Машиностроительные стали специального назначения

10.Анализ диаграммы сплавов Fe-Fе ₃ С (схема)

На диаграмме Fe – Fe ₃ C можно выделить две области по содержанию углерода: стали – с содержанием углерода от 0 до 2,14% и чугуны – с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% (рис. 1).

Рассмотрим фазовые превращения при охлаждении сплавов с различным содержанием углерода (см. рис. 1). Для упрощения допускаем, что фазовые превращения начинаются на соответствующих линиях, в действительности происходят ниже, так как запас свободной энергии новой и старой фаз на соответствующих линиях одинаков. Однако чтобы происходило фазовое превращение, необходим меньший запас свободной энергии новой фазы, чем старой, что достигается переохлаждением сплава ниже соответствующей линии. Метастабильную диаграмму состояния Fe – Fe ₃ C рассматриваем от высоких температур расплавленного раствора до комнатной (20°С).

Линия ABCD – линия ликвидус, от которой начинается процесс кристаллизации и выше которой сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AHJECF – линия солидус, на которой заканчивается процесс кристаллизации. Ниже линии солидус все сплавы находятся в твердом состоянии.

В сплавах, содержащих до 0,1% углерода (до точки Н, см. рис. 1), при охлаждении происходит кристаллизация Fe_δ (C) с последующим превращением его в аустенит. В сплавах, содержащих 0,1... 0,5% углерода (до точки В, см. рис. 1), образование аустенита происходит по линии HJB при 1499°С.

Таким образом все сплавы, содержащие до 2,14% углерода, после окончания кристаллизации жидкого раствора имеют структуру аустенита.

Сплавы, с содержанием углерода меньше 0,02%, расположены левее точки P и представляют собой технически чистое железо. После кристаллизации аустенита при его охлаждении до точки на линии GS в сплаве никаких фазовых превращений не происходит: аустенит просто охлаждается. На линии GS начинается перестройка решетки аустенита (г.ц.к.) в решетку феррита (о.ц.к.) с изменением содержания углерода в обоих твердых растворах: по мере охлаждения состав аустенита изменяется по линии GS, а состав феррита – по линии GP. Состав сплавов и количество фаз для сплавов системы Fe – Fe ₃ C определяют и рассчитывают по правилу отрезков. В точке А ₁ на линии GP вторичное превращение заканчивается и до точки на линии PQ происходит охлаждение образовавшегося феррита. Ниже линии OP сплавы находятся в области двухфазного состояния Ф+Ц. Линия PQ (см. рис. 1) – линия переменной растворимости углерода в решетке феррита от 0,02 до 0,006%. Этот избыточный углерод образует с железом химическое соединение Fe ₃ C, т.е. Ц_III (цементит третичный, в отличие от цементита вторичного Ц_II). При обычном охлаждении Ц_III выделяется главным образом внутри зерен в виде очень дисперсных включений, увеличивая прочность феррита. Если охлаждение проводить медленно, то Ц_III будет выделяться по границам зерен феррита.

