Основы строения и свойств материалов

3.1 термическая обработка углеродистых сталей

Термической обработкой (ТО) называют совокупность операций теплового воздействия на материалы с целью изменения их структуры и свойств в нужном направлении. Заключается в нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью.

Термическая обработка - один из распространенных и эффективных способов изменения структуры и свойств сталей, обусловленных протеканием различных фазовых превращений в неравновесном состоянии без изменения химического состава.

Данный вид обработки может быть как промежуточной операцией, предназначенной для улучшения технологических свойств, так и окончательной - для обеспечения в материале или изделии требуемого комплекса механических свойств.

Этому технологическому воздействию подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин и инструменты.

Основными видами термической обработки являются: отжиг, нормализация, закалка, отпуск. (Тепловое воздействие может сочетаться с деформационным: термомеханическая обработка и химическим: химико-термическая обработка воздействиями. К разновидностями термической обработки также относят: старение, патентирование, обработку холодом, электротермическую и термомагнитную обработки.)

На практике различают предварительную термическую обработку углеродистой стали (отжиг, нормализация) целью которой является подготовка структуры к последующим технологическим воздействиям и конечную, сообщающую материалу нужную структуру и заданные свойства (закалка в сочетании с отпуском). В настоящей лабораторной работе рассматриваются: отжиг, нормализация и закалка.

Принадлежность к тому или иному виду термической обработки определяются типом структурных изменений, происходящих при этом в материале (металле или сплаве).

Основными процессами, происходящими при термической обработке сталей, являются фазовые превращения в неравновесном состоянии, важнейшими из которых являются:

превращение аустенита в перлит при охлаждении (А>П);

превращение перлита в аустенит при нагреве (П>А );

превращение аустенита в мартенсит при быстром охлаждении (А>М);

распад мартенсита при отпуске закаленных сталей (М>А+Ц)

Технологические процессы термической обработки связаны с существованием критических температур фазовых превращений в сталях (критические точки). В практике термической обработки углеродистых сталей в соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe₃C принято следующее обозначение критических точек (рисунок 48, индекс с - температура при нагреве; r - при охлаждении).

эвтектоидная температура - А_С1 (линия PS);

критические точки, соответствующие превращению аустенита в феррит - А_С3 (линия GS);

линия, обозначающая изменение растворимости углерода в аустените - А_Сст (SE).

Рисунок 7 - Обозначение критических точек, применяемое при термической обработке

Любой режим термической обработки (рисунок 8) определяется следующими параметрами: температурой, до которой нагревают изделие (t_max); временем, затрачиваемым на нагрев до требуемой температуры (?_н) и выдержку при заданной температуре (?_в), необходимую для прогрева изделий по всему сечению и скоростью охлаждения (v).

Рисунок 8 - Режим термической обработки

Для углеродистых сталей температуру нагрева под тот или иной вид термической обработки определяют исходя из диаграммы состояния Fe-Fe₃C; время - расчетным методом. (Необходимые значения температуры и времени также можно выбрать и по справочным данным). Полученные значения уточняются экспериментальным путем.

3.2 ОТЖИГ

Отжиг - вид термической обработки, в результате которой сталь приобретает структуру, близкую к равновесной, т. е. отжиг вызывает разупрочнение, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.

В общем случае отжигом принято называть нагрев металла до определенных температур, выдержке при этих температурах и медленном охлаждении вместе с печью. Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охлаждения невелика: 30200 С/ч.

Различают два вида отжига:

I рода, не связанного с фазовыми превращениями (исключая гомогенизацию);

II рода, сопровождающийся фазовыми превращениями.

3.2.1 ОТЖИГ I РОДА

Отжиг I проводят для рекристаллизации пластически деформированных полуфабрикатов; уменьшения внутрикристаллической ликвации в слитках или отливках; снижения остаточных напряжений в изделиях. Состояние сплавов после этого вида термической обработки становится более равновесным.

