Обработка углеродистой стали

Обработка углеродистой стали

1. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Термической обработкой стали называется технологический процесс, заключающийся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем охлаждении с заданной скоростью. При термической обработке необходимые свойства стали получают, изменяя ее структуру без изменения химического состава.

При нагреве и охлаждении при определенных температурах в стали наблюдаются фазовые превращения. Такие температуры называются критическими точками. Их принято обозначать буквой А. Критическая точка А1 лежит на линии PSK (727 °С) диаграммы «железо - углерод» и соответствует превращению перлита в аустенит (рису-
нок 1.1). А3 соответствует линиям GS и SE. На линии GS начинается выделение феррита из аустенита при охлаждении или завершается превращение феррита в аустенит при нагреве. На линии SE начинается выделение вторичного цементита из аустенита при охлаждении или заканчивается его растворение в аустените при нагреве.

Рисунок 1.1 - Обозначение критических точек стали

При термической обработке стали различают четыре основных превращения:

1. При нагреве выше АС1 перлит (ферритно-цементитная смесь) превращается в аустенит. Выше АС3 сталь находится в однофазном аустенитном состоянии. При этом чем выше температура нагрева, тем крупнее получается зерно аустенита.

2. При охлаждении ниже АС1 аустенит превращается в перлит. Превращение наблюдается как в изотермических условиях, так и при непрерывном охлаждении. Следует отметить, что чем выше скорость охлаждения, чем ниже температурный интервал распада аустенита, тем дисперснее получается смесь феррита и цементита. Продукты распада аустенита (перлит, сорбит, троостит) имеют пластинчатое строение. Твердость их зависит от степени дисперсности (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Влияние скорости охлаждения аустенита на характер образующихся продуктов

. При охлаждении со скоростью выше критической (vк) аустенит превращается в мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Мартенсит имеет игольчатую структуру и тетрагональную объемно-центрированную решетку. Твердость мартенсита лежит в пределах 55…65 HRC (см. рисунок 1.2).

. При нагреве ниже АС1 мартенсит превращается в перлитные структуры.

Основными факторами термической обработки являются температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить в виде графика в координатах «температура - время» (рисунок 1.3). Этап АВ характеризует скорость нагрева сплава, этап ВС - выдержку при данной температуре, v1, v2, v3 - скорость охлаждения. Изменяя скорость охлаждения сплава, нагретого до определенной температуры, можно получить разные структуры и свойства, т.е. произвести различную термообработку.

Стали подвергаются следующим основным видам термической обработки: отжигу, нормализации, закалке, отпуску.

Отжиг. Это процесс нагрева стали до заданной температуры, выдержки и медленного охлаждения (с печью). Он относится к предварительной термической обработке.

Отжигом достигаются следующие цели:

) снятие внутренних напряжений;

) получение минимальной твердости;

) исправление структуры кованой, литой и перегретой стали;

Рисунок 1.3 - График термической обработки

Различают отжиг I и II рода.

Проведение отжига I рода не связано с фазовыми превращениями. В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отжига:

Диффузионный отжиг (гомогенизация). Он применяется с целью устранения в легированной стали дендритной ликвации. При таком отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000 - 1100 оС и подвергается длительной выдержке (18 - 24 ч).

Рекристаллизационный отжиг, который производится с целью устранения наклепа металла после холодной пластической деформации. Температура нагрева при этом виде отжига выбирается на 150 - 250 оС выше температуры рекристаллизации (Тр) обрабатываемого сплава. Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали осуществляется при температуре 600 - 700 оС.

Низкий отжиг. Температура нагрева - ниже нижней критической точки на 100 - 50 оС:

Тн = АС1 - (100 … 50) оС.

Нагрев не сопровождается фазовыми превращениями, поэтому структура таким отжигом не исправляется. Применяется для снятия внутренних напряжений.

Отжиг II рода связан с фазовой перекристаллизацией и может быть неполным и полным.

Неполный отжиг проводится при температуре выше АС1:

Тн = АС1 + (30…50) оС.

Нагрев сопровождается частичной фазовой перекристаллизацией и приводит к исправлению перлитной составляющей, феррит (цементит) не претерпевает изменения. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяется редко, в заэвтектоидных - приводит к образованию зернистого перлита.

Доэвтектоидная сталь:

Заэвтектоидная сталь: .

Полный отжиг. Температура нагрева - выше АС3:

Тн = АС3 + (30…50) оС.

Нагрев приводит к полной фазовой перекристаллизации и, следовательно, исправлению структуры:

.

Полный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей. С помощью полного отжига достигаются 1 - 3-я цели.

Рисунок 1.4 - Схема изменения зерна перлита в зависимости от температуры нагрева аустенитного зерна

Нормализация. Это нагрев стали выше верхней критической точки (АС3 или АСm), выдержка до полного образования аустенита и последующее охлаждение на спокойном воздухе (кривая охлаждения v2 на рисунке 1.3). От полного отжига нормализация отличается ускоренным охлаждением. В этом случае распад аустенита происходит в более низком температурном интервале, поэтому зерно получается мельче, чем после отжига. Твердость нормализованной стали выше твердости отожженной стали.