11.Основы ХТО Химико-термическая обработка (ХТО) стали - совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах. Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо. Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С<0,2%) или легированных сталей при температурах 900...950°С - твердым (цементация твердым карбюризатором), а при 850...900°С - газообразным (газовая цементация) углеродом с последующей закалкой и отпуском. Цель цементации и последующей термической обработки - повышение твердости, износостойкости, также повышением пределов контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает выносливость изделия в целом при изгибе и кручении. Детали, предназначенные для цементации, сначала очищают. Поверхности не подлежащие науглероживанию, покрывают специальными предохранительными противоцементными обмазками. 1-ый состав простейшей обмазки: огнеупорная глина с добавлением 10% асбестового порошка, вода. Смесь разводят до консистенции густой сметаны и наносят на нужные участки поверхности изделия. После высыхания обмазки можно производить дальнейшую цементацию изделия. 2-ой состав применяемой обмазки: каолин - 25%, тальк - 50%: вода - 25%. Разводят эту смесь жидким стеклом или силикатным клеем. Цементацию делают после полного высыхания обмазки. Вещества, которые входят в состав обмазки, называют карбюризаторами. Они бывают твердые, жидкие и газообразные. В условиях домашней небольшой мастерской удобнее осуществлять цементацию с помощью пасты. Это цементация в твердом карбюризаторе. В состав пасты входят: сажа - 55%, кальцинированная сода - 30%, щавелевокислый натрий - 15%, вода для образования сметанообразной массы. Пасту наносят на нужные участки изделия, дают высохнуть. Затем изделие помещают в печь, выдерживая при температуре 900-920°С в течение 2-2,5 часов. При использовании такой пасты цементация обеспечивает толщину науглероженного слоя 0,7-0,8 мм. Жидкостная цементация также возможна в небольшой мастерской при наличии печи-ванной, в которой и происходит науглероживание инструментов и других изделий. В состав жидкости входят: сода - 75-85%, 10-15% хлористого натрия, 6-10% карбида кремния. Печь-ванну наполняют этим составом и погружают изделие или инструмент. Процесс протекает при температуре 850-860°С в течение 1,5-2 часов; толщина науглероженного слоя достигает при этом 0,3-0,4 мм. Газовую цементацию производят в смеси раскаленных газов, содержащих метан, окись углерода в специальных камерах при температуре 900-950°С и только в производственных условиях. После цементации детали охлаждают вместе с печью, затем закаляют при 760-780°С е окончательным охлаждением в масле. Азотирование стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением стали азотом путем длительной выдержки ее при нагреве до б00...650°С в атмосфере аммиака NН₃. Азотированные стали обладают очень высокой твердостью (азот образует различные соединения с железом, алюминием, хромом и другими элементами, обладающие большей твердостью, чем карбиды). Азотированные стали обладают повышенной сопротивляемостью коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар. Азотированные стали сохраняют высокую твердость, в отличие от цементованных, до сравнительно высоких температур (500...520°С). Азотированные изделия не коробятся при охлаждении, так как температура азотирования ниже, чем цементации. Азотирование сталей широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например, зубчатых колес, валов, гильз цилиндров. Нитроцементация (цианирование) стали - химико-термическая обработка с одновременным поверхностным насыщением изделий азотом и углеродом при повышенных температурах с последующими закалкой и отпуском для повышения износо- и коррозионной устойчивости, а также усталостной прочности. Нитроцементация может проводиться в газовой среде при температуре 840..860°С - нитроцианирование, в жидкой среде - при температуре 820...950°С - жидкостное цианирование в расплавленных солях, содержащих группу NaCN. Нитроцементация эффективна для инструментальных (в частности, быстрорежущих) сталей; она используется для деталей сложной конфигурации, склонных к короблению. Однако, поскольку этот процесс связан с использованием токсичных цианистых солей, он не нашел широкого распространения. Борирование стали - химико-термическая обработка насыщением поверхностных слоев стальных изделий бором при температурах 900...950°С. Цель борирования - повышение твердости, износостойкости и некоторых других свойств стальных изделий. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fе₂В, обладает весьма высокой твердостью, стойкостью к абразивному изнашиванию и коррозионной стойкостью. Борирование особенно эффективно для повышения стойкости (в 2...10 раз) бурового и штампового инструментов. Цинкование (Zn), алюминирование (Аl), хромирование (Сr), силицирование (Si) сталей выполняются аналогично цементации с целью придания изделиям из стали некоторых ценных свойств: жаростойкости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В настоящее время все большее распространение получают процессы многокомпонентного диффузионного насыщения.

12.Связь свойств сплавов с типом ДС Как известно, вид диаграммысостояния зависит от того, какие фазы образуют оба компонента. Свойствасплава также зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава. Поэтому очевидно, что между видом диаграммысостояния и свойствамисплава должна существовать определенная связь. На рис. приведены четыре основных типа диаграммсостояний и соответствующие им закономерности изменения свойствсплава с изменением концентрации:

1. При образовании смесей (рис. а) Свойствасплава изме няются по линейному закону (аддитивно). Следовательно, значени свойствсплава находятся в интервале между свойствами чистых ком понентов.

2. При образовании твердых растворов (рис. б)свойств сплава изменяются по криволинейной зависимости, причем некото рые свойства, в первую очередь электросопротивление, могут значи тельно отличаться от свойств компонентов. Следовательно, при образовании механической смесиэлектросопротивление повышается незначительно, при образовании твердого раствора — весьма сильно. Поэтому распад твердого раствора на две (или более) фазы приводит к повышению электропроводности (закон Курнакова).

3. При образовании ограниченных твердых растворов (рис. в) свойства в интервале концентраций, отвечающем однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному, а в двухфазной области диаграммы — по прямолинейному закону, причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь.

4. При образовании химического соединения на диаграммеконцентрация — Свойства (рис. г) концентрация химического соединения отвечает максимуму (или минимуму) на кривой (в данном случае перелом прямой). Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной (особой) точкой. По диаграммесостав —свойства находим стехиометрическое соотношение компонентов данного химического соединения определяя, какой концентрации отвечает сингулярная точка.

Точное изучение свойств в зависимости от изменения концентраций (т. е. построение диаграммы состав—свойства) является важным дополнением при изучении и построении диаграмм состояний.

Метод изучения изменений свойств в зависимости от изменения состава и построения диаграммысостав — Свойства был положен Н. С. Курнаковым в основу разработанного им физико-химического анализа сплавов. В настоящее время физико-химический анализ является одним из основных методов изучения сплавов и его широко применяют в научных исследованиях новых сплавов при изучении структурныхпревращений и в других случаях.

