Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство (стр. 21 )

Термічна обробка являє собою сукупність операцій нагрівання, витримки й охолодження, виконуваних у певній послідовності при певних режимах, з метою зміни внутрішньої будови сплаву й одержання потрібних властивостей (представляється у вигляді графіка в осях температура – час, див. мал.).

Графіки різних видів термообробки: відпал (1, 1а), загартування (2, 2а), відпуски (3), нормалізації (4)

Розрізняють наступні види термічної обробки:

1. Відпал 1 роду - можливий для будь-яких металів і сплавів.

Його проведення не обумовлене фазовими перетвореннями у твердому стані.

Нагрівання, при відпалі першого роду, підвищуючи рухливість атомів, частково або повністю усуває хімічну неоднорідність, зменшує внутрішнього напруження.

Основне значення має температура нагрівання й час витримки. Характерним є повільне охолодження

Різновидами відпалу першого роду є:

·  дифузійний;

·  рекристалізацийний;

·  відпал для зняття напруги після малодоходного, зварювання, лиття.

2. Відпал II роду – відпал металів і сплавів, що випробовують фазові перетворення у твердому стані при нагріванні й охолодженні.

Проводиться для сплавів, у яких є поліморфні або евтектоїдні перетворення, а також змінна розчинність компонентів у твердому стані.

Проводять відпал другого роду з метою одержання більше рівноважної структури й підготовки її до подальшої обробки. У результаті відпалу подрібнюється зерно, підвищуються пластичність і в'язкість, знижуються міцність і твердість, поліпшується оброблюваність різанням.

Характеризується нагріванням до температур вище критичних і дуже повільним охолодженням, як правило, разом з піччю.

3. Загартування – проводиться для сплавів, що випробовують фазові перетворення у твердому стані при нагріванні й охолодженні, з метою підвищення твердості й міцності шляхом утворення нерівновагих структур (сорбіт, тростит, мартенсит).

Характеризується нагріванням до температур вище критичних і високих швидкостей охолодження.

4. Відпустка – проводиться з метою зняття внутрішніх напружень, зниження твердості й збільшення пластичності й в'язкості загартованих сталей.

Характеризується нагріванням до температури нижче критичної А/ (мал.). Швидкість охолодження ролі не грає. Відбуваються перетворення, що зменшують ступінь нерівновісності структури загартованої сталі.

Термічну обробку підрозділяють на попередню й остаточну.

Попередня – застосовується для підготовки структури й властивостей матеріалу для наступних технологічних операцій (для обробки тиском, поліпшення оброблюваності різанням).

Остаточна – формує властивість готового виробу.

Механізм основних перетворень

1. Перетворення перліту в аустеніт

Перетворення засноване на дифузії вуглецю, супроводжується поліморфним перетворенням, а так само розчиненням цементиту в аустеніті.

Для дослідження процесів будують діаграми ізотермічного утворення аустеніту. Для цього зразки нагрівають до температури вище /і витримують, фіксуючи початок і кінець перетворення.

Діаграма ізотермічного утворення аустеніту: 1 - початок утворення аустеніту; 2 - кінець перетворення перліту в аустеніт; 3 - повне розчинення цементиту.

Зі збільшенням перегріву й швидкості нагрівання тривалість перетворення скорочується.

Механізм перетворення представлений на мал.

Механізм перетворення перліту в аустеніт.

Перетворення починаються із зародження центрів аустенітних зерен на поверхні роздягнув ферит - цементит, кристалічна решітка перебудовується в решітку.

Час перетворення залежить від температури, тому що зі збільшенням ступеня перегріву зменшується розмір критичного зародка аустеніту, збільшуються швидкість виникнення зародків і швидкість їхнього росту

зерна, Що Утворяться, аустеніту мають спочатку таку ж концентрацію вуглецю, як і ферит. Потім в аустеніті починає розчинятися друга фаза перліту - цементит, отже, концентрація вуглецю збільшується. Перетворення в іде швидше. Після того, як весь цементит розчиниться, аустеніт неоднорідний по хімічному складі: там, де перебували пластинки цементиту концентрація вуглецю більше висока. Для завершення процесу перерозподілу вуглецю в аустеніті потрібен додаткове нагрівання або витримка.

Величина зерна, що утворилося, аустеніту робить вплив на властивості стали.

Ріст зерна аустеніту. зерна, Що Утворяться, аустеніту виходять дрібними (початкове зерно). При підвищенні температури або витримці відбувається ріст зерна аустеніту. Рушійної силоміць росту є різниця вільних енергій дрібнозернистої (більша енергія) і грубозернистої (мала енергія) структури аустеніту.

Стали розрізняють по схильності до росту зерна аустеніту. Якщо зерно аустеніту починає швидко рости навіть при незначному нагріванні вище температури/, то сталь спадково грубозерниста. Якщо зерно росте тільки при великому перегріві, то сталь спадково дрібнозерниста.

Схильність до росту аустенітного зерна є плавильною характеристикою. Стали однієї марки, але різних плавок можуть різнитися, тому що містять неоднакова кількість неметалічних включень, які утрудняють ріст аустенітного зерна.

Ванадій, титан, молібден, вольфрам, алюміній - зменшують схильність до росту зерна аустеніту, а марганець і фосфор - збільшують неї.

Заевтектоїдні стали менш схильні до росту зерна.

При наступному охолодженні зерна аустеніту не подрібнюються. Це варто враховувати при призначенні режимів термічної обробки, тому що від розміру зерна залежать механічні властивості. Крупне зерно знижує опір відриву, ударну в'язкість, підвищує поріг хладоломкости.

Розрізняють величину зерна спадкоємного й дійсного.

Для визначення величини спадкоємного зерна, зразки нагрівають до 930o С и потім визначають розмір зерна.

Дійсна величина зерна - розмір зерна при звичайних температурах. отриманий після тієї або іншої термічної обробки.

Неправильний режим нагрівання може привести або до перегріву, або до перевитрати стали.

Перегрів. Нагрівання доевтектоїидній стали значно вище температури /приводить до інтенсивного зростання зерна аустеніту. При охолодженні ферит виділяється у вигляді пластинчастих або голчастих кристалів. Така структура називається відманштетова структура й характеризується зниженими механічними властивостями. Перегрів можна виправити повторним нагріванням до оптимальних температур з наступним повільним охолодженням.

Перевитрата має місце, коли температура нагрівання наближається до температури плавлення. При цьому спостерігається окислювання границь зерен, що різко знижує міцність сталі. Злам такої сталі камневидний. Перевитрата - непоправний шлюб.

 2. Перетворення аустеніту в перліт при повільному охолодженні.

Перетворення пов'язане з дифузією вуглецю, супроводжується поліморфним перетворенням, виділенням вуглецю з аустеніту у вигляді цементиту, розростанням цементиту, що утворився.

Залежно від ступеня переохолодження розрізняють три області перетворення. Спочатку, зі збільшенням переохолодження швидкість перетворення зростає, а потім убуває. При температурі 727 oС і нижче 200o Зі швидкість дорівнює нулю. При температурі 200o З дорівнює нулю швидкість дифузії вуглецю.

Закономірності перетворення.

Зразки нагрівають до температури, при якій структура складається з однорідного аустеніту (7700 С). Потім переносять у термостати із заданою температурою (інтервал 25 – 500 С). Перетворення аустеніту можна легко виявити за допомогою спостережень за зміною магнітних характеристик, тому що аустеніт парамагнитен, а ферит і цементит мають магнітні властивості.

Одержують серію кінетичних кривих, які показують кількість перліту, що утворився, залежно від часу, що пройшов з початку перетворення.

Кінетичні криві перетворення аустеніту при охолодженні (а); діаграма ізотермічного перетворення аустеніту (б)

На початку спостерігається інкубаційний підготовчий період, час, протягом якого зберігається переохолоджений аустеніт. Перетворення протікає з різною швидкістю й досягає максимуму при утворенні 50 % продуктів розпаду. Потім швидкість починає зменшуватися й поступово загасає. Зі збільшенням ступеня переохолодження стійкість аустеніту зменшується, а потім збільшується.

Горизонтальна лінія Мн показує температуру початку бездифузійного мартенситного перетворення. Такі діаграми називаються діаграмами ізотермічного перетворення аустеніту (мал).

При малих ступенях переохолодження, в області температур 727…550oЗ, сутність перетворення полягає в тім, що в результаті перетворення аустеніту утвориться механічна суміш фериту й цементиту, сполука якої відрізняється від сполуки вихідного аустеніту. Аустеніт містить 0,8 % вуглецю, а фази, що утворяться: ферит -0,02 %, цементит - 6,67 % вуглецю.

Час стійкості аустеніту й швидкість його перетворення залежать від ступеня переохолодження.

Максимальна швидкість перетворення відповідає переохолодженню нижче температури на 150…200oЗ, тобто відповідає мінімальній стійкості аустеніту.