Соответствующими видами отжига являются:

рекристаллизационный;

диффузионный (гомогенизация);

для снятия внутренних напряжений.

3.2.2 ОТЖИГ II РОДА

Отжиг II рода подразумевает нагрев стали до температур, превышающих температуры фазовых превращений (выше А_С3 или А_С1), выдержку при этих температурах и медленное охлаждение вместе с печью. В процессе нагрева и охлаждения протекают фазовые превращения (), определяющие структуру и свойства стали.

После отжига II рода стали получают структуры, в соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe₃C и имеют низкую твердость и прочность при высокой пластичности. При фазовой перекристаллизации измельчается зерно и устраняется видманштеттовая структура, строчечность, вызванная ликвацией и сталь приобретает однородную мелкозернистую структуру. Полностью снимаются остаточные напряжения.

В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой. Понижая прочность и твердость отжиг облегчает обработку резанием средне- и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости по сравнению со свойствами, полученными после литья, ковки и прокатки. Отжигу подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат, трубы, горячекатаные листы.

3.2.3 НОРМАЛИЗАЦИЯ

Нормализация отличается от отжига условиями охлаждения; после нагрева доэвтектоидных сталей на 5070 С выше температуры А_с3, а заэвтектоидных - на 5070 С выше А_сст сталь охлаждают на спокойном воздухе. Скорость охлаждения при нормализации составляет 150250 С/ч.

Ускоренное охлаждение повышает дисперсность перлита, а феррит, выделяющийся при охлаждении до температур А_r3 - А_r1 образует сплошные или разорванные оболочки вокруг зерен аустенита - ферритную сетку.

Нормализации чаще всего подвергают конструкционные стали после горячей пластической деформации и фасонного литья. Нормализация более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как меньше времени затрачивается на охлаждение стали. Кроме того, нормализация обеспечивая полную перекристаллизацию структуры приводит к более высокой прочности стали, уменьшает анизотропию свойств, вызванную наличием в горячекатаной стали строчечной структуры.

3.2.4 ЗАКАЛКА

Закалкой называется нагрев сталей до температуры выше фазовых превращений, выдержке при этой температуре и резком охлаждении со скоростью больше критической (как правило, в воде).

Основное назначение закалки - получение стали с высокими твердостью, прочностью и износостойкостью. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.

Изменение механических свойств при закалке достигается получением метастабильной (неравновесной) структуры - мартенсита.

Мартенсит обладает высокой твердостью (HRC 60 при С = 0,4 %), однако с увеличением содержания углерода возрастает хрупкость стали. Кроме изменения механических свойств, в результате превращения АМ изменяются физические свойства стали, заметно увеличивается объем.

Для получения мартенситной структуры сталь следует охлаждать с большой скоростью. Минимальную скорость охлаждения, при которой происходит мартенситное превращение, называют критической скоростью закалки. При охлаждении аустенита с такой скоростью он не успевает превратиться в ферритно-цементитную смесь и образует неравновесную структуру - мартенсит.

Выбор температурного нагрева под закалку

Получение мартенситной структуры во многом зависит от правильного выбора температуры нагрева под закалку. В зависимости от температуры нагрева различают. Полную закалку - нагрев стали выше критических точек А_С3 на 3050 С (

Неполную закалку - нагрев выше критических точек А_с1 на 3050 С (рисунок 53). Неполной закалке, как правило, подвергают эвтектоидные и заэвтектоидные стали. После закалки эвтектоидная сталь имеет структуру мартенсита, а заэвтектоидная мартенсита и цементита. Кроме того, в структуре этих сталей будет присутствовать остаточный аустенит.

Скорость охлаждения

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры М_н, т. е. предотвратить превращение АФ. Последнее достигается резким охлаждением со скоростью от 1400 до 400 С/с. Как правило такой скорости охлаждения добиваются погружением закаливаемой детали в холодную воду (t = 20 С) или в воду с добавками соли (NaCl) или едкого натра (NaOH).

