Конструкциялық материалдар және термоөңдеу Конструкционные материалы и термообработка Constructional materials and heat treatment Учебное пособие для специальности: 5В071200– «Машиностроение»
жүктеу/скачать 1,99 Mb. Pdf көрінісі
|
montaev s h
|
Лекция №7. Термическая обработка. 1.Фазовые превращения при термообработке. 2.Влияние термообработки на механические свойства 3.Виды термической обработки. 4.Отжиг и нормализация. 5.Закалка. Поверхностная закалка. Фазовые превращения при термообработке. Основными видами термической обработки являются закалка, отпуск и отжиг. Большинство структурных изменений, имеющих место при термической обработке, непосредственно связано с процессами, 122 описываемыми линиями диаграммы железо-углерод. Поэтому и режимы термической обработки в большинстве случаев связаны с положением этих линий. В теории и практике термической обработки широко применяются условные обозначения критических точек диаграммы. Так, критические точки, соответствующие линии РSК, т.е. перлитному превращению, обозначаются как А1, линии GОS, т.е. начала аллотропического перехода, обозначается как А3, линии ЕS, соответствующей изменению предела насыщения, как Асm. Критическая температура превращения при нагреве несколько выше, чем при охлаждении. Поэтому, указывая критическую точку, необходимо отметить, получена ли она при охлаждении или при нагреве. Так, перлитное превращение при нагреве будет обозначаться как Ас1, а при охлаждении Аr1., то же относится и к точке А3. Рис7.1. Схема изотермического превращение аустенита эвтектоидных стали: І – перлитное превращение; ІІ – между превращение: ІІІ – мартенситное превращение. Любой процесс термической обработки металла состоит из нагрева, выдержки и охлаждения. Например рассмотрим кривую нагрева стали У8. По составу эта сталь соответствует перлитной точке и при низких температурах имеет перлитную структуру. При нагреве до температуры 727ºС происходит аллотропическое превращение, приводящее к образованию аустенита. Появление аустенитных зерен начинается на границе ферритной и цементитной фаз и заканчивается при постоянной температуре. В результате образуются мелкие зерна аустенита, т.е. при переходе через критическую точку сталь приобретает более мелкозернистую микроструктуру, чем исходная. Для стали доэвтектоидной при нагреве выше Ас1, кроме аустенита, будет 123 существовать и феррит, который полностью превратится в аустенит только при температурах выше верхней критической точки Ас3. У заэвтектоидной стали при нагреве до Ас1 также вместо перлитных участков образуются зерна устенита, но сетка вторичного цементита вокруг зерен исчезает только при нагреве выше Аст. Повышение температуры выше критических точек приводит к росту аустенитных зерен тем большему, чем выше температура, что является нежелательным. Перегревом называется значительный рост аустенитного зерна вследствие нагрева стали гораздо выше критической точки. В том случае, если температура нагрева приближается к линии солидус на 100-200ºС, происходит за счет взаимодействия с окружающей средой, что приводит к резкому снижению прочности стали. Влияние термической обработки на механические свойства стали. Термическая обработка проводится для изменения механических свойств стали (прочности, твердости, пластичности, вязкости). Эти свойства зависят от структуры стали после термической обработки. После отжига, отпуска, нормализации (отпуск с охлаждением на воздухе) структура стали состоит из пластичного феррита и цементита, обладающего высокой твердостью и хрупкостью. Включения карбидов оказывают упрочняющее действие на стали. При малом числе цементитных включений стали пластичны и имеют невысокую твердость. Измельчение частиц цементита при термической обработке приводит к упрочнению стали. При укреплении частиц цементита увеличивается способность стали к пластической деформации. Повышение температуры отпуска закаленных изделий, ведущее к укрупнению цементитных частиц, снижает прочность. Прочность снижается при уменьшении скорости охлаждения в процессе закалки или повышении температуры из термического распада. После закалки структура стали состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Твердость определяется твердостью мартенсита и его количеством. Пластичность закаленной стали зависит не только от содержания мартенсита, но и от его дисперсности (размера игл). Для обеспечения высокого комплекса механических свойств стремяться получить после закалки мелкоигольчатую структуру, что достигается при мелкозернистой структуре аустенита до превращения. Твердость стали зависит от температуры изотермического распада аустенита. Чем ниже температура изотермического распада аустенита, тем выше дисперсность перлитных фаз и вследствие этого выше твердость стали. Заключительной операцией термической обработки является отпуск. При отпуске стальное изделие приобретает свои окончательные 124 свойства. Чем выше температура отпуска, тем ниже прочность и выше пластичность стали. Наибольшая пластичность соответствует отпуску при температуре 600-650ºС. Механические свойства стали после закалки и высокого отпуска оказываются выше по сравнению с отожженной или нормализованной сталью. Двойная термическая обработка, состоящая в закалке с последующим высоким отпуском, ведущая к существенному улучшению общего комплекса механических свойств, называется улучшением и является основным видом термической обработки конструкционных сталей. Виды термической обработки. Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры. Термическая обработка используется в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости резанием, давлением и др. и как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень физико-механических свойств детали. Различают три основных вида термической обработки металлов: - собственно термическая обработка, которая предусматривает только температурное воздействие на металл., - химико-термическая обработка, при которой в результате взаимодействия с окружающей средой при нагреве меняется состав поверхностного слоя металла и происходит его насыщение различными химическими элементами., - термомеханическая обработка, при которой структура металла изменяется за счет термического и деформационного воздействия. Основные виды собственно термической обработки стали: - отжиг первого рода- нагрев, выдержка и охлаждение стального изделия с целью снятия остаточных напряжений и искажений кристаллической решетки после предшествующей обработки., - отжиг второго рода- нагрев выше температуры фазового превращения и медленное охлаждение, для получения равновесного фазового состава стали., - закалка- нагрев выше температур фазового превращения с последующим быстрым охлаждением для получения структурно неравновесного состояния., -отпуск- нагрев закаленной стали ниже температур фазовых превращений и охлаждение для снятия остаточных напряжений после закалки. Если отпуск проводится при комнатной температуре или несколько ее превышающей, он называется старением. 125 Отжиг и нормализация. Отжиг- термическая обработка, при которой сталь нагревается до определенной температуры, выдерживается при ней и затем медленно охлаждается в печи для получения равновесной, менее твердой структуры, свободной от остаточных напряжений. К отжигу 1 рода относятся: - диффузионный отжиг (или гомогенизация)- нагрев до 1000-1100ºС для устранения химической неоднородности, образовавшейся при кристаллизации металла. Гомогенизации подвергают слитки или отливки высоколегированных сталей., - рекристаллизационный отжиг, который применяется для снятия наклепа после холодной пластической деформации. Температура нагрева чаще всего находится в пределах 650-700º., - отжиг для снятия внутренних напряжений. Применяют с целью уменьшения напряжений, образовавшихся в металле при литье, сварке, обработке резанием и т.д. Температура отжига находится в пределах 200-700ºС, чаще 350-600ºС. Отжиг 2 рода (или фазовая перекристаллизация) может быть полным и неполным: - полный отжиг- нагрев стали на 30-50º выше верхней критической точки с последующим медленным охлаждением. При этом отжиге происходит полная перекристаллизация: при нагреве феррито-перлитная структура переходит в аустенитную, а при охлаждении аустенит превращается обратно в феррит и перлит. Полному отжигу подвергают отливки, поковки, прокат для измельчения зерна, снятия внутренних напряжений. При этом повышаются пластичность и вязкость. - неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (на 30-50º выше температуры перлитного превращения). При этом произойдет перекристаллизация только перлитной составляющей. Это более экономичная операция, чем полный отжиг, так как нагрев производится до более низких температур. При неполном отжиге улучшается обрабатываемость резанием в результате снижения твердости и повышения пластичности стали. Изотермический отжиг заключается в нагреве и выдержке при температуре на 30-50º выше верхней критической точки, охлаждении до 600-700ºС, выдержке при этой температуре до полного превращения аустенита в перлит и последующем охлаждении на воздухе. Нормализация- разновидность отжига., при нормализации охлаждение проводится на спокойном воздухе. Скорость охлаждения несколько 126 больше, чем при обычном отжиге, что определяет некоторое отличие свойств отожженной и нормализованной стали. Закалка. Закалка- это термическая обработка, которая заключается в нагреве стали до температур, превышающих температуру фазовых превращений, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую минимальную скорость охлаждения. Основной целью закалки является получение высокой твердости, упрочнение. В зависимости от температуры нагрева различают: - полную закалку, при которой нагрев осуществляется в однофазную аустенитную область (на 30-50º выше линии А3). При быстром охлаждении происходит полное превращение аустенита в мартенсит., - неполную закалку, при которой нагрев осуществляется в двухфазную область (между линиями А3 и А1). На практике полную закалку применяют для доэвтектоидных сталей, неполную для заэвтектоидных сталей. Температура нагрева под закалку легированных сталей обычно выше, чем для углеродистых. Диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленнее, поэтому для них требуется более длительная выдержка. Для достижения максимальной твердости при закалке стремятся получать мартенситную структуру. Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки. Скорость охлаждения определяется видом охлаждающей среды. Обычно для закалки используют кипящие жидкости: -воду., -водные растворы солей и щелочей., -масла. Выбор конкретной закалочной среды определяется видом изделия. Например, воду с температурой 18-25ºС используют в основном при закалке деталей простой формы и небольших размеров, выполненных из углеродистой стали. Детали более сложной формы из углеродистых и легированных сталей закаляют в маслах. Для закалки легированных сталей часто используют водные растворы . Важными характеристиками стали, необходимыми для назначения технологических режимов закалки, являются закаливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость характеризует способность стали к повышению твердости при закалке и зависит главным образом от содержания 127 углерода в стали. Закаливаемость оценивают по твердости поверхностного слоя стального образца после закалки. Прокаливаемость характеризует способность стали закаливаться на требуемую глубину. Прокаливаемость оценивается по расстоянию от поверхности изделия до слоя, в котором содержится не менее 50% мартенсита. Способы закалки стали: -закалка в одном охладителе, при которой нагретая деталь погружается в охлаждающую жидкость и остается там до полного охлаждения. Наиболее простой способ. Недостаток- возникновение значительных внутренних напряжений., - закалка в двух средах, при которой деталь до 300-400ºС охлаждают в воде, а затем переносят в масло. Применяют для уменьшения внутренних напряжений при термообработке изделий из инструментальных высокоуглеродистых сталей. Недостаток- трудность регулирования выдержки деталей в первой среде., - ступенчатая закалка, при которой деталь быстро охлаждается погружением в соляную ванну с температурой, немного превышающей температуру мартенситного превращения, выдерживается до достижения одинаковой температуры по всему сечению, а затем охлаждается на воздухе. Медленное охлаждение на воздухе снижает внутренние напряжения и возможность коробления. Недостаток- ограничение размера деталей., - изотермическая закалка, при которой деталь выдерживается в соляной ванне до окончания изотермического превращения аустенита., - закалка с самоотпуском, при которой в закалочной среде охлаждают только часть изделия, а теплота, сохранившаяся в остальной части детали после извлечения из среды, вызывает отпуск охлажденной части. Применяют для термообработки ударного инструмента типа зубил, молотков, которые должны сочетать высокую твердость и вязкость., -обработка холодом состоит в продолжении охлаждения закаленной стали ниже 0ºС до температур конца мартенситного превращения (обычно не ниже -75ºС). В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизуются размеры деталей. 128 Рис 7.2. Воздействие аустенита углеродных стали температуру превращение: а — диаграмма изотермического превращение; б — температура начало превращение одном охладителе. Скорость охлаждение используемых сред во времы закалки показана таблицы 7.1. Таб.7.1 № Охлаждающие среды Скорость охлождение, % 700-500 0 С 300-200 0 С 1 2 3 4 5 Вода t=18ºС t=28ºС В воде 10% NaOH раств t=18ºС В воде NaCl раств t=18ºС Минералные маслы Воздух 600 500 1200 1100 150 3 270 270 300 300 30 1 Поверхностная закалка. Поверхностная закалка- это термическая обработка, при которой закаливается только поверхностный слой изделия на заданную глубину, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной. В результате поверхностный слой обладает высокой прочностью, а сердцевина изделия остается пластичной и вязкой, что обеспечивает высокую износостойкость и одновременно стойкость к динамическим нагрузкам. 129 В промышленности применяют следующие методы поверхностной закалки: -закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты при массовой обработке стальных изделий., -газопламенную поверхностную закалку пламенем газовых или кислород-ацетиленовых горелок (температура пламени 2400-3000ºС) для единичных крупных изделий., -закалку в электролите для небольших деталей в массовом производстве., -лазерную закалку, позволяющую существенно увеличить износостойкость, предел выносливости при изгибе и предел контактной выносливости. Закалка с индукционным нагревом. Закалка с индукционным нагревом (нагрев ТВЧ)- наиболее распространенный способ поверхностной закалки. Деталь помещают в индуктор , который представляет собой медные трубки с циркулирующей внутри водой для охлаждения. К индуктору подводят переменный электрический ток. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле. Магнитный поток индуцирует в металле изделия вихревые токи, вызывающие нагрев поверхности. Основное количество тепла выделяется в тонком поверхностном слое. Глубина нагрева зависит от свойств металла и частоты тока. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой. После нагрева в индукторе деталь охлаждается с помощью специального охлаждающего устройства. Через имеющиеся в нем отверстия на поверхность детали разбрызгивается охлаждающая жидкость. Закаленные изделия подвергают отпуску при 160-200ºС. Преимущества поверхностной закалки ТВЧ: -регулируемая глубина закаленного слоя., -высокая производительность., -возможность автоматизации., -отсутствие обезуглероживания и окалинообразования., -минимальное коробление детали. Недостатком является высокая стоимость индуктора, индивидуального для каждой детали. Поверхностную закалку применяют для углеродистых сталей, почти не содержащих около 0,4% углерода, для легированных сталей ее почти не применяют. Высокочастотной закалке подвергают шейки коленчатых валов, гильзы цилиндров, поршневые пальцы, пальцы рессоры и т.д. Толщина упрочняемого слоя составляет 1,5-3мм, если 130 требуется только высокая износостойкость, и возрастает до 5-10мм в случае высоких контактных нагрузок и возможной перешлифовки. жүктеу/скачать 1,99 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|