Характеристика термической обработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Выполнил:

Ишмухаметов Р.Р.,

Проверил:

Ефимова Ю.Ю.

Магнитогорск 2016

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ВОЗВРАТ, ПОЛИГОНИЗАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

2. ОТПУСК, ОСНОВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ, ВИДЫ ОТПУСКА

2.1 Основы теории термической обработки

2.2 Виды отпуска

2.3 Превращения при отпуске

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение - это наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливает связь между составом, структурой и свойствами.

Определение металлам дают с точки зрения той науки, с позиции которой ее рассматривают.

Металлы с точки зрения физики и техники обладают общностью атома кристаллического строения и характерными физическими свойствами. Неравновесная структура, созданная холодной деформацией, у большинства металлов устойчива при температуре 25 °С. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. При повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества.

1. ВОЗВРАТ, ПОЛИГОНИЗАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах , рекристаллизация - при более высоких.

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.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы.

Возврат, в свою очередь, подразделяют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких, как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает плотность металла.

В общем, твердость и прочность максимально уменьшаются на 10-15% первоначальных значений и соответственно увеличивается пластичность. После отдыха повышается сопротивление коррозионному растрескиванию.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций (рисунке 1).

Рисунок 1.1 - Схема полигонизации: а, б -- наклепанный металл до и после полигонизации соответственно

Полигонизация в металлах технической чистоты и в сплавах - твердых растворах - наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Так, этот процесс редко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности. Блочная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохраняется почти до температуры плавления. После формирования блочной структуры рекристаллизация не наступает, полигонизация и рекристаллизация оказываются конкурентами.

Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2-8 %); для алюминия она близка к 2%, для железа и меди - к 5%.

Существует также температура рекристаллизации; это наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. Температура рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления металла:

Значение коэффициента а зависит от чистоты металла и степени пластической деформации. Для металлов технической чистоты понижается с увеличением степени деформации. Уменьшение количества примесей может понизить а до 0,1 --0,2. Для твердых растворов при растворении тугоплавких металлов может достигать 0,7 --0,8. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100, 270 и 450 °С.

Рисунок 1.2 - Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве:

а - наклепанный металл; б - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г, д - стадии собирательной рекристаллизации

Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации. Они представляют собой субмикроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов строения. Эти области возникают путем перераспределения и частичного уничтожения дислокаций; при этом между центром рекристаллизации и деформированной основой появляется высокоугловая граница.

С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке; при этом большеугловые границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла.

Рассмотренная стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки. Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рис. 4.13).

По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен при увеличении выдержки или температуры; эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией. Этот процесс самопроизвольно развивается при достаточно высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии (чем крупнее кристаллы, тем меньше суммарная поверхность границ).

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 исчезают, а Другие становятся более крупными, поглощая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.

Деформирование металлов подразделяют на холодное и горячее в зависимости от температуры. Холодное деформирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклепывается и сохраняет наклеп. Горячее деформирование приводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если рекристаллизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью. Это достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла. Например, горячее деформирование с высокими скоростями и большими деформациями с дальнейшим быстрым охлаждением металла ниже температуры рекристаллизации сохраняет наклеп.

Рисунок 1.3 - Схемы изменения твердости

(а) и пластичности (б) наклепанного металла при нагреве: I -- возврат; II -- первичная рекристаллизация; III -- рост зерна

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла (рисунке 1.3).

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 и от температуры, при которой происходила рекристаллизация. Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева. Зависимость размера зерен от степени деформации и температуры обычно демонстрируют при помощи диаграмм рекристаллизации (рис. 4.15).

