Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Структурні перетворення в сталі




Тема Термічна обробка сталі.

План

1Основні поняття

2 Структурні перетворення

3 Відпал

4 Гартування

5 Відпуск

 

Термічною обробкою називають технологічні процеси, що складаються з нагріву, витримки і охолоджування сталевих деталей з метою зміни їх структури і властивостей. Це один з найпоширеніших в техніці і найефективніших способів зміни структури і властивостей сталей і сплавів, обумовлених протіканням різних фазових перетворень.

Термічна обробка включає чотири основні види: відпал гарт відпустка старіння. Можливість або неможливість проведення того або іншого вигляду обробки визначається на підставі аналізу діаграм станів. Основою для вивчення термічної обробки сталі є діаграма стану железо-цементіт.

 

Приведемо загальноприйняті позначення критичних крапок.

Критичні крапки позначаються буквою А. Ніжняя критична крапка позначається A1 і відповідає лінії PSK діаграми. Верхня критична точка А3 відповідає лінії GSE. Щоб відрізнити критичну крапку при нагріві від критичної крапки при охолоджуванні, поряд з буквою А ставлять букву з - при нагріві і r - при охолоджуванні.

 

Структурні перетворення в сталі

 

Повний розпад аустеніту має місце при незначному переохолодженні. Аустеніт розпадається з утворенням тонкої механічної суміші фериту і цементіта, тобто фаз, що мають різко різну концентрацію вуглецю. При температурах, близьких до Аг1, пластинки з фериту і цементіта зростають (товщина двох суміжних пластинок Ф і Ц досягає 0,6—1,0 мкм) - таку структуру називають пластинчастим перлитом.

 

При збільшенні переохолодження до 100—120 °С пластинки Ф і Ц встигають вирости лише до товщини відповідно 0,25—0,30 мкм; таку структуру називають сорбітом.

 

Якщо переохолодження складе 180—200 °С, зростання пластинок зупиняється на самому початку, товщина =0,17-0,15 мкм; така структура називається трооститом.

 

При більшому переохолодженні аустеніту (до 240 °С і нижче) дифузійний розпад його стає неможливим, перекристалізація носить бездіффузіонний характер. При цьому атоми заліза з грат ГЦК перебудовуються в грати ОЦК, а вуглець не встигає виділитися і утворити частинки цементіта; він залишається розчиненим в гратах ОЦК, утворюючи пересичений твердий розчин вуглецю в а-залізі, званий мартенсітом.

 

Відпалом називають вигляд термічної обробки, при якій формуються близькі до рівноважних структури матеріалів, в яких нерівноважні стани виникли в результаті попередніх видів дії (литво, кування, плющення, зварка і тому подібне). Існують два основні типи відпалу - відпал першого роду, при якому можуть не протікати фазові перетворення, наприклад, рекристалізація, і відпал другого роду, що супроводиться фазовими перетвореннями (повний і неповний відпал). При відпалі сталь охолоджують дуже повільно, зазвичай разом з піччю.

 

Гартуваннм сталі називають процес, при якому метал нагрівають до температур, вище за температури фазових перетворень і швидко охолоджують для здобуття нестійких станів. При гарті сталь набуває високої твердості.

 

Відпускомзаздалегідь загартованих сталей і сплавів називають технологічні операції, що проводяться з метою здобуття стійкіших структурних станів. Термін відпустку застосовують в тих випадках, коли при гарті матеріал зазнає поліморфні перетворення. Старінням називають процес розпаду пересичених загартованих твердих розчинів, в яких при гарті поліморфних перетворень не відбувалося. Як правило, цей процес здійснюється при нагріві металу.

 

*****************

 

Після відливання, плющення, кування і інших видів обробки заготовок вони охолоджуються нерівномірно, результатом чого є неоднорідність структури і властивостей в різних частинах заготівки, а також поява внутрішньої напруги. Відливання, крім того, при твердінні виходять неоднорідними по складу унаслідок ліквації.

 

Відпал. Відпалом називають операцію нагріву, витримки при заданной температурі і охолоджування заготовок. Акад. А. А. Бочвар дав визначення двох пологів відпалу: відпал першого роду — приведення структури з нерівноважного полягання в більш рівноважне (повернення або відпочинок, відпал рекристалізації, або рекристалізація, відпал для зняття внутрішньої напруги і дифузійний відпал або гомогенізація); відпал другого роду — зміна структури сплаву за допомогою перекристалізації біля критичних крапок з метою здобуття рівноважних структур; до відпалу другого роду відноситься повний, неповний і ізотермічний відпал.

Нижче розглянуті перераховані види відпалу стосовно сталі.

Повернення стали — нагріваючи до температури 200—400 °С для зменшення або зняття наклепання. При поверненні спостерігається зменшення спотворень в кристалічних решітках в кристалів і часткове відновлення физико-хімічних властивостей.

