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 (-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 ((( [pic] 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 ( (в ,(0.2) ,пластичность(( , ( ) 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 .

[pic]

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 .

[pic][pic]

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.

[pic]

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 .

[pic]

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 .

[pic]

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 .

[pic]

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.