Закалка. Это термическая обработка, состоящая в нагреве стали выше критической точки АС3 или АС1, выдержке до полного образования аустенита и последующем быстром охлаждении со скоростью выше критической. Цель закалки - получить мартенситную структуру, обладающую высокой твердостью.

Доэвтектоидные стали подвергаются полной закалке:

Тн = АС3 + (30…50) оС.

.

Заэвтектоидные стали подвергаются неполной закалке:

Тн = АС1 + (30…50) оС.

.

Скорость охлаждения выбирается в соответствии с диаграммой изотермического превращения аустенита так, чтобы весь аустенит переохладился до мартенситной точки Мн. Для этого скорость охлаждения должна быть выше критической (v4 > vк на рисунке 1.2). Чем устойчивее аустенит в стали, тем меньше значение vк, тем с меньшими скоростями можно охлаждать сталь при закалке. В качестве охлаждающих сред обычно применяют воду, масло или растворы солей.

Закаленная сталь со структурой мартенсита обладает высокой твердостью, хрупкостью и пониженной вязкостью. Поэтому после закалки сталь всегда подвергают отпуску.

Отпуск. Нагрев закаленной стали до температуры ниже АС1 и выдержка с последующим охлаждением на воздухе называется отпуском. Его цель - снять напряжения, возникшие при закалке; получить структуру с заданным комплексом механических свойств.

Применяются три вида отпуска.

Низкий отпуск проводят при температуре 150 - 200 °С с получением структуры мартенсит отпуска (58 - 60 HRC). Применяется в основном для инструментальных сталей.

Средний отпуск проводят при температуре 350 - 450 °С на структуру троостит отпуска. Применяется для пружинных сталей.

Высокий отпуск - при температуре 550 - 650 °С на структуру сорбит отпуска. Применяют для конструкционных сталей, так как зернистая структура сорбита отпуска обладает хорошим комплексом механических свойств (прочность, пластичность, вязкость). Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением стали.

Закалка в сочетании с отпуском является окончательным видом термической обработки изделий.

термический обработка углеродистый сталь

2. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДУРАЛЮМИНА

Диаграмма состояния «алюминий - медь» приведена на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Диаграмма состояния «алюминий - медь»

Легирующие элементы при комнатной температуре незначительно растворяются в алюминии (0,05 %), образуя a-твердый раствор. Основная масса этих элементов находится в крупных кристаллах CuAl2, CuMgAl2 и др. Дуралюмины содержат 4,5 - 5 % меди. С повышением температуры растворимость меди в алюминии увеличивается и достигает 5,5 % при температуре 548 оС. Для упрочнения дуралюмина применяют закалку и старение.

Закалка - это нагрев сплава до температуры выше линии предельной растворимости меди в алюминии (линия АВ), выдержка до полного растворения включений CuAl2 в a-твердом растворе и охлаждение в подогретой воде, чтобы не было трещин. При нагреве до t » 500 оC в алюминии растворяются кристаллы CuAl2 и в твердый раствор переходит 4 % Cu. Охлаждение в воде фиксирует пересыщенный твердый раствор меди в алюминии (a 4 % Cu).

Сплав после закалки пластичен, твердость и прочность невысоки. Полученная структура метастабильная.

Старение - это процесс распада пересыщенного твердого раствора с образованием более стабильных структур. На первой стадии образуются зоны Гинье - Престона (Г.П.) - дискообразные структурные образования толщиной в несколько атомов из меди, диффундирующей из кристаллической решетки. Зоны Г.П. искажают решетку, и прочность повышается.

Вторая стадия - дисперсионное твердение. На этой стадии в зонах Гинье - Престона атомы перестраиваются, образуя кристаллическую решетку новой фазы Q', по составу и строению близкую к CuAl2. Фаза Q' дисперсна и когерентно связана с кристаллической решеткой a-твердого раствора, поэтому ее образование не снижает прочностных свойств.

Третья стадия связана с нарушением когерентной связи между фазой Q' и основным твердым раствором a. Фаза Q' превращается в равновесную фазу CuAl2. Образовавшиеся кристаллы CuAl2 могут укрупниться, и тогда прочностные характеристики понизятся.

Скорость и полнота распада пересыщенного твердого раствора зависят от температуры и времени выдержки. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс распада.

Естественное старение происходит при комнатной температуре в течение трех - пяти суток. За это время протекает первая стадия, и сплав упрочняется.

Искусственное старение проводят при 100 - 250 оС. Необходимо правильно выбрать температуру, чтобы не наступило разупрочнение. Чем выше температура, тем меньше дается выдержка.

Литература

1.         Тушинский, Л.И. Методы исследования материалов/ Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. - М.: Мир, 2004. - 380 с.

2.       Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю.М. Лахтин. - М.: Металлургия, 1993. - 448 с.

.        Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман и др. - М.: Высшая школа, 2001. - 622 с.

.        Евстратова, И.И. Материаловедение/ И.И. Евстратова и др. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. - 268 с.

.        Маркова, Н.Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н.Н. Маркова. - Орел: ОрелГТУ, 2006. - 96 с.

.        Ильина, Л.В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л.В. Ильина, Л.Н. Курдюмова. - Орел: ОрелГТУ, 2007.