Термообработка
Термообработка
Описание : реферат по термообработке .
Здавался в МИСИС на физикохимическом факультете . Подробно смотри план :
План реферата .
1. Введение.
2. Гомогенизационный
отжиг.
3.
Дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиг.
3.1.
Смягчающий отжиг.
3.2.
Упрочняющий отжиг.
4. Отжиг,уменьшающий
напряжения.
5. Факторы ,
влияющие на перлитно-аустенитное превращение.
6. Влияние зерна
аустенита на свойства стали.
7. Изотермический
распад переохлажденного аустенита .
8. Построение
термокинетической диаграммы распада g-переохлажденного
.
9. Отжиг II рода
9.1. Полный
отжиг.
9.2.
Неполный отжиг.
9.3.
Изотермический отжиг.
9.4.
Сфероидизирующий отжиг.
10. Нормализация.
11. Одинарная
термообработка.
12. Патентирование
стали .
1. Введение
Отжиг I рода - это термообработка , которая устраняет частично (или полностью)
всякого рода неоднородности и неравновесности , которые были внесены в металл
при предшествующих операциях ( мех. обработка , обработка давлением , литье ,
сварка ).
В зависимости от исходного состояния стали отжиг может включать
процессы гомогенизации , рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Эти
процессы происходят независимо от того , протекают ли в сплавах при такой
обработке фазовые превращения или нет . Поэтому отжиг I рода можно проводить
при температурах выше или ниже температур фазовых превращений .
2.Гомогенизационный отжиг.
Основной целью гомогенизационного отжига являются - устранение
последствий дендритной или внутрикристаллитной ликвации , которая может
привести к :
1.Снижению
пластичности , за счет выделения неравновесных хрупких фаз.
2.Уменьшению
коррозионной стойкости и развитии электрохимической коррозии
внутри сплава.
3.Анизотропии мех.
свойств.
4.Снижению
температуры солидуса.
5.Уменьшению
температуры плавления , из-за которого происходит оплавление дендритов при
дальнейшей обработке.
6.Отсутствию стабильности свойств.
Физико- химической основой гомогенизационного отжига является диффузия
в твердом состоянии , по этому отжиг желательно проводить при более высоких
температурах , чтобы диффузионные процессы , необходимые для выравнивания
состава стали , проходили более полно.
Температура нагрева под отжиг колеблется в пределах (0.85-0.90)Tпл .
Выдержка будет определяться природой ликвирующих элементов . Так как
гомогенизация интенсивно протекает в начальный период отжига ( по мере выравнивания
состава сплава градиент концентрации dC/dX уменьшается ) , то большие времена
выдержки не применяются. Однако для некоторых металлов это время составляет
десятки или сотни часов. Для уменьшения времени отжига нужно
1. Увеличить температуру
2. Изменить dC/dX , а для этого нужно изменить условия
кристаллизации.
3. Загрузить в печь уже нагретые слитки.
Гомогенизирующий отжиг может вызвать ряд негативных побочных явлений:
1. Рост зерна аустенита,следовательно ухудшение мех. свойств .
2. Вторичная пористость и неоднородность .
3. Коагуляция избыточных фаз.
Поэтому гомогенизирующий отжиг является предварительной обработкой ,
после которой поводят полный отжиг,или обработку давлением , или отпуск при
670-680 градусах ,или нормализацию.
Для устранения неоднородностей , вызванных холодной пластической
деформацией применяют дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиг
При холодной деформации происходит:
1.Изменение формы и размеров кристаллов
2.Накопление в металле большого количества избыточной энергии ,что в
конечном итоге приводит к росту напряжений 1 и 2 родов.
Из-за этого : уменьшаются пластические характеристики, появляется
анизотропия механических свойств, увеличивается электросопротивление и
уменьшается коррозионная стойкость.
Все это можно попытаться устранить отжигом.
Дорекристаллизационный отжиг бывает смягчающим и упрочняющим.
Смягчающий отжиг
используют для повышения пластичности при частичном сохранении деформационного
упрочнения. Чаще всего его применяют в качестве окончательной операции ,
придающей изделию требуемое сочетание прочности и пластичности. Кроме того ,
можно уменьшить остаточные напряжения ,стабилизировать свойства и повысить
стойкость к коррозии. Для выбора режима дорекристаллизационного смягчающего
отжига необходимо знать температуру начала рекристаллизации, при данной степени
деформации.
Дорекристаллизационный
упрочняющий отжиг
применяют для повышения упругих свойств пружин и мембран.Оптимальную
температуру подбирают опытным путем.
Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как предварительную
операцию перед холодной обработкой давлением,для придания материалу наибольшей
пластичности;как промежуточный процесс между операциями холодногодеформирования,для
снятия наклепа ; и как окончательную термообработку,для придания материалу
необходимых свойств.
При выборе режима отжига нужно избегать получения очень крупного зерна
и разнозернистости.Скорость нагрева чаще всего не имеет значения.
4.Отжиг,уменьшающий напряжения.
При обработке давлением,литье,сварке,термообработке в изделиях могут
возникать внутренние напряжения.В большинстве случаев,они полностью или
частично сохраняются в металле после окончания технологического
процесса.Поэтому основная цель отжига - полная или частичная релаксация
остаточных напряжений.
Причинами возникновения остаточных напряжений являются неодинаковая пластическая
деформация или разное изменение удельного объема в различных точках тела,из-за
наличия градиента температур по сечению тела.
Напряжения при отжиге уменьшаются двумя путями : вследствии
пластической деформации в условиях когда эти напряжения превысят предел
текучести и в результате ползучести при напряжениях меньше предела текучести.
Продолжительность отжига устанавливают опытным путем.Определенной температуре
отжига в каждом конкретном изделии соответствует свой конечный уровень
остаточных напряжений, по достижении которого увеличивать продолжительность
отжига практически бесполезно.
Температуру подбирают обычно несколько ниже критической точки Ас1
.
Скорости нагрева и особенно охлаждения при отжиге должны быть небольшими,чтобы
не возникли новые внутренние термические напряжения.
Использование отжига лимитируется теми нежелательными структурными и
фазовыми изменениями , которые могут произойти при нагреве. Поэтому приходится
либо мириться с недостаточно полным снятием остаточных напряжений при низких
температурах ,либо идти на компромис ,достигая более полного снятия напряжений
при некотором ухудшении механических и других свойств.
5.Факторы,влияющие на перлитно-аустенитное
превращение.
Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом и
подчиняется основным положениям теории кристаллизации. Процесс сводится к полиморфному
a®g превращению и растворению в образовавшемся
аустените цементита.Из этого вытекают факторы ,влияющие на перлитно-аустенитное
превращение.
1.
При повышении
температуры превращение перлита в аустенит резко ускоряется. Это объясняется ,
с одной стороны ,ускорением диффузионных процессов, а с другой - увеличением
градиента концентрации в аустените.
2.
Скорость превращения будет
зависеть и от исходного состояния ферритно-цементитной структуры. Чем тоньше
структура ,тем больше возникает зародышей аустенита и быстрее протекает процесс
аустенизации.Предварительная сфероидизация цементита замедляет прцесс
образования аустенита.
3.
Чем больше в стали
углерода , тем быстрее протекает аустенизация,что объясняется увеличением
количества цементита, и ростом суммарной поверхности раздела феррита и
цементита.
4.
Введение в сталь хрома
,мрлибдена,вольфрама ,ванадия и других карбидообразующих элементов задерживает
аустенизацию из-за образования легированного цементита или трудно растворимых в
аустените карбидов легирующих элементов.
5.
Чем больше скорость
нагрева ,тем выше температура ,при которой происходит превращение перлита в
аустенит , а продолжительность превращения меньше.
6.Влияние величины зерна аустенита на свойства стали.