Відпал (рекристалізація) рекристалізації сталі відбувається при температурі 500—550 °С; відпал для зняття внутрішньої напруги — при температурі 600—700 °С. Ці види відпалу застосовують для заготовок, оброблених тиском (плющенням, волочінням, куванням, штампуванням). При відпалі рекристалізації деформовані витягнуті зерна стають рівноосними, в результаті твердість знижується, а пластичність і ударна в'язкість підвищуються. Для повного зняття внутрішньої напруги в сталі потрібна температура не менше 600 °С.

Охолоджування після витримки при заданій температурі має бути достатнє повільним; при прискореному охолоджуванні знов виникає внутрішня напруга.

Дифузійний відпал застосовують в тих випадках, коли в сталевих заготовках є внутрішньокристалічна ліквація. Вирівнювання складу в зернах аустеніту досягається дифузією вуглецю і інших компонентів поряд з самодифузією заліза. В результаті сталь стає однорідною по складу (гомогенною), тому дифузійний відпал називається також гомогенізацією.

Температура гомогенізації має бути досить високою (1100—1200 °С), проте не можна допускати перепалу і оплавлення зерен. При перепалі кисень повітря окислює залізо, проникає в товщу його, в результаті утворюються кристаліти, роз'єднані оксидними оболонками. Перепалені заготовки є непоправним браком. Дифузійний відпал супроводиться зростанням зерен, що виправляють подальшим відпалом на дрібне зерно.

При повному відпалі знижуються твердість і міцність стали; цей відпал пов'язаний з фазовою перекристалізацією при температурах точок Ас1 і Ас3. В результаті повного відпалу структура сталі стає близькою до рівноважної, що сприяє кращій оброблюваності різанням і штампуванням. Повний відпал використовують також як остаточну операцію термічної обробки заготовок. Для повного відпалу сталь нагрівають на 30—50° вище за температуру лінії GsК і повільно охолоджують. Операція виконується з охолоджуванням заготовок в печі при частковому підігріванні, щоб швидкість охолоджування була в межах 10—100 °С/ч для легованої сталі і 150—200 °С/ч для вуглецевої сталі. Для заевтектоїдної сталі повний відпал (з нагрівом вище лінії 5^) не застосовують, оскільки цементіт, що виділяється при охолоджуванні, розташовується у вигляді сітки по кордонах зерен, що погіршує властивості стали. Відпалом досягається також подрібнення зерна.

Неповний відпал пов'язаний з фазовою перекристалізацією лише при температурі точки Ас1, його застосовують після гарячої обробки тиском, коли в заготовок дрібнозерниста структура. Для доевтектоїдної сталі цей відпал використовують в цілях поліпшення оброблюваності різанням.

Відпал на зернистийперлит служить для підвищення пластичності і в'язкості стали і зменшення її твердості. Для здобуття зернистого перлиту заготівки нагрівають декілька вище за точку Ас1 і витримують недовго, щоб цементіт розчинився в аустеніті не повністю. Потім виробляють охолоджування до температури декілька нижче Аr1 і витримують при такій температурі декілька годин. При цьому частки цементіта, що залишився, служать зародками для кристалізації всього цементіта, що виділяється, який наростає округлими (глобулярними) кристалами, розсіяними у фериті.

Властивості зернистого перлиту характеризуються більшою пластичністю і в'язкістю і меншою твердістю, чим властивості пластинчастого перлиту. Особливо це відноситься до заевтектоїдної сталі, в якій як евтектоїдний, так і надлишковий цементіт кристалізуються у вигляді глобул.

При ізотермічному відпалі після нагріву і витримки заготівки швидко охолоджують до температури декілька нижче за точку Аr1 і видерживают при цій температурі до повного розпаду аустеніту в перлит, після чого охолоджують на повітрі.

Нормалізація. При нормалізації сталь після нагріву охолоджується не в печі, а на повітрі в цеху, що економічніше. Нагрів ведеться до повної перекристалізації (на 30—50° вище за точки Ас3); в результаті нормалізації сталь набуває дрібнозернистої і однорідної структури. Твердість і міцність стали після нормалізації вище, ніж після відпалу. Структура низковуглецевої сталі після нормалізації феррітно-перлітова, але більш дисперсна,, ніж після відпалу, а в середньо- і високовуглецевої сталей — сорбіт; нормалізація може замінити для першої відпал, а для других — гарт з високою відпусткою. Часто нормалізацією покращують структуру перед гартом.

 

ГАРТУВАННЯ І ВІДПУСК СТАЛІ

Метою гартування і відпуску сталі є підвищення твердості і міцності. Гарт і відпуск сталі необхідні для дуже багатьох деталей і виробів. Гарт заснований на перекристалізації при нагріві і запобіганні переходу аустеніту в перлит шляхом швидкого охолоджування. Загартована сталь має нерівноважну структуру мартенсіту, трооститу або сорбіту.

Найчастіше сталь різко охолоджують на мартенсіт. Для пом'якшення дії гарту сталь відпускають, нагріваючи до температури нижче за точку А1. При відпустці структура стали з мартенсіту гарту переходить мартенсіт відпустки, троостит відпустки, сорбіт відпустки.