Для конструкционных материалов общего назначения анизотропия свойств нежелательна. Рекристаллизованные сплавы, как правило, однородны по свойствам и анизотропии не обнаруживают. Однако при известных условиях в рекристаллизованном металле появляется предпочтительная ориентация зерен, которую называют текстурой рекристаллизации. Ее вид зависит от химического состава сплава, характера деформирования, природы и количества примесей, технологических факторов. полигонизация рекристаллизация термический сталь

Рисунок 1.4 - Зависимость размера зерна рекристаллизованного металла от деформации

(а) и диаграмма рекристаллизации технически чистого железа (б); D - размер исходного зерна

Образование текстуры рекристаллизации имеет практическое значение для сплавов с особыми физическими свойствами, когда требуется улучшить то или иное свойство в определенном направлении изделия. Например, в листах трансформаторной стали образование текстуры дает возможность уменьшить потери на перемагничивание по определенным направлениям листа.

Рекристаллизация многофазных сплавов представляет более сложный процесс, в котором на зарождении и росте новых рекристаллизованных зерен сказываются различия свойств каждой фазы, характер структуры и 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 многофазного сплава по сравнению с однофазным сплавом - твердым раствором аналогичного химического состава. Близость частиц второй фазы обеспечивается при достаточно высоком их содержании в сплаве. Когда частиц мало и они далеко друг от друга, их роль в рекристаллизации незначительна. Мелкие частицы размерами приблизительно 0,1 мкм и меньше тормозят рекристаллизацию (рисунке 1.5). Более крупные частицы размерами свыше 4 мкм тормозят рекристаллизацию, когда располагаются близко друг к другу, и ускоряют ее, когда расстояние между ними увеличено (рисунок 1.5). В последнем случае сказывается влияние межфазной границы, на которой преимущественно зарождаются новые зерна.

Тормозящее влияние дисперсных частиц второй фазы на рекристаллизацию успешно используется в промышленных сплавах для увеличения предельных рабочих температур.

Рисунок 1.5 - Зависимость температуры рекристаллизации двухфазного сплава от размера частиц второй фазы и расстояния между ними:

I - I - температура рекристаллизации однофазного сплава без частиц второй фазы; 1 - торможение рекристаллизации; 2 - ускорение рекристаллизации

Сверхпластичное состояние металла проявляется при горячем деформировании материалов с ультрамелким зерном (0,5-10 мкм). При низких скоростях деформирования 5 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. Для того чтобы реализовать сверхпластичное состояние, требуется не только получить ультрамелкие зерна, но и сохранить эту структуру в течение всего периода деформирования при температуре выше 6 (порядка десятков минут). В однофазных сплавах зерна твердого раствора успевают вырасти за это время так, что сверхпластичность теряется. Промышленные сверхпластичные сплавы имеют двухфазную структуру (лучшее сочетание объемов обеих фаз 7 при этом максимальна поверхность межфазных границ) и поэтому сохраняют исходную мелкозернистость в течение всего срока изготовления изделий. К числу таких сплавов принадлежат различные эвтектические и эвтектоидные смеси, двухфазные сплавы титана и т.п.

Сверхпластичное состояние используют на практике для производства изделий весьма сложной формы при помощи пневматического формования листов или объемного прессования. Несмотря на медленность самого процесса формования и сравнительно высокие рабочие температуры, процесс выгоден, а в ряде случаев является единственным способом получения изделий, когда металл нужно без разрушения деформировать на 200-300% и выше.

2. ОТПУСК, ОСНОВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ, ВИДЫ ОТПУСКА

2.1 Основы теории термической обработки

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. При термической обработке стали протекают фазовые превращения. Они вызваны тем, что вследствие изменившихся условий (температуры) новое состояние оказывается более устойчивым, чем старое, так как обладает меньшим запасом свободной энергии. Характер фазовых превращений зависит от скорости охлаждения. Превращения, протекающие при медленном охлаждении, близкие к равновесным; описываются диаграммой «железо-цементит». Диаграмма является также основой для изучения термической обработки. Она указывает каким видам термической обработки может быть подвергнут сплав и до каких температур требуется производить нагрев. Участок диаграммы «железо-цементит», необходимый для термической обработки стали, представлен на рисунке 12.1.

