Изменение свойств металла при термической обработке

19

Контрольно-курсовая работа

Как изменяются механические и другие свойства при нагревании наклепанного металла?

1. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правил фаз) для сплава, содержащего 3,3% С.

2. В результате термической обработки втулки должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость НВ250-280). Для их изготовления выбрана сталь 40ХГР: расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данная сталь по назначению.

Содержание

Задание

Вопрос №1

Вопрос №2

Вопрос №3

Список литературы

Вопрос №1:

Как изменяются механические и другие свойства при нагревании наклепанного металла?

В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется, изменяются его физические свойства. Наклепанный металл запасает 5 - 10 % энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (плотность дислокаций возрастает до 10⁹ --10¹² см^-2) и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость, у_В, у_0,2, у_УПР) и понижаются пластичность и ударная вязкость (д, ш, КCU). Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Зависимость механических свойств от степени деформации

С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее временного сопротивления. Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным; при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление удается повысить в 1,5 - 3 раза, а предел текучести в 3 - 7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклепываются аустенитная сталь, никель, а алюминий упрочняется незначительно).

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на возврат и рекристаллизацию. В свою очередь, при возврате различают отдых и полигонизацию.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т.е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.

Рекристаллизация -- это процесс зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются новые, чаще всего равновесные зерна.

В зависимости от температуры нагрева и выдержки различают три стадии рекристаллизации: первичная, собирательная и вторичная.

Первичная рекристаллизация начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением наклепанного металла новой поликристаллической структурой (рис. 1.2, а-в). Для начала первичной рекристаллизации необходимы два условия:

1. предварительная деформация наклепанного металла должна быть больше критической;

2. температура нагрева должна превысить критическое значение, составляющее некоторую долю от температуры плавления металла:

Т_РЕК = аТ_ПЛ.

Рис. 1.2 Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве:

а - наклепанный металл; б - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г - рост зерен; д - образование равновесной структуры

Коэффициент а уменьшается при увеличении степени деформации т.е. металл после холодного деформирования е = 90 % будет рекристаллизовываться при более низкой температуре, чем такой же металл после деформирования е = 20%.

На стадии первичной рекристаллизации зарождение и рост новых зерен происходят одновременно. Зерна растут путем движения большеугловых границ через наклепанный металл. В таком зерне плотность дислокаций и других дефектов минимальна, в наклепанном металле -- максимальна.

Рис. 1.3 Схемы изменения твердости и пластичности наклепанного металла при нагреве: - возврат; - первичная рекристаллизация; - рост зерна

Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рис. 1.2, в). Первичная рекристаллизация полностью снимет наклеп, созданный при пластическом деформировании, металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла (рис. 1.3).

Особое значение имеет рост крупных зерен при нагреве деформированного металла, когда его деформация близка к критической. При критической деформации еще не формируется ячеистая дислокационная структура, способная создать зародыши рекристаллизации, что способствовало бы формированию мелкозернистой структуры. Неоднородность деформации зерен, различия энергии упругих искажений являются движущей силой укрупнения зерен за счет менее устойчивых мелких зерен.

Собирательная рекристаллизация представляет самопроизвольный процесс укрупнения зерен, образовавшихся на стадии первичной рекристаллизации. Чем крупнее зерна, тем меньше суммарная поверхность границ зерен и тем меньше запас избыточной поверхностной энергии (по сравнению с объемом зерен).

Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах и затем совсем исчезают, другие -- становятся более крупными, поглощая соседние зерна (рис. 1.2, г). С повышением температуры рост зерен ускоряется.

Собирательная рекристаллизация тормозится, когда зерна становятся многогранниками с плоскими гранями, а углы между соседними гранями составляют 120° (рис. 1.2, д)

Вторичная рекристаллизация представляет собой стадию неравномерного роста одних зерен по сравнению с другими. В результате формируется конгломерат зерен-гигантов, соседствующих с зернами-карликами. Механические свойства подобной разнозернистой структуры хуже, чем однородной структуры рекристаллизованного металла. Вторичной рекристаллизации соответствуют высокие температуры нагрева наклепанного металла.

Описанный процесс рекристаллизации типичен для скоростей нагрева в обычных термических печах, и для завершения той или иной стадии рекристаллизации требуются выдержки порядка нескольких часов.

Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера зерен. С уменьшением размера зерен вязкость улучшается. Размер зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации, а также от температуры, при которой происходила рекристаллизация. Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева.

Для конструкционных материалов общего назначения анизотропия свойств нежелательна. Рекристаллизованные сплавы, как правило, однородны по свойствам и анизотропии не обнаруживают.

Рекристаллизация многофазных сплавов представляет более сложный процесс, в котором на зарождении и росте новых рекристаллизованных зерен сказываются различия свойств каждой фазы, характер структуры объемные соотношения между фазами. Особое значение имеют размер частиц второй фазы и среднее расстояние между частицами. Чем ближе друг к другу расположены частицы второй фазы, тем труднее перемещаться границе нового зерна и тем сильнее тормозится рекристаллизация. Это проявляется в повышении температуры рекристаллизации и увеличении времени для завершения первичной рекристаллизации многофазно сплава по сравнению с однофазным. Близость частиц второй фазы обеспечивается при достаточно высоком их содержании в сплаве.

При горячем деформировании материалов с ультрамелким зерном (0,5 - 10 мкм) проявляется сверхпластичное состояние металла. При низких скоростях деформирования (10~⁵ -- 10~⁴с^-1) металл течет равномерно, не упрочняясь: относительные удлинения достигают 10² -- 10³ %.

Огромные деформации в сверхпластичном состоянии складываются из зернограничного скольжения, дополненного направленным (под действием напряжений) диффузионным переносом атомов и обычным скольжением внутри зерен.

Сверхпластичное состояние используют на практике для производства изделий весьма сложной формы при помощи пневматического формования листов или объемного прессования. Несмотря на медленность

Процессы, основанные на использовании мелкозернистой структуры, широко применяются в промышленности. При малых скоростях деформирования металл способен деформироваться без разрушения на десятки процентов.

Вопрос №2:

Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правил фаз) для сплава, содержащего 3,3%.

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы Fe-C. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы.

Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе Fe-Fe₃C, и стабильная, характеризующая превращения в системе Fe-C (рис. 2.1, а).

Железо и углерод - элементы полиморфные. Железо с температурой плавления 1539°С имеет две модификации - б и г. Модификации Fe_б существует при температурах до 911°С и от 1392 до 1539°С, имеет ОЦК решетку. Важной особенностью Fe_б является его ферромагнетизм ниже температуры 768°С, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe_г существует в интервале температур от 911 до 1392°С, и имеет ГЦК решетку, более компактную чем ОЦК.

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Феррит (обозначается Ф или б) - твердый раствор внедрения углерода в Fe_б. Различают высокотемпературный и низкотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите 0,02%, в высокотемпературном - 0,1%. Это обусловлено малыми размерами межатомных пор ОЦК решетки. Большая часть атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях и дислокациях). Феррит - мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: у_В = 300Мпа; д = 40%; ш = 70%; КCU = 2,5 МДж/м²; твердость - 80 - 100 HB.

Аустенит (обозначается А или г) - твердый раствор внедрения углерода в Fe_г. Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Fe_г значительно больше и достигает 2,14%. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160 - 200HB) при 20 - 25°С.

Цементит (обозначается Ц) - карбид железа (почти постоянного состава) Fe₃C, содержит 6,69% С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800HB) и хрупок. Температура плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260°С.

Графит - углерод, выделяющийся в железо углеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

Диаграмма состояния Fe - Fe₃C характеризует фазовый состав и превращения в системе Fe - Fe₃C. Приведем координаты характерных точек диаграммы.

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, D - температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температуре полиморфных превращений железа. Точки H и P характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрация углерода в аустените.

Превращения в сплавах системы Fe - Fe₃C происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменой растворяемости углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKL). Выделяющийся из жидкости цементит называют первичным, из аустенита - вторичным, из феррита - третичным. Соответственно на диаграмме состояния CD - линия первичного цементита, ES - линия вторичного цементита, PQ - линия третичного цементита. В системе Fe - Fe₃C происходят три изометрических превращения:

· перитектическое превращение на линии HJB (1499°С)

Ф_H + Ж_В > А_J

· эвтектическое превращение на линии ECF (1147°С)

Ж_С > [А_Е + Ц]

· эвтектоидное превращение на линии PSK (727°С)

А_S > [Ф_Р +Ц]

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом, эвтектоидная смесь феррита и цементита - перлитом.