Чем мельче зерно ,тем выше прочность ( sв
,s0.2) ,пластичность(d , y ) и вязкость и ниже порог хладноломкости( t ). Уменьшая размер зерна аустенита, можно компенсировать отрицательное
влияние других механизмов на порог хладноломкости. Чем мельче зерно , тем выше
предел выносливости.Поэтому все методы , вызывающие измельчение зерна аустенита
повышают конструктивную прочность стали. Крупное зерно нужно только в
трансформаторных сталях , чтобы улучшить их магнитные свойства. При укрупнении
зерна до 10-15 мкм трещиностойкость уменьшается , а при дальнейшем росте зерна
- возрастает. Это может быть связано с очищением границ зерна аустенита от
вредных примесей благодаря большему их расворению в объеме зерна при
высокотемпературном нагреве.
7.Изотермический распад переохлажденного аустенита .
Если сталь со структурой аустенита , полученной в результате нагрева
до температуры выше Ас3 -для доэвтектоидной стали или выше Асm -
для заэвтектоидной , переохладить до температуры ниже Аr1 , то аустенит
оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение .
Рассмотрим кинетику этого процесса ( см. рис. 1)
Вначале объем новой составляющей , испытавший превращение , растет с
ускорением, а к концу превращения прибыль этого объема резко замедляется .Это
объясняется тем , что в начальный период образуется лишь небольшое количество
центров превращения с малой поверхностью новой структурной составляющей ; по
мере изотермической выдержки число центров возрастает , увеличиваются размеры
новой составляющей , но вскоре наступает замедление прцесса из-за того , что
растущие кристаллы соприкасаются между собой и в местах стыка рост их прекращается
, т.е. поверхность фронта превращения уменьшается .
Период о-а называется инкубационным периодом. В инкубационный
период количество образовавшихся новых кристаллов настолько мало , что
превращение не фиксируется обычными методами исследования . Конец
инкубационного периода - точка а на рис. 1 - фиксируемое данным методом
начало превращения .
По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с
образованием более стабильных структур .Скорость распада сначала быстро
увеличивается , а потом постепенно убывает . Через какое-то время процесс
полностью заканчивается ( точка в ) на рис. 1 .
Строя такие кривые при различных температурах можно получить диаграмму
изотермического превращения переохлажденного аустенита , см. рис. 2 .
Для этого нужно отрезки времени , соответствующие началу ( точки а )
и концу ( точки в ) распада аустенита или какой - то степени
превращения для каждой из исследуемых температур перенести на график температура
- время , и одноименные точки соединить плавными кривыми . На диаграмме кривая
1 соответствует началу превращения , а кривая 2 характеризует конец превращения
.
8.Построение термокинетической диаграммы .
Термокинетические диаграммы используются для разработки технологии
термической обработки . По этим диаграммам можно получить данные о температурных
интервалах протекания фазовых превращений при непрерывном охлаждении и об
образующихся при этом структурных составляющих .
Существует два способа построения таких диаграмм.
1 способ. При непрерывном охлаждении образцов фиксируем их
температуру осциллографом .Можно измерять какую-либо характеристику образца в
процессе его охлаждения ( например , его длину при дилатометрическом методе ) и
по отклонению этой характеристики от плавного изменения определить начало превращения
.
2 способ . Охлаждаем серии образцов по одинаковому режиму ,
которые в разные моменты времени закаливаем в воде , а затем исследуем их
структуру или свойства ,определяя по ним начало и конец превращения или степень
оного ,при одном режиме непрерывного охлаждения .
Если исследуем фазовые превращения при распаде переохлажденного
аустенита , то термокинетическую диаграмму строим в координатах температура -
время на основе анализа серии кривых охлаждения , на которых отмечаем
температуры начала и конца перлитного и промежуточного превращений и
соответственно области этих превращений .
Из этих диаграмм можно увидеть , что при малых скоростях охлаждения в
углеродистых сталях протекает только перлитный распад аустенита с образованием
феррито-цементитной структуры с различной степенью дисперсности - перлит ,
сорбит , троостит .При высоких скоростях охлаждения - выше Vк - перлитный
распад аустенита подавляется и аустенит претерпевает только мартенситное превращение
.В легированных сталях существует и область промежуточного превращения , в
которой аустенит претерпевает распад с образованием бейнита .
9.Отжиг II рода.
Отжиг второго рода - это термообработка , которая заключается в
нагреве стали до температур выше точек Ас3 или Ас1 ,выдержке
и последующем охлаждении. В результате мы получаем почти равновесное
структурное состояние стали; в доэвтектоидных сталях - феррит + перлит , в
эвтектоидных - перлит и в заэвтектоидных - перлит + вторичный цементит .
После отжига получаем : мелкое зерно, частично или полностью
устраненные строчечность , видманштеттову структуру и другие неблагоприятные
структуры .
Сталь получается снизкой прочностью и твердостью при достаточном уровне
пластичности.
В промышленности отжиг II рода часто используется в качестве
подготовительной и окончательной обработки.
Разновидности отжига II рода различаются способами охлаждения и
степенью переохлаждения аустенита , а так же положением температур нагрева
относительно критических точек .
9.1 Полный отжиг.
Основные цели полного
отжига - устранение пороков структуры , возникших при предыдущей обработке (
лить , горячей деформации или сварке ) , смягчение стали перед обработкой
резанием и уменьшение напряжений , для придания стали определенных
характеристик. Вцелом отжиг II рода проводят для приближения системя к
равновесию.
Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной
стали до температур на 30-50 С выше температуры Ас3 (чрезмерное
повышение температуры выше этой точки приведет к росту зерна аустенита , что
вызовет ухудшение свойств стали), выдержке
для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и
последующем медленном охлаждении . Для заэвтектоидных сталей такой отжиг с
нагревом выше Аcm не пойдет потому что при медленном охлаждении после такого
нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита , ухудшающая механические
свойства . Для доэвтектоидных сталей время нагрева и продолжительность
обработки зависят типа печи ,способа укладки , типа отжигаемого материала
(лист,прокат , ...).Наиболее распространенная скорость нагрева составляет ~ 100
C / ч ,а продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа на тонну изделия. Медленное
охлаждение обусловленно необходимостью избежать образования слишком дисперсной
ферритно-цементитной структуры и следовательно более высокой твердости.
Скоростьохлаждения зависит от устойчивости переохлажденного аустенита ,а
следовательно , от состава стали . Ее регулируют проводя охлаждение печи с
закрытой или открытой дверцей , с полностью или частично выключенным обогревом.
При полном отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация
стали.При нагреве выше точки Ас3 образуется аустенит , характеризующийся
мелким зерном ,который при охлаждении дает мелкозернистую структуру ,
обеспечивающую высокую вязкость , пластичность и получение высоких свойств
после окончательной обработки.
Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из
избыточного феррита и перлита.
Существует отжиг противоположный по целям обычному отжигу .Это отжиг на крупное зерно с нагревом до 950-1100 С , который применяют
для улучшения обработки резанием мягких низкоуглеродистых сталей .
9.2 Неплный отжиг .
Неполный отжиг доэвтектоидной стали проводят при нагреве до температур
выше Ас1 , но ниже Ас3 . При таких температурах происходит частичная
перекристаллизация стали , а именно лишь переход перлита в аустенит .
избыточный феррит частично превращается в аустенит и значительная часть его не
подвергается перерекристаллизации . Поэтому неполный отжиг не устраняет пороки
стали связанные с нежелательными размерами и формой избыточного феррита . Для
доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется лишь тогда , когда отсутствует
перегрев , ферритная полосчатость, и требуется только снижение твердости и
смягчения перед обработкой резанием .
9.3 Сфероидизирующий отжиг .
