Основные виды термической обработки и их классификация. Критические точки для сталей.

Основными видами термической обработки, различно изме­няющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависи­мости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отлив­кам, поковкам, прокату и т. д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

1. ОТЖИГ I РОДА Отжиг I рода в зависимости or исходного состояния стали и температуры ею выполнения может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости,, снятия остаточных напряжений. Характерная особенность итого вида отжига в том, что указанные процессы происходят независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения (а - у) или нет, Поэтому отжиг 1 рода можно про­водить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений (критических точек А1 и А3). Этот вид обработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или физическую неодно­родность, созданную предшествующими обработками. Бывает: Гомогенизация (диффузионный отжиг). Рекристаллизацконный отжиг. Высокий отпуск (для уменьшения твердости) Отжиг для снятия остаточных напряжений.

2. ОТЖИГ II РОДА (ФАЗОВАЯ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ) Отжиг II рода заключается в нагреве стали до темпера­тур выше точек Ас1 или Ac3, выдержке и, как правило, последую­щем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения в этом случае протекают фазовые превращения (γ - а-превращение), определяющие структуру и свойства стали. Понижая прочность и твер­дость, отжиг облегчает обработку, резание средне- и высокоугле­родистой стали. Измельчая зерно снимая внутренние напряжения Различают следующие виды отжига: полный, изотермиче­ский и неполный.

3. ЗАКАЛКА Закалка — термическая обработка — заключается в на­греве стали до температуры выше критической (А3 для доэвтектоидной и а1—для заэвтектоидной сталей) или температуры рас­творения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлажде­нии со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после за­калки обязательно подвергают отпуску. Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь — для повышения прочности, твер­дости, получения достаточно высокой пластичности и вязко­сти, а для ряда деталей также высокой износостойкости. Бывает Непрерывная, Прерывистая, Закалка с самоотпуском, Ступенчатая закалка, Изотермическая, обработка стали холодом

Терм.обр-ка (ТО) – это тепловое воздействие на металл (Ме), которое приводит к изменению его структуры и свойств. По глубине и разнообразию структурных изменений, создаваемых ТО, с ней не может сравниться никакое другое воздействие. В основе ТО лежит превращение, происходящее в процессе нагрева, выдержки и последующего охлаждения. В зависимости от того, какие процессы происходят при ТО все виды ТО делят на группы. Основным признаком классификации является тип фазовых и структурных превращений в Ме.

• 1. отжиг без фазовой перекристаллизации
• а)отжиг рекристаллизация
• б)отжиг гомогенизация
• в)отжиг для снятия внутренних напряжений, полученных в результате предшествующей обработки.
• 2. отжиг с фазовой перекристаллизацией
• 3. закалка
• 4. отпуск
• 5. химико-термическая обработка
• 6. термо-механическая обработка.
• Любой процесс ТО связан с диаграммой состояния. ТО с фазовой перекристаллизацией имеет основное значение для стали. В основе ТО стали лежит: -полиморфное превращение, -различная растворимость в зависимости от t (линия солидус). Превращения, рассмотренные при получении диаграммы железо-углерод протекают во времени и успрочняются процессами диффузии. Поэтому появляется возможность влиять на них, изменяя их кинетику. Рассмотрим на примере стали У8
• Перлит устойчив до t=727град., выше этой t перлит превращается в аустенит, поскольку свободная энергия аустенита меньше. Критические точки стали (точки Чернова) обозн.буквами А. существуют точки А1,А2,А3,А4. А1 соответствует линии PSK, А3 лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидной стали.
• Чтобы отличить критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении ставят знак после буквы А перед цифрой: с – при нагреве, r – при охлаждении. Кроме того существует точка А2 – точка Кюри – 768град, температура магнитного превращения. При этой температуре железо становится немагнитным. И точка А4 соответствует t=1392град, когда гамма-железо превращается в бета-железо.

Образование аустенита и рост его зерна при нагреве. Перегрев и пережог.

Образование аустенита при нагревании

Механизм и кинетика аустенитизации

Перед отжигом углеродистых сталей исходной структурой чаще всего является ферритокарбидная смесь.
Из диаграммы состояния Fe — С видно, что основное превращение при нагревании — это переход перлита в аустенит при температурах выше точки A₁ (727 °С).

Диаграмма состояния Fe — С

Переход перлита в аустенит, его кинетика подчиняются основным закономерностям фазовых превращений, протекающих при нагревании.
Экспериментально установлено, что зародыши аустенита возникают на границах феррита с цементитом. Начальные этапы формирования зародышей аустенита экспериментально не изучены и о них имеются лишь предположения. Превращение α_о.ц.к. → γ_г.ц.к. в чистом железе возможно только при температурах не ниже 911 °С. Если же феррит находится в контакте с цементитом, то в соответствии с диаграммой состояния α — γ-превращение должно идти при температурах, начиная с 727 °С. Аустенит при температуре несколько выше точки А₁ содержит около 0,8%С, в то время как феррит в стали содержит сотые доли процента углерода.

