусматривает только температурное воздействие на металл.

Термомеханическая обработка (ТМО) предусматривает изменение структуры металла вследствие как термического, так и деформационного воздействия. При ТМО наклеп оказывает влияние на кинетику фазовых и структурных превращений, сопровождающих термообработку.

При химико-термической обработке (ХТО) в результате взаимодействия с окружающей средой при нагреве меняется состав поверхностного слоя металла и происходит его насыщение различными химическими элементами.

Собственно термическая обработка включает в себя отжиг, нормализацию, закалку, отпуск и старение.

Дата добавления: 2014-01-07