Сфероидизирующий отжиг с нагревом несколько выше температуры Ас1 и несколько ниже
точки Аr1 (740 -780 C ) и последующем медленном охлаждением применяют к
заэвтектоидным сталям , что позволяет получить зернистую форму перлита вместо
пластинчатой .
Для режима сфероидизирующего отжига заэвтектоидных сталей характерен
узкий температурный интервал отжигаемости . Верхняя граница не должна быть выше
слишком высокой , т.к. иначе при растворении центров карбидного выделения при
охлаждении образуется пластинчатый перлит . а для сталей близких к эвтектоидному
составу этот интервал особенно узок т.к. точки Асm и А1 сходятся при
эвтектоидной концентрации .
Выдержка при постоянной температуре необходима для окончательного
распада переохлажденного аустенита и коагуляции карбидов и составляет 4-6 часов
в зависимости от массы отжигаемого металла .
Скорость охлаждения очень сильно влияет на конечную структуру . чем
меньше скорость , тем до больших размеров вырастают глобули карбида при распаде
аустенита. Регулируя скорость охлаждения , можно получать структуры
глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого . Более мелкозернистый
перлит обладает повышенной твердостью .
На твердость будет оказывать влияние и повышение температуры отжига до
800-820 С .Твердость будет снижаться из-за развития сфероидизации , а при
дальнейшем повышении температуры отжига твердость растет из-за появления все в
большем количестве пластинчатого перлита .
Вчем состоит механизм сфероидизации ?
В результате деления цементитных пластин получаются мелкие частички
цементита . Если избыточный цементит находится в виде сетки, что является
дефектом , то перед отжигом предварительно проводят нормализацию для
растворения сетки цементита в с последующем охлаждении на воздухе . При делении
цементитные пластины растворяются в наиболее тонких участках , а также в
местах выхода на межфазную поверхность Ц/А субграниц в цементите или аустените
.Деление можно ускорить применив холодную пластическую или теплую деформацию
при температурах ниже А1 . После деления пластин мелкие их частицы
сфероидизируются , путем переноса углерода через окружающий твердый раствор .
Сфероидизирующему отжигу подвергают углеродистые , легированные инструментальные
и шарикоподшипниковые стали . Кроме того , структкра зернистого перлита является
наилучшей перед закалкой - меньше склонность к росту аустенитного зерна , шире
допустимый интервал закалочных температур ,
Если при при однократном отжиге не происходит полной сфероидизации
цементита , то можно применить циклический отжиг . Например ,
углеродистую сталь несколько раз попеременно нагревают до 740 С и охлаждают до
680 С .
Пластина цементита при каждом нагреве частично растворяется в аустените
. При каждом охлаждении из аустенита выделяется цементит на нерастворившихся
остатках цементитных пластин . Попеременно растворяясь и подрастая ,
цементитная пластина постепенно округляется . Сложности возникают с
контролированием колебаний температуры в больших массах материала в заданном интервале
.
9.4 Изотермический отжиг .
Изотермический отжиг - термообработка , при которой после нагрева до
температуры выше А3 на 50 - 70 С сталь ускоренно охлаждают до
температуры изотермической выдержки , которая находится ниже точки А1 на
100-150 С . Затем проводим ускоренное охлаждение на воздухе .
Чем ближе температура изотермической выдержки к точке А1 ,
тем больше межпластинчатое расстояние в перлите и мягче сталь , но больше и
время превращения . А т.к. основная цель изотермического отжига - смягчение
стали , то выбирают такую температуру , при которой получается требуемое
смягчение за небольшой промежуток времени .
Преимуществ изотермического отжига - сокращение времени обработки по
сравнению с обычным отжигом , что особенно чувствуется при работе с легированными
сталями . Для наибольшего ускорения отжига температуру изотермической выдержки
выбирают близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного
аустенита в перлитной области .