Каким же образом возникает участок фазы с г. ц. к. решеткой и сравнительно высоким содержанием углерода?

Большинство гипотез зарождения аустенита исходит из флуктуационных представлений, причем формально рассматриваются два крайних случая. Во-первых, можно представить, что базой для зарождения аустенита являются флуктуации концентрации. Внутри феррита вероятность образования значительного числа флуктуационных участков критического размера ничтожна, так как атомов углерода здесь очень мало. На границе феррита с цементитом между фазами идет непрерывный обмен атомами (динамическое равновесие) и в приграничном слое (феррита намного больше вероятность флуктуационного возникновения участков критического размера с концентрацией около 0,8%С.
Такие участки при любом самом малом перегреве выше точки А₁ претерпевают полиморфное α — γ-превращение твердого раствора и становятся устойчивыми центрами роста аустенитных зерен. Ниже точки А₁подобные участки в феррите также могут возникать, но в устойчивые центры роста аустенита они не превращаются, так как γ-peшетка здесь термодинамически нестабильна.
Другое предположение состоит в том, что при зарождении аустенита первичны не флуктуации концентрации, а флуктуационная перестройка решетки. Внутри феррита участки с γ-решеткой флуктуационного происхождения возникают и исчезают, а на границе с цементитом при температурах выше А₁ в эти участки поступает углерод из карбида и если они имеют критический размер, то становятся устойчивыми центрами роста аустенита.

22.2. Если нагреть металл до верхней критической точки и продолжать повышать температуру, то, рассматривая металл под микроскопом, можно обнаружить рост его зерен.
Чем выше температура, тем энергичнее происходит рост зерен и тем они крупнее, тем продолжительнее процесс нагрева до данной температуры. Металл, имеющий сильно укрупненные зерна, называется перегретым металлом.
В процессе ковки сильно перегретый металл дает рванины и трещины, особенно в углах слитка или заготовки, а в изломе имеет сильно укрупненную структуру, что можно сравнительно легко наблюдать простым глазом. Перегрев зависит от двух факторов: температуры и времени нагрева.
Из практики работы кузнечных печей известно, что если слиток или заготовку продержать в печи при высокой температуре (например, в сварочной части методической печи) больше, чем обычно, то при ковке такого слитка или заготовки получаются рванины вследствие перегрева. Наоборот, слиток, находящийся в печи при той же температуре, но менее продолжительное время, проковывается вполне нормально.
Таким образом, перегрев металла возможен при любой температуре, превышающей критическую точку, но величина перегрева при данной температуре зависит от продолжительности выдержки.
Перегретый металл может быть исправлен последующим отжигом, т. е. медленным нагревом до температуры на 10—30 выше точки, и последующим медленным охлаждением.
Если нагретый металл оставить в печи на длительное время при высокой температуре, то произойдет его пережог. Пережог происходит оттого, что кислород, находящийся в печных газах, проникает с поверхности в глубь металла, границы зерен металла окисляются, а вещество, образовавшееся между крупными зернами, расплавляется. В результате между зернами металла образуются жидкие пленки, связь между зернами нарушается, и металл становится непрочным, на заготовке появляются крупные трещины, и она распадается на части. Дальнейшее нагревание приводит к оплавлению или разрушению отдельных участков заготовки. Пережог зависит в основном от температуры нагрева, состава печных газов и времени нагревания металла при высоких температурах.
Пережженный металл исправить нельзя, заготовка идет обычно в брак, а сохранившийся металл может быть использован только путем переплавки в мартеновской печи.
Для предупреждения пережога металла необходимо при нагреве соблюдать следующие основные условия:
1. Сжигать топливо с наименьшим коэффициентом избытка воздуха так, чтобы в печных газах не было свободного кислорода.
2. Не загружать заготовки на под печи «навалом», а располагать их таким образом, чтобы они по возможности омывались печными газами, а факелы горелок или форсунок не били бы (лизали) поверхность нагреваемых заготовок.
3. Загружать в печь металла можно столько, чтобы ковочный агрегат мог его проковать за время, которое необходимо для нагрева заготовки до ковочной температуры. Лучше загружать печь по штучному способу, т. е. одна-две нагретые заготовки выдаются из печи, а на место их подаются холодные заготовки и т. д. При штучной загрузке продолжительность пребывания металла при высоких температурах будет такой, какая требуется для его нагрева. А это даст возможность избежать перегрева и пережога металла.