 

 

 

Отпуск и другие виды ТО

Термическая обработка металлов и сплавов — процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении. Виды термической обработки Среди основных видов термической обработки следует отметить: Отжиг (гомогенизация и нормализация). Целью является получение однородной зёренной микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита. Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала. Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности. Дисперсионное твердение (старение). После проведения отжига проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц. О́тпуск — технологический процесс, заключающийся в термической обработке закалённого на мартенсит сплава или металла, при которой основными процессами являются распад мартенсита, а также полигонизация и рекристаллизация. Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности. Для этого изделие подвергается нагреву в печи до температуры от 150—260 °C до 370—650 °C с последующим медленным остыванием. Низкотемпературный отпуск Проводят при температурах до 250 °C. Закалённая сталь сохраняет высокую износостойкость, однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдержит высоких динамических нагрузок. Такому отпуску подвергают режущие и измерительные инструменты из углеродистых и низколегированных сталей. Среднетемпературный отпуск Проводят при температурах 350—500 °C и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости, а также релаксационную стойкость. Охлаждение после отпуска проводят при температурах 400—500 °C в воде, после чего возникают сжимающие остаточные напряжения, которые увеличивают предел выносливости пружин. Высокотемпературный отпуск Проводят при температурах 500—680 °C. При этом остается высокая прочность и пластичность, а также максимальная вязкость. Высокому отпуску подвергают детали, воспринимающие ударные нагрузки (зубчатые колеса, валы). Зака́лка — вид термической обработки изделий из металлов и сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т. е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением, как правило, в жидкости (воде или масле). Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов. Материал, подвергшийся закалке приобретает бо́льшую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала. ^[1]

В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30 - 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK (см. диаграмму железоуглеродистых сплавов), в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей Закалка снимается отпуском материала. Отжиг — вид термической обработки металлов и сплавов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для повышения обрабатываемости, улучшение структуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений. ^[1] Виды отжига По классификации А. А. Бочвара различают 2 вида отжига: Отжиг 1-го рода — без фазовой перекристаллизации — применяется для приведения металла в более равновесное структурное состояние: снимается наклёп, понижается твёрдость, возрастают пластичность и ударная вязкость, снимаются внутренние напряжения (в связи с процессами отдыха и рекристаллизации). Отжиг 2-го рода осуществляется с фазовой перекристаллизацией: сталь нагревается до температуры выше критических точек, затем следует выдержка различной продолжительности и последующее сравнительно медленное охлаждение.

Полный и неполный отжиг Полный отжиг заключается в нагреве стали на 30—50 °C выше верхней критической точки для полного превращения структуры стали в аустенит и последующем медленном охлаждении до 500—600 °C для образования феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50—100 °C/ч. Если охлаждение ведётся на воздухе, происходит нормализация. Неполный отжиг заключается в нагреве до температур между нижней и верхней критическими точками и последующем медленном охлаждении.

Изотермический отжиг Для легированных сталей применяют изотермический отжиг, состоящий в нагреве выше верхней критической точки А3 область избыточного аустенита, выдержке, охлаждении до температуры ниже нижней критической точки А1, выдержке, достаточной для полного превращения аустенита в перлит, и охлаждении до комнатной температуры.

Диффузионный отжиг Диффузионный отжиг состоит в нагреве до температур, значительно превосходящих критические точки, и продолжительной выдержке; используется для выравнивания неоднородностей распределения элементов по объёму изделия. Диффузионный отжиг приводит к достижению более однородных свойств по объёму изделия и особенно улучшению механических свойств в поперечном (по отношению к прокатке) направлении. В необходимых случаях для предотвращения обезуглероживания стали производят отжиг в защитных атмосферах.

 

 

14.Кристаллизация сталей и чугунов Сущность процесса кристаллизации стали заключается в переходе ее из жидкого состояния в твердое. Жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. В зависимости от условий свойства жидкости приближаются к свойствам газов или твердых тел. Чем ближе температура.жидкости к температуре кипения, тем ближе ее свойства к свойствам газов и наоборот — вблизи точки затвердевания они ближе к свойствам твердых тел. При выплавке и разливке стали ее температура не превышает более чем на 200° температуру плавления и значительно дальше отстоит от температуры кипения (температура кипения железа по данным различных исследований лежит вблизи 2900—3000° С). Кроме того, переход из жидкого в твердое состояние сопровождается менее резким изменением термодинамических характеристик, чем при переходе из жидкого в газообразное.

При охлаждении жидкости до температуры плавления кристаллизация начинается не сразу. При температуре плавления кристаллические образования непрочны и легко разрушаются. Для образования первичных устойчивых кристаллов необходимо так называемое переохлаждение, т. е. некоторое снижение температуры ниже точки плавления. Однако переохлаждение является необходимым, но не всегда достаточным условием для начала кристаллизации. В отдельных опытах удавалось охлаждать жидкий металл значительно ниже температуры его плавления.

В тщательно ошлакованном кислом тигельке при условии полного покоя технически чистое железо удалось переохладить на 250°. Однако встряхивание или введение извне кристаллика, или наличие шероховатости на стенках тигля приводят к развитию кристаллизации уже при малых величинах переохлаждения. Следовательно, кроме наличия переохлаждения, для быстрого развития кристаллизации необходимы также центры зарождения. В качестве центра зарождения (вокруг которого начинается рост кристалла) могут служить произвольно возникшие в жидкости первичные кристаллики. Однако интенсивность зарождения таких кристалликов очень мала, значительно чаще «затравками» служат посторонние кристаллические тела. В реальных условиях, в частности в жидкой стали, всегда имеются взвешенные частички механических примесей или продуктов раскисления, которые и выполняют роль центров кристаллизации. Роль таких затравок при кристаллизации выполняют также шероховатые стенки изложницы или другой литейной формы. Кроме того, движение стали при заполнении формы и быстрое переохлаждение ее при соприкосновении со стенками изложницы способствуют активному зарождению центров кристаллизации и высокой скорости кристаллизации. Свободно растущий кристалл может приобрести форму или правильного многогранника, или кристаллического образования древовидной формы — дендрита. Дендрит правильной формы образуется в том случае, если создаются благоприятные условия роста кристалла лишь по избранным направлениям.

В реальных условиях затвердевания слитка правильная форма кристаллов практически не встречается, так как ее развитию мешают растущие параллельно соседние кристаллы. (Исключение составляет, например, кристаллизация стали в зоне усадочной раковины, где относительный объем велик, а масса металла недостаточна). По этим же причинам дендриты не приобретают правильной формы и наблюдаются в слитке в искаженном виде. В результате в изломе или в протравленном шлифе структура слитка представляет собой плотно расположенные зерна большей или меньшей величины.

Процесс выделения графита при кристаллизации называется графитизацией. Кристаллизация графита из жидкой фазы наблюдается при малой скорости охлаждения. Чаще всего при кристаллизации чугуна образуется цементит, и графитизация происходит в твердом состоянии. В этом случае образование графита состоит из следующих накладывающихся стадий: распада цементита и растворения углерода в аустените; образования центров графитизации в аустените; диффузии атомов углерода в аустените к центрам графитизации; роста выделений графита. Образование графита ведет к резкому уменьшению количества или к полному устранению цементита и к снижению твердости чугуна.

15.Технология ТО сталей Отжигу подлежат, как правило, стальные отливки, горячекатаные и штамповые заготовки, поковки. В том случае, когда изделия после изготовления резанием подвергаются последующему термическому упрочнению, отжиг и нормализация являются промежуточными видами термической обработки. Если последующего термического упрочнения изделий не требуется, то отжиг и нормализация относятся к окончательным видам термообработки.На рис. 51 приведены виды отжига, имеющие наиболее широкое использование в промышленности.

Диффузионный (гомогенезирующий) отжиг предназначен для устранения химической неоднородности (ликвации), возникающей при кристаллизации. Такому отжигу подвергаются в основном слитки или отливки из легированных сталей. Это объясняется тем, что скорость диффузии углерода, растворенного в аустените, на несколько порядков больше скорости диффузии легирующих элементов. Режим гомогенезирующего отжига: нагрев до температуры 1050…1200 С, выдержка при отмеченной температуре 8…10 час. и последующее медленное охлаждение. Крупное зерно, возникающее в процессе отжига, устраняется другими видами термообработки. Рекристаллизационный отжиг применяется для устранения наклепа после холодной пластической деформации. Этот вид отжига чаще используется как промежуточная операция для снятия наклепа между операциями холодного деформирования. Для углеродистых сталей с содержанием углерода 0,08…0,2 % (наиболее часто подвергаемых обработке давлением) температура нагрева при отжиге составляет 680…700 С. Отжиг калиброванных прутков из высокоуглеродистых легированных сталей проводится при 680…740 С в течение 0,5…1,5 часов.

Отжиг для снятия остаточных напряжений. Такому отжигу подвергаются отливки, сварные изделия, изделия после обработки резанием, правки и др., в которых возникают внутренние (остаточные напряжения). Остаточные напряжения часто вызывают коробление изделий, а складываясь с внешними (даже незначительными) напряжениями могут привести к разрушению. Для снятия напряжений чаще всего используется отжиг при температуре 550…650 С. Время выдержки составляет несколько часов. Скорость нагрева и особенно охлаждения должна быть небольшой, чтобы исключить возможность образования новых остаточных напряжений. Полный отжиг наиболее часто применяется для доэвтектоидных сталей. Изделия нагреваются до температуры на 30…50 С выше критической точки Ас₃ для полной перекристаллизации исходной структуры. После такого нагрева аустенит становится мелкозернистым, что при последующем замедленном охлаждении дает возможность получения мелкозернистой ферритно-перлитной структуры. Если при отжиге нагрев произвести значительно выше Ас₃, то зерна аустенита могут вырасти до крупных размеров и при дальнейшем охлаждении образуется грубая структура, состоящая из крупных зерен феррита и перлита. Такая сталь обладает пониженной пластичностью. Таким образом, основным назначением полного отжига является измельчение зерна доэвтектоидной стали, повышение пластических свойств, улучшение обрабатываемости резанием. Неполный отжиг применяется для заэвтектоидных сталей. При таком отжиге сталь нагревается до температуры на 30…50 С выше Ас₁ (740…770 С), при которой сохраняется вторичный цементит. После охлаждения цементит получается в виде зерен. Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, в результате которой цементитная сетка дробится. Сталь с зернистым цементитом лучше обрабатывается режущим инструментом и приобретает хорошую структуру после закалки. Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется редко, так как в этом случае полной перекристаллизации не происходит и часть зерен феррита остается в том же виде, что и до отжига. Такой вид термообработки проводится только в том случае, когда исправление структуры не требуется, а необходимо только понижение твердости. Если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым, проводится так называемый циклический отжиг, при котором сталь нагревается до температуры немного выше Ас₁, с последующим охлаждением до температуры чуть ниже Аr₁ (~680 С) c повторением этого цикла несколько раз. Изотермический отжиг используется для улучшения обрабатываемости легированных сталей. Порядок отжига следующий. Сталь нагревается на 30…50 С выше Ас₃, охлаждается до температуры немного ниже Аr₁, изотермическая выдержка при этой температуре для получения равновесной перлитной структуры и последующее охлаждение на воздухе. При отжиге легированных сталей увеличиваются не только продолжительность нагрева и выдержки, но также и продолжительность охлаждения. И все-таки их твердость после отжига остается достаточно высокой, что ухудшает обрабатываемость резанием. 4.3.2. Нормализация Нормализация чаще всего применяется как промежуточная операция, улучшающая структуру. В некоторых случаях она используется как окончательная термическая обработка (например, при изготовлении сортового проката – швеллеров, тавров, рельсопроката и др.). При нормализации сталь нагревается до температуры на 30…50 С выше Ас₃ или Аст, выдерживается для прогрева и охлаждается на спокойном воздухе. В результате получается тонкая структура перлита или сорбита, уменьшаются внутренние напряжения. Нормализация является более экономичной операцией, чем отжиг. Ее широко используют вместо закалки и отпуска для улучшения свойств крупногабаритных стальных отливок, устранении дефектов предыдущих технологических операций, в подготовке структуры с целью улучшения обрабатываемости режущим инструментом, улучшения штампования в холодном состоянии, а также в подготовке структуры к последующим видам окончательной термической обработки. 4.3.3. Закалка При закалке, как правило, стремятся к тому, чтобы получить структуру мартенсита, имеющего высокую твердость. При последующем отпуске можно повысить пластичность стали за счет снижения твердости. Структуры, полученные при отпуске мартенсита, имеют лучшие механические свойства, чем структуры, полученные при изотермическом распаде аустенита. При этом их твердость остается практически одинаковой. В зависимости от температуры нагрева закалка подразделяется на полную и неполную. При полной закалке доэвтектоидной стали она нагревается до температуры аустенитного состояния (на 30…50 С выше Ас₃) и после выдержки охлаждается со скоростью не менее критической. В результате мелкозернистый аустенит превращается в мелкоигольчатый мартенсит.

При неполной закалке доэвтектоидной стали нагрев производится до температур между Ас₁ и Ас₃, при которой в структуре сохраняется доэвтектоидный феррит. При дальнейшем охлаждении со скоростью V_КР аустенит превращается в мартенсит, а феррит остается. Такая структура, при некотором снижении твердости и прочности, обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали. Заэвтектоидные стали обычно используются для изготовления инструмента, имеющего наиболее высокую твердость. Поэтому если такие стали подвергать полной закалке (нагрев выше Аст), то формируется дефектная структура грубоигольчатого мартенсита со значительным количеством остаточного аустенита, что резко уменьшает твердость. Поэтому для заэвтектоидных сталей применяется неполная закалка с нагревом до температуры на 30…50 С выше Ас₁. После резкого охлаждения образуется структура, состоящая из мартенсита и цементита. Твердость цементита выше твердости мартенсита, поэтому заэвтектоидные стали при неполной закалке имеют твердость более высокую, чем при полной. Благодаря тому, что нагрев осуществляется ниже Аст, уменьшается рост зерна, снижаются термические напряжения при закалке. Наиболее благоприятная структура закаленной заэвтектоидной стали достигается тогда, когда вторичный цементит имеет зернистую форму. Цементитная сетка по границам зерен недопустима, так как увеличивает хрупкость. Поэтому перед закалкой сталь необходимо подвергать соответствующему отжигу. Время нагрева детали при закалке зависит от габаритов детали и теплопроводности стали. Чаще всего оно определяется экспериментально. Способ охлаждения зависит от формы закаливаемого изделия, его размеров и химического состава стали. Чем сложнее форма и больше сечение детали, чем выше содержание углерода в стали, тем больше опасность деформации, выше возникающие напряжения и вероятнее возможность появления трещин. Наиболее простой способ закалки – использование одного охладителя, когда нагретое изделие остается в охлаждающей жидкости до полного охлаждения (кривая 1, рис. 52). Однако недостатком этого способа является появление значительных внутренних напряжений. Поэтому для деталей из углеродистых сталей сечением более 5 мм в качестве закалочной среды рекомендуется вода, а при меньших размерах и для легированных сталей – масло.

Для уменьшения внутренних напряжений применяется охлаждение в двух средах (кривая 2), при котором деталь сначала охлаждается в воде до 350…400 С, а затем переносится для полного охлаждения в масло. Недостатком этого способа является трудность регулирования времени выдержки в первой охлаждающей жидкости. Наиболее благоприятные условия для регулирования времени выдержки в первой охлаждающей жидкости достигаются при ступенчатой закалке (кривая 3). В этом случае деталь быстро охлаждается в соляной ванне с температурой, превышающей температуру начала мартенситного превращения (Мн) на 30…50 С. После выдержки для достижения одинаковой температуры по всему сечению, дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе. Такая технология закалки способствует резкому снижению внутренних напряжений и возможности коробления детали. В то же время, из-за низкой скорости охлаждения в нагретой среде, в центральных областях крупногабаритных изделий скорость охлаждения может оказаться ниже критической. Поэтому максимальный размер деталей из углеродистых сталей, закаливаемых этим способом, не должен превышать 10 мм, а легированных 20…30 мм. В тех случаях, когда после закалки на мартенсит и последующего отпуска не удается достичь достаточной прочности и вязкости, осуществляется изотермическая закалка на бейнит. Для этого нагретая деталь помещается в соляную ванну с температурой на 50…100 С выше мартенситной точки Мн, выдерживается до завершения превращения аустенита в бейнит и охлаждается на воздухе (кривая 4). Такая закалка может применяться только для сталей, обладающих достаточной устойчивостью переохлажденного аустенита. 4.3.4. Отпуск закаленной стали Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости, снижение внутренних напряжений закаленной стали. Отпуск является окончательной операцией термической обработки и заключается в нагреве до температуры ниже критической точки Ас₁, выдержке при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе). Отпуск может быть низким, средним и высоким. При низком отпуске (температура нагрева 150…250 С) из мартенсита закалки выделяется углерод и образует очень мелкие пластинки метастабильного карбида железа, называемого -карбидом, имеющим гексагональную решетку и химический состав, близкий к Fe₂C. Решетки мартенсита и пластинки -карбида имеют общие слои атомов по границам фаз, т.е. имеет место когерентность (соответствие) решеток. Образовавшийся в результате такого превращения мартенсит называется мартенситом отпуска и представляет собой смесь пересыщенного твердого раствора углерода в -железе и карбида, еще не отделившегося от решетки мартенсита. Низкому отпуску подвергается в основном режущий и мерительный инструменты, а также машиностроительные изделия, которые должны иметь высокие твердость и износостойкость, но не подвергаемые существенным ударным и знакопеременным нагрузкам. Средний отпуск проводится при температуре 350…450 С. Основное назначение – некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости. Такие свойства достигаются за счет полного распада мартенсита на феррито-цементитную смесь и одновременным превращением -карбидов в цементит Fe₃C. В результате образуется структура троостит отпуска – высокодисперсная феррито-цементитная смесь, в которой цементит имеет зернистое строение. При высоком отпуске закаленная сталь нагревается до температуры 500…650 С. При этой температуре никаких новых превращений не происходит, но интенсивно протекают процессы сфероидации (скругления) и коагуляции (укрупнения) частиц цементита. В результате феррито-цементитная смесь становится более укрупненной, менее дисперсной, с зернистой формой частиц цементита. Структура, образованная в результате высокого отпуска, называется сорбитом отпуска и применяется для конструкционных сталей, детали из которых подвергаются воздействиям высоких напряжений и ударных нагрузок. Закалка с последующим высоким отпуском является основным видом термической обработки конструкционных сталей и называется улучшением. При дальнейшем повышении температуры нагрева (650…700 С) образуется зернистый перлит, который является наиболее равновесной структурой. При одинаковых значениях временного сопротивления сталь, имеющая зернистую структуру, обладает большей пластичностью по сравнению со сталью, имеющей пластинчатую структуру.

Углеродистые стали

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода (С) при малом содержании других элементов. Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Углеродистые стали можно классифицировать по нескольким параметрам: По качеству По способу раскисления (см. ниже) По качеству Стали обыкновенного качества Изготавливаются по ГОСТ 380-71. Обозначают буквами Ст и условными номерами от 0 до 6, например: Ст 0, Ст 1,..., Ст 6. Степень раскисления обозначают буквами сп (спокойная сталь), пс (полу­спокойная), кп (кипящая), которые ставят в конце обозначения марки стали. В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. В марках указывают только группы Б и В, группу А не указывают. Группа А поставляются только по механическим свой­ствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя. Стали этой группы обычно используются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше ее прочность и меньше пла­стичность. Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются. Знание химического состава стали позволяет определить температурный режим горячей обработки давлением и термообработки. Группа В могут подвергаться сварке. Их поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Стали этой группы маркируются буквой В и цифрой, например — В СтЗпс. Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав — номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления. Качественные углеродистые стали Этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050—74. Качественные стали поставляют и по химическому составу, и по механическим свойствам.. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %), неметаллических вклю­чений и газов, макро- и микроструктуры. Качественные углеро­дистые стали маркируют двузначными цифрами 08, 10, 15,..., 85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях про­цента с указанием степени раскисленности (кп, пс). Качественные стали делят на две группы: с обычным содержанием марганца (до 0,8 %) и с повышенным содержанием (до 1,2 %). При обозна­чении последних в конце марки ставится буква Г, например 60 Г. Марганец повышает прокаливаемость и прочностные свойства, но несколько снижает пластичность и вязкость стали. При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается. По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются: низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С) высокоуглеродистые (0,6—0,85 % С). Для изделий ответственного назначения применяют высоко­качественные стали с еще более низким содержанием серы и фос­фора. Низкое содержание вредных примесей в высококачествен­ных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производ­ство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высоко­качественных сталей в конце марки добавляется буква А, напри­мер сталь У10А. Углеродистые стали, содержащие 0,7—1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их марки­руют У7, У13, где У означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.

По способу раскисления Кипящие
Содержат до 0,05% кремния, раскисляются марганцем. Имеют резко выраженную химическую неоднородность в слитке. Их преимущества – высокий выход годного продукта (более 95%), хорошая способность к штамповке в холодном состоянии. Недостатки –повышенный порог хладноломкости и невозможность широкого использования для территорий с холодным климатом. Полуспокойные
Содержат 0,05- 0,15% кремния, раскисляются марганцем и алюминием, выход годного продукта –90-95%. Спокойные
Содержит 0,15-0,35% кремния, раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного – около 85%, однако, металл имеет более плотную структуры и однородный химический состав.

17.Превращения в сталях при ТО Превращения в стали при нагреве и охлаждении 4.2.1. Перлитное превращение аустенита4.2.2. Мартенситное превращение 4.2.3. Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита Рассмотрим превращения на примере эвтектоидной стали. В соответствии с диаграммой Fe-Fe₃C при нагреве стали перлит превращается в аустенит при температуре 727 С (критическая точка Ас₁). Однако в реальных условиях такое превращение при отмеченной температуре происходить не может, так как в данном случае имеет место равенство свободных энергий (Е) перлита и аустенита, т.е. температура Ас₁ является равновесной (рис. 46). Следовательно, для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше 727 С, а для превращения аустенита в перлит – немного ниже. Другими словами должны иметь место перенагрев (в первом случае) и переохлаждение – во втором. От этих параметров во многом зависит величина зерна, а, соответственно, и свойства продуктов превращений.

4.2.1. Перлитное превращение аустенита При медленном охлаждении эвтектоидной стали, нагретой выше температуры Ас₁, аустенит распадается на механическую смесь феррита и цементита, то есть образуется перлит. Повышая скорость охлаждения, т.е. увеличивая степень переохлаждения, можно изменить механизм и кинетику превращения и, соответственно, структуру и свойства продуктов распада. Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяются на перлитное, промежуточное и мартенситное. Кинетику распада удобнее всего рассматривать при изотермических условиях по диаграммам изотермического распада аустенита (рис. 47). Диаграммы строятся на основе экспериментальных данных в координатах температура – время (по логарифмической шкале). Образцы, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносятся в ванны, имеющие температуры ниже равновесной и выдерживаются до полного превращения. При этом фиксируются изменения какого-нибудь свойства (например, аустенит парамагнитен, а продукты распада аустенита ферромагнитны), тем самым, определяя время начала и конца превращений. Соединяя точки, соответствующие началу (а₁, а₂…а_n) и концу (в₁, в₂…в_n) превращений получают две
С-образные кривые, разделяющие диаграмму на три области: область, находящаяся левее С-образных кривых, соответствует переохлажденному аустениту; область, расположенная между кривыми – область, в которой происходят превращения; область, лежащая правее С-образных кривых, соответствует продуктам распада аустенита.