Рисунок 2.1 - «Стальной» участок диаграммы «железо-цементит»

Приведем общепринятые обозначения критических точек, необходимых для термической обработки стали. Критические точки обозначаются буквой А. Точка А1 лежит на линии РSК и соответствует превращению аустенит - перлит. Точка А3 лежит на линии GSЕ и соответствует началу выпадения или окончанию растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита вторичного в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, после буквы А ставят буквы «с» и «r», соответственно (Аc1, Аr1, Аc3, Аr3). Точку Аc3 для заэвтектоидной стали часто обозначают как точку Асm.

Под термической обработкой понимают изменение структуры, а следовательно, и свойств стали при нагреве до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с заданной скоростью.

При термической обработке сталей необходимо учитывать фазовые и структурные превращения, происходящие при различных скоростях нагрева и охлаждения. Диаграмма Железо-Углерод дает представление о фазовых и структурных превращениях при бесконечно малых скоростях нагрева и охлаждения. Иными словами на диаграмме представлены фазы и структурные составляющие в равновесном состоянии. Увеличение скорости охлаждения может тормозить протекание диффузионных процессов, а иногда и полностью их подавлять, поэтому реальные условия нагрева и охлаждения и обеспечивают ту или иную структуру сплавов.

Основные виды термической обработки

К основным видам относятся отжиг, закалка и отпуск. Но прежде чем говорить об этих видах, необходимо ввести понятие критической точки. Критические точки обозначаются буквой А : А1 или А3. А1 лежит на линии PSK, а А3 - на линиях GS и SE. Для того, чтобы

отличать критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении в первом случае перед цифрой ставят букву c - Аc1, а во втором - букву r - Аr1. Для того, чтобы отличать критические точки А3 для доэвтектоидных сталей (GS) от А3 заэвтектоидных (SE), в первом случае пишут Аc3 и Аr3, а во втором - Аcm и Аrm.

Отжиг - фазовая перекристаллизация, которая происходит при нагреве стали выше Аc3 с последующей выдержкой и медленным охлаждением. Если нет необходимости в полной перекристаллизации структурных составляющих, проводят нагрев стали выше точки Аc1 (плюс выдержка и медленное охлаждение, процесс получил название неполный отжиг). Отжиг приводит структуру стали в состояние близкое к равновесному. Структура доэвтектоидных сталей после отжига - Ферит + Перлит, эвтектоидной стали - Перлит, заэвтектоидных - Перлит + Цементит.

Первое отклонение структуры от равновесного состояния происходит при нагреве стали выше точки Аc3, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе - нормализация.

Закалка - нагрев стали выше критической точки Аc3 с последующей выдержкой и быстрым охлаждением. При быстром охлаждении подавляются все диффузионные процессы и образуется новая структура, характерная для закаленной стали - мартенсит. Мартенсит - перенасыщенный твердый раствор углерода в - железе.

Отпуск - нагрев закаленной стали ниже точки Аc1 с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. В практике обработки стали и других сплавов применяют также сочетания химических и термических воздействий (химико-термическая обработка). При химико-термической обработке в процессе нагрева деталей в поверхность последних внедряют атомы других элементов. Например, если дополнительно обрабатывать сталь углеродом, то процесс называется цементацией; азотом - азотированием; одновременно азотом и углеродом - цианированием; хромом - хромированием, и т.д.

2.2 Виды отпуска

Отпуск стали: отпуск является окончательной термической операцией, применяемой после закалки; это нагрев стали ниже критической точки Ас1 с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. Различают низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) отпуск.

Низкий отпуск

Его проводят при t>250°С. Этот вид отпуска приводит к превращению мартенситной закалки в март. отпуска и практически не снижая твердости несколько увеличивает другие прочностные характеристики и отчасти ударную вязкость.

Твердость стали с содержанием углерода 0.8-1% после низкого отпуска порядка 62-64HRC. Твердость легированных сталей несколько ниже в силу сохранения в них после закалки аустенита остаточного. Низкому отпуску подвергают инструментальные стали, предназначенные для изготовления штампов, деформирующих металлы в холодном состоянии, инструмента типа: зубило, лоток, режущий инструмент, работающих при низких скоростях резания, а также детали подвергнутые цементации, ционированию.