Гартування стали. Температура нагріву стали при гарті та ж, що і при повному відпалі: для доевтектоїдної сталі на 30—50 °С вище за точку Ас3, для заевтектоїдної — на 30—50° вище за точку Ас1.

Нагрівати заготовки, особливо великі, потрібно поступово щоб уникнути місцевої напруги і тріщин, а час витримки нагрітих заготовок має бути достатнім, щоб перехід в структуру аустеніту повністю завершився. Швидкість охолоджування заготовок при гарті має бути такій, щоб отримати задану структуру. Критична швидкість гарту (див. с. 92) змінюється в широких межах залежно від наявності легуючих компонентів в сталі. Для простих сплавів железо—углерод ця швидкість дуже висока.

Гарт на ту або іншу структуру залежить від швидкості охолоджування, яка у свою чергу визначається виглядом і температурою середовища, що охолоджує. Охолоджування струменем повітря або холодними металевими плитами дає слабкий гарт на сорбіт. Найбільш поширено охолоджування заготовок зануренням їх у воду, в лужні розчини води, в масло, розплавлені солі і т. д, При цьому сталь гартується на мартенсіт або на бейніт.

Простий гарт в одному охолоджувачі (найчастіше у воді або водних розчинах) виконують, занурюючи в нього заготовки до повного охолоджування. Переривистим гартом називають таку, при якій заготівку охолоджують послідовно в двох середовищах: перше середовище — рідина (зазвичай вода), що охолоджує, друга, — повітря або масло. Різкість такого гарту менша, ніж попередньою.

До дефектів гарту відносяться тріщини, повідця або викривлення і зневуглецювання.

Головною причиною появи тріщин і повідці є нерівномірна зміна об'єму заготівки при нагріві і особливо при різкому охолоджуванні. Інша причина — збільшення об'єму при мартенситному перетворенні аустеніту. Тріщини виникають від перевищення рівня напруги над міцністю металу в певних частинах заготівки.

Кращим способом зменшення напруги є повільне охолоджування біля температури мартенситного перетворення. При конструюванні деталей необхідно враховувати, що наявність гострих кутів і різких змін перетину збільшує внутрішню напругу при гарті.

Викривлення виникає також від напруги в результаті нерівномірного охолоджування і виявляється у викривленнях заготовок. Якщо ці викривлення невеликі, вони можуть бути виправлені (напримір, шліфуванням). Тріщини і викривлення можуть запобігти попереднім відпалом заготовок, рівномірним і поступовим нагрівом їх, а також вживанням ступінчастого і ізотермічного гарту.

 

Відпустка стали. Відпустку пом'якшує дія гарту, знімає або зменшує залишкову напругу, підвищує в'язкість, зменшує твердість і крихкість стали. Відпустка виробляється шляхом нагріву заготовок до температури нижче критичною; при цьому залежно від температури можуть бути отримані структури мартенсіту, тро-остіту або сорбіту відпустки. Ці структури відрізняються від структур гарту того ж найменування: при гарті цементіт (у трооститі і сорбіті) виходить у формі подовжених пластинок, як в пластинчастому перлиті (див. мал. 56, а), а при відпустці він виходить зернистим або точковим, як в зернистому перлиті (див. мал. 69). Перевагою точкової структури є сприятливіше поєднання міцності, в'язкості і пластичності. При однаковому хімічному складі і однаковій твердості сталь з точковою структурою має вище відносне суженіє|з і ударну в'язкість К.С, підвищене подовження б і межа текучості від в порівнянні із сталлю з пластинчастою структурою.

По температурі нагріву відпустку розділяють на низький, середній і високий. При низькій відпустці (нагріваючи до температури 150—200 °С) в структурі сталі в основному залишається мартенсіт. Крім того, починається виділення карбідів заліза з пересиченого твердого розчину вуглецю в а-залозі і початкове скупчення їх невеликими групами. Це спричиняє за собою деяке зменшення твердості і збільшення в'язкості стали, а також зменшення внутрішньої напруги в заготовках. Для низкого отпуска заготовки выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или солевых ваннах.

Низкий отпуск применяют для режу­щего инструмента из углеродистых и легированных сталей, измеритель­ного инструмента, цементированных заготовок, а также других изделий, работающих в условиях трения на износ.

При середній (нагріваючи в межах 300—500 °С) і високій (500—700 °С) відпустці структура мартенсіту переходить відповідно в структуру трооститу або сорбіту. Чим вище температура відпустки, тим менше твердість відпущеної сталі і тим більше її в'язкість. При високій відпустці сталь отримує найкраще поєднання механічних властивостей: підвищені міцність, в'язкість і пластичність; тому гарт на мартенсіт з подальшою високою відпусткою називають поліпшенням стали. Середню відпустку застосовують при виробництві ковальських штампів, пружин, ресор, а високий—для багатьох деталей, схильної до дії високої напруги (наприклад, осей автомобілів, шатунів двигунів).

 


Поделиться:

Дата добавления: 2015-02-09; просмотров: 102; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.005 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты