Программа «Инновационные технологии производства высокопрочных труб из нержавеющих сталей и сплавов на основне нанотехнологий» (стр. 1 )

Программа «Инновационные технологии производства высокопрочных труб из нержавеющих сталей и сплавов на основне нанотехнологий»

Конспект лекционных занятий: «Металловедение, теория и технология термической и химико-термической обработки»

Разработчик: _____________________

Лекция 1

ТЕХНОЛОГИЯ изготовления металлов состоит из трех основных разделов

-металлургии - получение металла заданного состава,

-механической технологии - получение из металла изделий заданной внешней формы,

-термической обработки - получение заданных свойств.

Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и механических, физико-химических, технологических свойств в заданном направлении без изменения основных размеров и формы деталей и заготовок.

Если тепловое воздействие сочетается с химическим, то такая обработка называется химико- термической обработкой (ХТО).

Если термическое воздействие сочетается с деформационным, то такая обработка называется термомеханической (ВТМО, НТМО).

Основные параметры ТО: - температура нагрева, - длительность выдержки, - скорость нагрева, - скорость охлаждения.

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ТЕРМООБРАБОТКИ

Термическая обработка
Собственно ТО	ХТО	ТМО
Отжиг 1 рода без фазовых превращений	Цементация	Высокотемпературная термомеханическая обработка
Отжиг 2 рода на основе фазовых превращений	Азотирование
Закалка без полиморфного превращения	Нитроцементация
Борирование
Закалка с полиморфным превращением	Цинкование Хромирование	Низкотемпературная термомеханическая обработка
Отпуск	Алитирование
Старение	Оксидирование

Отжиг 1 рода - ТО, заключающаяся в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки (неоднородная кристаллизация, холодная пласт. деформация, наклеп, сварка) и приводящая металл в более устойчивое состояние. Для сталей это гомогенизационный (диффузионный) отжиг 1100-12000С, рекристаллизационный отжиг 600-7200С, отжиг для уменьшения внутренних напряжений 450-6500С.

Отжиг 2 рода - ТО, состоящая из нагрева выше температуры полиморфного превращения (или растворения вторых фаз) с последующим медленным охлаждением для получения структурно устойчивого (равновесного) состояния. Для сталей это аустенизация с последующим перлитным превращением: полный перекристализационный отжиг доэвтектоидных сталей, изотермический отжиг легированных сталей, неполный доэвтектоидных сталей, нормализация, сфероидизирующий отжиг заэвтектоидных сталей.

Закалка – ТО, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава. Для сталей это непрерывная закалка, закалка с подстуживанием, ступенчатая закалка. Для Cu, Ni, Al сплавов при закалке без полиморфного превращения образуется пересыщенный твердый раствор.

Отпуск и старение - ТО, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры полиморфного превращения, охлаждении с определенной скоростью для получения структурно устойчивого состояния сплава. Для сталей это распад метастабильного твердого раствора: низкотемпературный 120-2500С, среднетемпературный 350-4500С, высокотемпературный 450-6800С отпуски. Отпуск и старение применяются лишь в качестве второго этапа процесса ТО после закалки, старения употребляется в случае закалки без полиморфного превращения.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.

Все металлы делятся на цветные и черные.

-легкие: Al, Mg, Li, Be (сплавы-дуралюмин Al-Cu-Mn, силумин Al-Si, Al-Mg-Si-авиалы)

-тяжелые: Pb (баббиты), U, актиноиды

-благородные: Au, Ag, Рt, Pd, Ir, Cu (сплавы - латуни Cu-Zn, бронзы Cu-Sn, Cu-Ni)

-редкоземельные Y, La, Sc

-тугоплавкие: W, Mo, Ti, Nb, Zr, Cr

-железные : Fe, Co, Ni, Mn

Сплавы железо-углерод, содержащие углерод в интервале от 0,02 до 2,14мас.% называются сталями, при большем содержании углерода от 2,14до 6,67мас.%–чугунами. Чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита наз. белым. Литейные чугуны в зависимости от формы графитных включений делятся на серые, высокопрочные, ковкие.

Стали подразделяются

-по назначению: строительные Ст1,Ст2, Ст3кп, Ст6сп, 15Г2СФ; конструкционные 30ХМА, 30ХГС, 40ХФ; подшипниковые ШХ15,11Х18М; пружинные 55ХГР,60С2,У12А; инструментальные У8, 9ХФ,9Х5ВФ; штамповые Х12, Х12Ф4М, 6Х4М2ФС; жаропрочные ХН777ЮР, жаростойкие 08Х17Т,15Х28; коррозионостойкие Х18Н10Т, износостойкие Г13.

-по составу: углеродистые, легированные, высоколегированные.

-по содержанию углерода: доэвтектоидные (менее 0,8мас%), эвтектоидные о,8 мас.%С, заэвтектоидные (0,8-2,14мас.%С)

-по качеству: качественные, высококачественные

Каждая группа металлов и сплавов имеет в зависимости от состава свои фазовые превращения при нагреве и охлаждении, поэтому имеет свои характерные температурно-временные режимы и виды термической обработки.

Лекция 2

ОСНОВНЫЕ ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ (ФП), ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЙ, КРИТИЧЕСКИЕ ТОЧКИ, ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КРИТИЧЕСКИЕ ТОЧКИ СТАЛИ.

Анализ диаграмм состояний позволяет определить каким видам ТО м. б. подвергнут сплав, наметить температурные интервалы ее проведения. Используя диаграммы можно при различных температурах и для различных сплавов найти число фаз, определить их хим. состав, количественное соотношение. Диаграммы не позволяют судить о механизме превращений и их кинетике.

Рассмотрим несколько примеров

Неограниченная растворимость компонентов в твердом растворе. Cплавы Cu-Ni (см. рис)

Любые сплавы этой системы не претерпевают ФП при нагреве. Осуществим только отжиг 1 рода, неогр растворимость позволяет проводить ХТО, насыщать сплав А комп. В

В случае ограниченной растворимости компонентов в тв. растворе (сплавы Cu-Mg, Al-Cu) Диаграмма Cu-Mg(см. рис). Сплавы до Al-1,4Mg –отжиг1 рода. Для сплавовAl-1,4+17,4Mg характерно изменение растворимости магния в меди при повышении температуры, их можно подвергать отжигу 2 рода и закалке. Нагреве до 400 приведет к образованию α--тв. р-ра, при медленном охл ниже линии начнет выделяться бета-фаза Mg2Al3, реализуется отжиг 2рода. Если сплав резко переохладить, то можно сохранить высоко температурное состояние при комн. температуре. Возникает пересыщенный тв. р-р, сл-но, осуществима истинная закалка. Закаленный сплав можно подвергнуть старению, нагрев ниже линии, тогда из пересыщ. тв. р-ра выделится избыточная фаза. Для сплавов состава более Сu-17,4Mg, при нагреве часть бета-фазы остается нерастворимой. При быстром охл. (отжиг 2 рода) происходит ее выделение, а состав тв. раствора меняется в соответственно с линей диаграммы.

Сплавы железа и стали имеют полиморфные превращения, эвтектоидные превращения подвергаются всем различным видам ТО.

Полиморфизм наблюдается у железа, титана, урана, олова, углерода. У железа 2 модификации α Fe (ОЦК)феррит (комн - 9110С) и γ Fe(ГЦК)аустенит -911-13920С

Диаграмма Fe-C (см. рис.)

Критические точки железа

Точка А3 - температура равновесия αFe (ОЦК)- γFe(ГЦК) -9110С

Точка А4 - температура равновесия γFe (ГЦК)- δFe(ОЦК) -13920С

Положение точек А3 и А4 зависит от содержания углерода (линии GS, NI), который образует в феррите и аустените тв. р-ры внедрения.

Критические точки стали

Температура трехфазного равновесия аустенит-феррит-карбид 7270С точка А1 не зависит от содержания С.

Точка А1 (линия PSK) -температура эвтектоидного превращения: при медленном охлаждении аустенит состава S превращается в феррит состава Р и цементит, при медленном нагреве реакция идет в обратном направлении.

Точка А3 (линия GS) - начало выделения феррита из аустенита при медленном охлаждении или конец превращения феррита в аустенит при медленном нагреве. А1-А3 – межкритический интервал.

Точка Аст (линия SE) - начало выделения цементита из аустенита при медленном охлаждении или окончание растворения цементита в аустенита в аустените при медленном нагреве.

Точка А2 (7680С) - температура перехода феррита из ферромагнитного в парамагнитное состояние при нагреве или охлаждении.

Кр. точки, определенные при нагреве обозначаются Ас1,Ас3, при охлаждении Аr1.

ФП по концентрационному признаку делятся на диффузионные (образование новой фазы сопровождается перераспределение компонентов) и бездиффудионные (концентрационных. изменений не происходит). В зависимости от характера перестройки решетки различают нормальное и сдвиговое мартенситные превращения. НМП - перемещение атомом не упорядочено, процесс требует значительной энергии активации, сильно зависит от темп. При СМП превращение перемещение осуществляется упрядоченно кооперативно на расстояние превышающие межатомные.

При ТО сталей протекают 4 основные превращения

перлит - аустенит, аустенит-→-перлит, аустенит -→- мартенсит, мартенсит-→ - перлит.

Перлит (феррито-карбидная структура)-→-аустенит при нагреве при нагреве выше А1. Превращения при охл. ниже А1 зависит от температуры переохлаждения и осущ. по различным механизмам. Некоторое время ниже А1 аустенит может оставаться непревращенным, его наз. переохлажденным аустенитом.

Перлитное превращение (диффузионноепревращение) - распад аустенита при небольших переохлаждениях ниже А1 с образованием феррито-карбидной структуры.

Мартенситное – бездиффузионное сдвиговое превращение переохлажденного аустенита при быстром большом переохлаждении ниже А1 (точка начала Мн). В углеродистых сталях мартенсит это пересыщенный тв. раствор внедрения углерода в α-Fe (решетка ОЦК превращается ОЦТ).

Мартенсит –метастабильная фаза, при нагреве ниже А1 распадпется с образованием феррито-перлитной смеси.

В температурной области, лежащей ниже интервала перлитного превращения, но выше Мн протекает промежуточное или бейнитное превращение. Оно носит черты как дифф., так и бездифф. сдвигового превращения.