Закалочные среды

Для охлаждения стальных деталей при закалке обычно применяют различные закалочные среды: воду, водные растворы солей, расплавленные соли, минеральные масла. Закалочные среды резко отличаются друг от друга своими физическими свойствами, то есть они с разной интенсивностью отнимают тепло от нагретых под закалку деталей. Однако единой, универсальной закалочной среды пока нет, поэтому на практике пользуются различными средами.

Закалочная среда охлаждает тем интенсивней, чем шире интервал пузырчатого кипения, поэтому рекомендуется производить закалку в циркулирующей среде, непрерывно перемещая детали в вертикальном или горизонтальном направлениях.

Определение времени нагрева под закалку

Для проведения любого теплового процесса термической обработки нужно не только нагревать до заданной температуры, но и выдерживать при этой температуре до полных структурных превращений и полного прогрева детали по всему сечению.

Поэтому, общее время нагрева под закалку складывается из времени нагрева до заданной температуры (_н) и времени выдержки при этой температуре (_в), необходимой для прогрева изделия по всему сечению:

Время нагрева до заданной температуры зависит от нагревающей способности среды, от размеров и формы детали, от способа их укладки в печи и определяется из выражения:

Составляющая _в зависит от скорости фазовых превращений и может быть принята для углеродистых сталей равной 1 мин. При нагреве крупных изделий этим компонентом пренебрегают. Если диаметр или толщина детали менее 1 мм пренебрегают составляющей _н в (1).

Иногда применяют приблизительный подсчет общего времени нагрева., Так при нагреве в электрических воздушных печах время нагрева _н принимают равным 0,81 мин на 1 мм сечения, а время выдержки - 1/5 от времени нагрева (_в = _Н/5).

3.2.5. ОТПУСК

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже А_С1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью.

Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на остаточные напряжения. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Ускоренное охлаждение после отпуска при 500 - 600 С повышает предел выносливости, за счет образования в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска:

Низкотемпературный; (низкий)

Среднетемпературный; (средний)

Высокотемпературный; (высокий)

Низкотемпературный отпуск. Закаленную сталь нагревают до 150250 С. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Реже низкий отпуск применяется для среднеуглеродистых сталей (0,30,45 %С). Продолжительность отпуска составляет обычно 12,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.

Среднетемпературный отпуск Сталь нагревают до 350400 С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали после среднего отпуска - троостит отпуска или троосто - мартенсит; твердость стали 40-50 HRC. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.

Высокотемпературный отпуск проводят при 500680 С. Структура стали после высокого отпуска - сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.

Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

ЛЕКЦИЯ 4

Раздел 4. Цветные металлы и сплавы на их основе. Неметаллические материалы. Композиционные материалы.

Алюминий и сплавы на его основе. Титан и его сплавы. Медь и ее сплавы: латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы. Область применения сплавов цветных металлов. Пластмассы: термопластичные пластмассы, термореактивные пластмассы, газонаполненные пластмассы. Композиционные материалы.

4.1 ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ

4.1.1 СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ТИТАНА

Легирование титана Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышает его прочность, но одновременно снижает пластичность и ударную вязкость. Жаропрочность повышают Al, Zr, Mo, а коррозионную стойкость в растворах кислот - Mo, Zr, Nb, Та и Pd. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность (характеризуемую отношением предела прочности к плотности).

По структуре различают: б-сплавы (здесь б-фаза - твердый раствор легирующих элементов в б-титане; основной легирующий элемент - алюминий) и б + в -сплавы, легированные б и в -стабилизаторами.

Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению и химико-термической обработке. Чаще титановые сплавы подвергают отжигу, который проводят при 800-850°С (для б-сплавов) или при 750-800°С (для б+в -сплавов). Листовые полуфабрикаты от-жигают при более низкой температуре (740-760°С). Иногда применяют изотермический отжиг (870-980°С и выдержка при 530-660°С).