Эвтектоид - перлит (0,8%С) и эвтектику - ледебурит (4,3%С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое состояние строение и является прочной структурной составляющей: у_В = 300…800Мпа; у_0,2 = 450МПа; д ? 16%;; твердость - 180 - 220 HB. При охлаждении ледебурита до температуры ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при 20 - 25°С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> 600HB) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обуславливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Для построения кривой охлаждения воспользуемся правилом фаз.

На рис.2.1 представлена кривая охлаждения доэвтектического сплава содержащего 3,3%С. Особенность первичной кристаллизации такого сплава является то, что в нем она заканчивается эвтектическим превращением при 1147°С, когда жидкость концентрации 4,3%С дает две твердые фазы - аустенит (2,14%С) и цементит, т.е. образуется ледебурит. Начало кристаллизации рассматриваемого сплава определяется точкой 0, лежащей на линии ликвидус. При последующем охлаждении происходит выделение кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которых определяется линией солидус, тогда как жидкость имеет концентрацию в соответствии с положением линии ликвидус.

Количество жидкой и твердой фазы в двухфазной области определяется как пропорция соотношения отрезков проекций точки концентрации 3,3%С на линии BC и JE. В точке 2 при 1147°С количество жидкости соответствует отрезку Е - 1 и жидкость имеет концентрацию точки С (4,3%С).

При этой температуре кристаллизуется эвтектика по реакции

Ж_С > А_Е + Ц

Кристаллизацией эвтектики заканчивается первичная кристаллизация этого сплава. В результате первичной кристаллизации структура состоит из кристаллов первичного аустенита и цементита.

При дальнейшем охлаждении первичные выделения аустенита изменяют свою концентрации от точки 1' до точки 2 от 2,14 до 0,8%С, и в точке 2 происходит перлитное превращение. Структура такого сплава состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита.

Вопрос №3:

В результате термической обработки втулки должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость НВ250-280). Для их изготовления выбрана сталь 40ХГР: расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данная сталь по назначению.

Сталь 40ХГР содержит углерода около 0,40%, хрома ? 1,5%, марганца ? 1,5%, бора ? 1,5%. По качеству данная сталь относится к качественным (S + P ? 0,07%).

По назначению сталь 40ХГР относиться к конструкционным улучшаемым сталям. Они идут на изготовление деталей машин. Улучшаемые стали, подвергаются закалке и отпуску, практически не обязательно высокому.

По содержанию углерода рассматриваемую сталь можно отнести к среднеуглеродистым.

По ГОСТ 4543-71 сталь 40ХГР можно охарактеризовать

В зависимости от условий эксплуатации легированные стали применяются после простейшего вида термической обработки (нормализации) или двойной термической обработки (закалка + отпуск). В зависимости от марки стали и режима термической обработки могут быть получены разные механические свойства.

Рис 2.2

Очевидно, что основной для изучения термической обработки является диаграмма железо - углерод (рис 2.2). Верхней температурной границей при термической обработке является линия солидус, поэтому процессы первичной кристаллизации в данном случае не рассматриваются.

Приведем общепринятые обозначения критических точек. Они обозначаются буквой А. Нижняя критическая точка, обозначается А₁, лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенит - перлит. Верхняя критическая точка А₃ лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита вторичного в заэвтектоидных сталях.

Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с, в первом случае и r - во втором.

Следовательно, критическая точка превращения аустенита в перлит обозначается A_r1, перлита в аустенит А_с1; начало выделения феррита из аустенита обозначается А_r3; конец растворения феррита в аустените А_с3. Начало выделения вторичного цементита из аустенита обозначается также А_r3, а конец растворения вторичного цементита в аустените -- А_с3.

В данной работе нас интересуют такие виды термической обработки как закалка и отпуск.

Закалка - нагрев выше критической точки фазовых превращений А_с3, выдержка и быстрое охлаждение со скоростью не ниже критической для получения структурно не устойчивого состояния сплава - мартенсита.