Горизонтальными линиями отмечаются области, соответствующие устойчивому аустениту и образования мартенсита. Линия Мн соответствует температуре начала образования мартенсита, а Мк – конца образования. Превращение аустенита при температурах в интервале Аr₁…550 С называется перлитным, а интервале 550 С…Мн – промежуточным. При перлитном превращении в результате распада аустенита образуются пластинчатые структуры перлитного типа, строение которых зависит от температур превращения. Если превращение происходит при температурах чуть ниже Аr₁ (при малых степенях переохлаждения), образуется сравнительно грубая смесь пластинок феррита и цементита с межпластиночным расстоянием l = 0,6…1 мкм. Такая смесь называется собственно пластинчатым перлитом. При увеличении степени переохлаждения, когда превращение совершается при 640…590 С, возникает феррито-перлитная смесь с межпластинчатым расстоянием 0,25…0,3 мкм. Такая структура называется сорбитом [от имени англ. ученого Г.К. Сорби (Н.С. Sorby)]. При степени переохлаждении 150…180 С межпластинчатое расстояние уменьшается до 0,1…0,15 мкм. Такая структура называется трооститом [от имени франц. ученого Л.Ж. Труста (L.-J. Troost)]. При увеличении дисперсности феррито-цементитной смеси повышаются прочность и твердость стали, но уменьшается вязкость. Наилучшую пластичность и вязкость имеет структура сорбита. 4.2.2. Мартенситное превращение Область образования мартенсита на диаграмме изотермического распада аустенита показана условно, так как не только в эвтектоидной, но и в подавляющем большинстве сталей мартенситное превращение в изотермических условиях не происходит. Оно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур Мн…Мк. В случае любой изотермической выдержки в этом интервале температур превращение реализуется не до конца, что приводит к наличию в структуре остаточного аустенита, т. е. происходит его стабилизация. Характерной особенностью мартенситного превращения является его бездиффузионный характер. При большой степени переохлаждения углерод не успевает диффундировать из решетки аустенита и образовать частицы цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Однако полиморфное превращение Fe_Fe_ протекает и углерод остается в решетке -железа в большом количестве. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Такое пересыщение вызывает изменение объемноцентрированной кубической решетки в тетрагональную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллепипед (рис. 48). Атомы углерода в такой ячейке располагаются или в междоузлиях, или в середине удлиненных ребер, или в центре основания. Интервал температур образования мартенсита зависит от химического состава аустенита. С повышением в нем содержания углерода линии Мн и Мк понижаются. При содержании углерода более 0,6 % мартенситное превращение заканчивается при температурах ниже 0°С. Поэтому, для того чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их необходимо охлаждать до минусовых температур. Существенное влияние на линии Мн и Мк оказывают легирующие элементы. 4.2.3. Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита В интервале температур (промежуточном между перлитным и мартенситным превращениями) от изгиба С-кривой (~550 °С) до критической точки Мн (см. рис. 47) аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом [от имени амер. металлурга Э. Бейна (E. Bein; 1891–1974)], представляющих двухфазную смесь кристаллов пересыщенного углеродом феррита и цементита.На начальном этапе превращения углерод перераспределяется в переохлажденном аустените с образованием обогащенных и обедненных участков. Участки обедненного углеродом аустенита претерпевают мартенситное -превращение, а из участков, обогащенных углеродом, выделяется цементит. При этом аустенит обедняется углеродом и происходит мартенситное бездиффузионное превращение. С течением времени при постоянной температуре изотермической выдержки образовавшийся мартенсит диффузионным путем превращается в ферритно-цементитную смесь.Ферритная фаза является пересыщенным твердым раствором Fe_(C). Обогащенный углеродом аустенит, обладая высокой устойчивостью, часто не претерпевает превращения и сохраняется, как остаточный аустенит. Следовательно, в результате промежуточного превращения структура стали в самом общем случае состоит из феррита, пересыщенного углеродом; частиц цементита и остаточного аустенита. Вся эта смесь имеет очень высокую дисперсность, которую при обычных увеличениях микроскопа различить невозможно.

18. Чугуны Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы. Различают несколько видов чугуна. Белый чугун, в котором весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном состоянии в виде Fe3C (цементита), что и определяет его свойства: высокие твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали. Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии только частично (не более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в виде графита. Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит по реакции Fe3C~>--»-3Fe-[-C. В зависимости от преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе. Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе 280 МПа. Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали. Ковкий чугун получают после длительного отжига белого чугуна при высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе. Углеродные включения имеют округлую форму. В отличие от серых ковкие чугуны являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются. Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей. При испытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна — предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость. При маркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12—28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие две — предел прочности при изгибе.

19.Основы теории ТО Термической обработкой называют технологические процессы теплового воздействия, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий по определенным режи­мам с целью изменения структуры и свойств сплава.
Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах тем­пература — время (рис. 30). Параметрами про­цесса термической обработки являются макси­мальная температура нагрева (t _max) сплава; вре­мя выдержки (τ _k) сплава при температуре нагре­ва; скорость нагрева (V_н) и охлаждения (V_o). На практике обычно подсчитывают среднюю ско­рость нагрева или охлаждения. Она равна мак­симальной температуре нагрева, поделенной на время нагрева или охлаждения, т. е. Vн.ср = t _max / τ _н и
Vо.cp = t _max / τ _o.

Рис 30 График термической обработки
По классификации Бочвара А.А. различают четыре основных вида термической обработки:1) отжиг 1 рода; 2) отжиг 2 рода; 3) закалка; 4) отпуск
А- общая сжема; б – отжиг 2 рода; 3- закалка; г отпуск
Отжиг 1 рода – не обусловлен фазовыми преобразованиями в твердом состояни;
А0 повышается подвижность атомов;
Б) частично иполностью устраняет химическую неоднородность;
В0 уменьшает внутреннее напряжение, т.о. способствуе получению более равномерного состояния
Основное значение - температуры нагрева и время выдержки.
Виды отжига.
Диффузионный (гомогенизирующий) для устранения химической неоднородности благодаря диффузии, скорость котоорого завмсит от температцры Е= 0,8- 0.9 Т пл
Время –определяется опытным путем
10 диффузионный;
2) полный;
3) изотермический;
4) неполный;
5) сфероиздизирующий;
J рекристаллизационный
Рекристаллизационный отжиг
Применяют после холодной пластической деформации (холодной обработки давлением) для снятия наклепа и получения равновесного состояния сплава.
В результатае рекристаллизации в деформируемом металле образуются новые зерна, снимается напряжения и восстанавливается пластичность металла.
Отжиг для снятия напряжений, возникают при ковке, сварке, литье и т.п., котрые могут вызвать коробление, т.е. изменение формы, размеров и даже разрушение изделий.
Отжиг 2 рода- фазовые превращения при нагреве и охлаждении
α →β β →α
нагрев охлаждение
α → β → α
Для сплавов – 1) полиморфные;
20 эвтектоидные;
3) перетектоидные превращения
Термическая обработка изменяет в нужном направлении прочностные, пластические и другие свойства материала изделий.