Титановые сплавы обладают малой прокаливаемостью, имеют низкое сопротивление износу и для повышения износостойкости подвергаются азотированию при 850-950°С в течение 30-60 ч в атмосфере азота.

Сплавы титана применяют в авиации, ракетной технике, в химическом машиностроении, там, где главную роль играют небольшая плотность, высокая удельная прочность, теплостойкость и хорошая сопротивляемость коррозии.

Деформируемый б-сплав ВТ5 (с 5% А1) хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и сваривается; обладает высокой сопротивляемостью коррозии, но склонен к водородной хрупкости. Дополнительное легирование сплава ВТ5 оловом (сплав ВТ5-1) улучшает технологические и механические свойства сплава.

Наилучшее сочетание свойств достигается в б+в -сплавах.

Сплав ВТ6 (5% А1, 4,5% V) обладает хорошими механическими и технологическими свойствами и упрочняется термической обработкой (закалкой от 900-950°С и старением при 450-500°С). После закалки = 1000-1050 МПа, а после старения в течение 2-8 ч = 1200-1300 МПа. Для сварных конструкций применяется сплав ВТ14С, содержащий меньше алюминия (5,5%).

Сплав ВТ14 (5,5%А1, 1,3%V, 3% Мо) рекомендуется применять для изготовления тяжелонагруженных деталей и деталей, длительное время работающих при 400°С или кратковременно при 500°С. Сплав упрочняется закалкой от 850-880°С в воде и последующим старением при 480-500°С (12-16 ч).

Жаропрочный сплав ВТ8 (6,5%А1, 3,5% Мо) применяют после изотермического отжига. Сплав обладает высоким сопротивлением ползучести и длительной прочностью (до 450-500°С), но плохо сваривается. Он используется в виде поковок и штамповых заготовок. Для фасонного литья применяют сплавы

ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, которые обладают достаточно хорошими литейными и механическими свойствами.

4.1.2 СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

Алюминий - металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 600°С, имеет ГЦК-решетку, относится к легким металлам, т.к. его плотность 2,7 г/см. Характерными свойствами алюминия являются высокая пластичность, сравнительно малая прочность, высокие теплопроводность, электропроводность, стойкость против окисления. Маркируется алюминий по степени чистоты, например, А99, где А - алюминий, 99 - степень чистоты 99,99%.

Алюминиевые сплавы подразделяют на несколько групп. Основными из них являются:

1). Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. Это сплавы систем А1-Мп и Al-Mg. Их маркируют соответственно АМц или АМг с цифрой в конце марки, означающей среднее содержание растворенного элемента, например, АМг2 (около 2% Mg).

Применяют их для изготовления сварных и клепаных конструкций в судостроении, строительстве. Для средненагруженных деталей и конструкций применяют сплавы АМг5 и АМг6.

2). Дюралюминий (дюралюмин) и другие деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Дюралюминием называют сплав Al-Cu-Mg-Мп. Основой для рассмотрения структуры дюралюминия является диаграмма Al-Cu. Маркируют его буквой Д и номером (например, Д1, Д16). Прочность дюралюминия после термической обработки, состоящей из закалки и старения, увеличивается более чем в 2 раза. Основными упрочняющими фазами в дюралюминах являются химические соединения СиАЬ и CuAbMg.

3). Алюминиевые ковочные сплавы, применяемые для изготовления поковок и штамповок (иногда эти сплавы применяют и для изготовления отливок). Это сплавы многокомпонентной системы Al-Cu-Si-Mn-Mg. Маркируют их буквами АК и цифровым номером (например, АК6, АК8). Обычно эти сплавы подвергают закалке и естественному старению.

4). Литейные алюминиевые сплавы. В основном это сплавы систем Al-Si (силумины), Al-Cu, Al-Mg, иногда с дополнительными элементами. Наиболее часто используют силумины АЛ2, АЛ4, АЛ9 (здесь А -алюминиевый, Л - литейный, цифра - номер сплава). Для измельчения микроструктуры и соответствующего повышения свойств силумины модифицируют (добавками титана, бора, солей натрия и др.). Модифицирование влияет на характер микроструктуры (например, переводя эвтектический или даже заэвтектический силумин в доэвтектический).

4.1.3 СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ МЕДИ

Важнейшими медными сплавами являются латуни и бронзы.

Латуни - это сплавы меди с цинком. Цинка в латунях содержится до 45%. Различают двойные и многокомпонентные (специальные) латуни, содержащие дополнительные (легирующие) элементы.

Двойные латуни маркируются буквой Л, следующая за ней цифра обозначает содержание меди. Например, Л96 (Л - латунь, 96% Си, остальное - Zn).

В зависимости от содержания цинка латуни делятся на на 2 группы:

однофазные б-латуни (до 39 % Zn);

двухфазные б+в-латуни (от 39 до 45 % Zn).

Однофазные латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях. Двухфазные латуни имеют более высокую прочность и износостойкость, чем однофазные. Присутствие в двухфазных латунях хрупкой фазы затрудняет их деформацию в холодном состоянии. Поэтому они подвергаются пластической деформации при высоких температурах.

Для повышения механических и технологических характеристик и придания латуням специальных свойств их легируют. Легирующие элементы обозначаются буквами: А - А1, Ж - Fe, Мц - Мп, К - Si, Н - Ni, О - Sn, С - РЬ, Т -Ti, Ф - Р, Ц - Zn и т. д. В марке многокомпонентной латуни после букв следуют цифры через дефис. Первая цифра указывает среднее содержание меди, остальные - содержания соответствующих легирующих элементов. Содержание цинка определяется по разности до 100%. Например, латунь ЛМцЖ55-3-1 содержит (в среднем) 55% Си, 3% Мп, 1% Fe, остальное - Zn.

Вследствие небольшого интервала кристаллизации латуней дендритная ликвация у них выражена слабо, но они склонны к образованию концентрированной усадочной раковины. Двойные латуни применяют чаще как деформируемые (а не литейные) сплавы для изготовления труб, фольги, листов, лент.

Специальные латуни используют как деформируемые и литейные сплавы в машиностроении (гайки нажимных винтов, подшипники, антифрикционные детали, арматура) и других отраслях промышленности.

Бронзы - сплавы меди с оловом, свинцом, алюминием, никелем, фосфором, марганцем, железом, бериллием и другими элементами, вместе с которыми может присутствовать и цинк. По основному легирующему элементу их подразделяют на оловянные (оловянистые), алюминиевые, бериллиевые и т. д.

Маркируют бронзы буквами Бр, а затем, как и в латунях, указывают основные легирующие элементы и их среднее содержание в сплаве. Например, бронза БрАЖН 10-4-4 содержит в среднем 10% А1, 4% Fe, 4% Ni, остальное Си. Различают литейные и деформируемые бронзы. В оловянистых литейных бронзах сумма легирующих элементов составляет от 11 до 30% (БрОФ 10-1, БрОЦС 3-12-5, БрОС 5-25), а в деформируемых - лишь 4-11% (БрОФ 4-0,25, БрОЦС 4-4-2,5).

Оловянистые бронзы склонны к ликвации, при ускоренном охлаждении в отливках они получают резко выраженное дендритное строение.

В практике применяют лишь сплавы с содержанием до 10-12% Sn. Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки.

Обработке давлением подвергаются только однофазные бронзы.

Оловянные литейные бронзы применяются для сложного фасонного литья, шестерен, втулок, ходовых винтов, червячных колес, арматуры для водяных и паровых систем. Деформируемые бронзы используют для сеток целлюлозно-бумажной промышленности, лент, полос, пружинной проволоки.

Размещено на Allbest.ru