Отпуск - нагрев закаленной стали ниже температуры фазовых превращений А_с1 для получения более устойчивого структурного состояния сплава - смягчение закалки.

Разработаем для данного сплава конкретный режим термической обработки.

Выберем температуру закалки. Для данного сплава температура закалки определяется из диаграммы железо - углерод. Для доэвтектоидных сталей она должна на 30 - 50°С превышать А_с1 (рис 2.3).

Рис 2.3. Интервал закалочных температур углеродистой стали

Так как если температура закалки будет лежать в интервале ниже А_с3 и выше А_с1 в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска.

Оптимальной температурой закалки для рассматриваемого сплава является температура 850°С, закалка должна производиться в масле. Закалка в масле увеличивает прокаливаемость детали. Притом что толщина стенок втулки должна быть меньше критического диаметра сплава (30 мм). Увеличение содержания легирующих элементов в сталях приводит к увеличению устойчивости переохлажденного аустенита, что позволяет проводить закалку в масле.

Также важно для получения нужной структуры сплава и формы зерна время нагрева детали. Общее время нагрева складывается из времени нагрева до заданной температуры (ф_Н) и времени выдержки при этой температуре (ф_В), следовательно

ф_ОБЩ = ф_Н + ф_В.

Величина ф_Н зависит от нагревающей способности среды, от размеров и формы деталей; ф_В зависит от скорости фазовых превращений, которая определяется степенью перенагрева выше критической точки и дисперсностью исходной структуры.

Практически величина ф_В может быть принята равной 2 минутам для легированных сталей, так как в них карбиды медленнее переходят в твердый раствор.

Примерное значение величины ф_Н можно получить исходя из формулы

ф_Н = 0,1D₁K₁K₂K₃,

где D₁ - размерная характеристика изделия (мм) - минимальный размер максимального сечения. K₁ - коэффициент среды (для газа 2, соли, масла 1, металла 0,5); K₂ - коэффициент формы (для шара 1, цилиндра 2, параллелепипеда 2,5, пластины 4); K₃ - коэффициент нагрева (всесторонний нагрев 1, односторонний 4).

Для рассматриваемой втулки общее время закалки будет равно примерно 8 минутам.

После закалки стали на мартенсит, она приобретает низкую пластичность и значительные внутренние напряжения. Поэтому необходимо произвести отпуск, повышающий пластичность и вязкость и уменьшающий внутренние напряжения.

В результате закалки мы получили сплав твердость около 55HRC

Важно при разработке режима термообработки правильно выбрать температуру отпуска. Отпуск стали, делится на

· Низкий - осуществляется с температур 120 - 250°С.

· Средний -- осуществляется с температур 300 - 450°С.

· Высокий -- осуществляется с температур 500 - 650°С.

Отличие сталей по температурам отпуска проявляется в их механических свойствах. Так при повышении температуры отпуска твердость и прочность падают, а пластичность возрастает.

Основным условием выбора температуры отпуска для данной детали является требование повышенной прочности и значения твердости HB250-280. что соответствует 24-28HRC±3.

Оптимальной температурой отпуска для получения вышеперечисленных механических свойств сплава является температура 500 - 550°С. Отпуску при этой температуре соответствует высокий отпуск с получаемой структурой сорбита. Обычно такой режим термической обработки называют улучшением.

При высоком отпуске происходит полный распад мартенсита с образованием зернистой высокодисперсной структуры феррито-карбидной смеси - сорбита. Механические свойства данного легированного среднеуглеродистого сплава после отпуска:

у_В = 1200 - 1300 МПа, ш = 50 - 60%, д = 20 - 25%, твердость 250-280HB.

Для получения большей ударной вязкости следует произвести медленное охлаждение.

Тогда режимом термической обработки для втулок из стали 40ХГР является:

Закалка в масле с нагревом до температуры 850°С в течении 6 минут и выдержка при этой температуре в течении 2 минут и последующее быстрое охлаждении. Затем высокий отпуск с нагревом до температуры 500 - 550°С с последующим медленным охлаждением.

Такой режим термообработки для среднеуглеродистых высоколегированных сталей называется - улучшение.

Список литературы

· Материаловедение. Б.Н. Арзамасов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001.

· Металловедение. А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1986.

· Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. Ю.А. Геллер. М.: Металлургия, 1983.