Другое преимущество - получение более однородной структуры , т.к. при
изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение
во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения . После
отжига при температуре до 930-950 С укркпняеися зерно аустенита , улучшается
обрабатываемость резанием и повышается чистота поверхности
Изотермическому отжигу подвергаются штамповки , заготовки инструментов
и других изделий небольших размеров .
10. Нормализация .
Нормализация заключается в нагреве до температур на 30-50 К выше линии
GSE ,непродолжительной выдержке для прогрева и завершения фазовых превращений и
охлаждении на воздухе. Скорость охлаждения зависит от массы изделия и отношения
его поверхности к объему.
Нормализацию чаще всего применяют как промежуточную операцию для устранения
пороков строения и общего улучшения структуры перед закалкой , а также для
смягчения стали перед обработкой резанием.Тоесть цели ее близки к целям отжига.
Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и
устраняет крупнозернистую структуру , полученную при литье или прокатке, ковке
или штамповке.Кроме того , частично подавляется выделение избыточной фазы ( феррита
или вторичного цементита) и , следовательно, образуется квазиэвтектоид. Таким
образом , прочность стали после нормализации должна быть больше , чем прочность
после отжига,т.к. по сравнению с печью ускоренное охлаждение на воздухе
приводит к распаду аустенита при более низких температурах , что повышает
дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита
или точнее квазиэвтектоида типа сорбита или троостита.
Но не всегда нормализация предподчтительнее отжига . Все зависит от состава
стали т.к. склонность аустенита к переохлаждению растет с увеличением содержания
в нем углерода и легирующих элементов.
Нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига к низкоуглеродистым
сталям , в которых аустенит слабо переохлаждается.Но она не может заменить
смягчающий отжиг высокоуглеродистых сталей , которые сильно упрчняются при
охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита.
В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного
цементита.При нагреве выше точки А вторичный цементит растворяется , а при
последующем охлаждении на воздухе он не успевает образовать грубую сетку , понижающую
свойства стали.
Очень часто нормализация служит для общего измельчения структуры перед
закалкой. Выделения избыточного феррита и эвтектоид становятся более дисперсными
и тем самым облегчается образование гомогенного аустенита при нагреве под
закалку .
Как окончательную термообработку нормализацию применяют к низкоуглеродистым
низколегированным , средне- и высокоуглеродистым доэвтектоидным сталям .
11. Одинарная темообработка .
Одинарная термообработка заключается в нагреве стали выше А3 ,
среднезамедленном охлаждении струей сжатого воздуха и душировании водой . Небольшая
выдержка обусловленна необходимостью попасть в область сорбита .
После такой обработки получается пластинчатые структуры - сорбит или
троостит .
12. Патентирование.
Патентирование - термообработка , применяемая для получения
высокопрочной канатной, пружинной и рояльной проволок. Проволоку из
углеродистых сталей , содержащих 045-085 % С ,нагревают в проходной печи до
температур на 150-200 градусов выше Ас3 , пропускают через свинцовую
или соляную ванну при Т=450-550 С и наматывают на приводной барабан.
Высокая температура нагрева необходима для гомогенизации аустенита.
Скорость движения проволоки должна быть такой , чтобы время пребывания в ванне
было несколько больше времени окончания перлитного превращения. Иначе , при выходе
проволоки из ванны аустенит , не успевший претерпеть перлитный распад ,
превращается в нижний бейнит или мартенсит и пластические свойства проволоки
резко снижаются.
При выходе из ванны проволока имеет ферритно-цементитную структуру с
очень малым межпластинчатым расстоянием и отсутствием зерен избыточного
феррита. Благодаря этому проволока способна выдерживать большие обжатия при
холодной протяжке без обрывов.
Получаемая структура называется квазиэвтектоидной .
Список литературы.
1. Новиков И.И.
Теория термичесеой обработки металлов .М.: Металлургия,1986.
2. Лахтин Ю.М.
Металловедение и термическая обработка металлов.
М.: Металлургия ,
1993
3. Лившиц
Металлография. М.: Металлургия ,1994.
|