Средний отпуск

Это вид отпуска применяют в случае необходимости получения сочетаний высокого предела упругости с прочностными характеристиками. Например: при обработке пружин, рессор средний отпуск проводят при температурах 350-500°С. Структура после среднего отпуска - тростит отпуска. Твердость 40-45HRC.

Высокий отпуск

Проводят при температурах 650-680°С. Структура - сорбит отпуска. Этот вид отпуска применяется для получения лучшего сочетания прочностных свойств с ударной вязкостью. Термическая обработка, заключается в закалке с высоким отпуском называется улучшением.

2.3 Превращения при отпуске

Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температуры ниже ac1, с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. В процессе нагрева происходят объемные и структурные изменения в стали. Если в дилатометре - приборе, позволяющем фиксировать изменения длинны образца в зависимости от температуры, то самописец прибора будет фиксировать горизонтальную прямую линию.

При нагреве закаленной стали до 80-1000°С изменение в длине практически не наблюдается. Начиная с температуры 800°С имеет место сокращение длины образца. Вплоть до температуры 2000°С происходит так называемое 1-е превращение, при отпуске, в результате мартенсита выделяется карбид Fe2C когерентно связанный с матричным твердым раствором. При этом степень тетрогональности мартенсита уменьшается, отношение c/a - стремится к 1, но не равно ей.

Рисунок 2.2 - Изменение длины цилиндрического образца стали с содержанием углерода больше 0,6% при отпуске (схема)

При нагреве выше 2000°С происходит обратное. Наблюдается прирост длины образца. В интервале температур 200-3000°С происходит 2-е превращение при отпуске. В интервале этих температур аустенит остаточный превращается в отпущенный мартенсит.

3-е превращение происходит при 300-400°С. В этом интервале температур происходит карбидное превращение. Метастабильный карбид Fe2C превращается в стабильный, в Fe3C. Одновременно происходит срыв когерентности и обособление карбидов. Снижается и уровень внутренних напряжений.

4-е превращение протекает при температуре выше 400°С, и состоит в коагуляции карбида. Структура стали после отпуска зависит от температуры отпуска.

При температуре 500-600°С - сорбид отпуска, отличающегося от аналогичных структур, полученных при непрерывном охлаждении тем, что имеет зернистую морфологию, тогда как после непрерывного охлаждения из аустенитной области - пластинчатую морфологию. При одинаковой твердости тростит и сорбит отпуска по сравнению с троститом и сорбитом, полученным при непрерывном охлаждении, имеют более высокие значения в пределах текучести и ударной вязкости.

В результате этих превращений закаленная углеродистая сталь, нагретая до 300-500°С, получает структуру троостита отпуска (рисунок 2.3, а), а при нагреве до 500-700°С структуру сорбита отпуска (рисунок 2.3, б). Цементит в троостите и сорбите отпуска имеет зернистую форму, что обусловливает в отпущенной стали понижение прочности и твердости и повышение пластичности и вязкости по сравнению с закаленной сталью. Дисперсность структурных составляющих в троостите отпуска выше, чем в сорбите, и поэтому твердость и прочность стали, имеющей структуру троостита отпуска, выше чем у стали, отпущенной на сорбит, а пластичность и вязкость -- ниже.

а) б)

Рисунок 2.3 - Микроструктура троостита (а) и сорбита (б) отпуска

При комнатной температуре и очень длительных выдержках в закаленной углеродистой стали протекает упрочняющий отпуск (естественное термическое старение), характерный тем, что твердость и прочность ее увеличиваются, а пластичность и вязкость уменьшаются. Уже при невысоком нагреве этот процесс ускоряется (искусственное термическое старение). Однако чем выше температура нагрева, тем быстрее происходит не только упрочнение, но и разупрочнение стали. Изменение механических свойств при термическом старении низкоуглеродистой стали более заметно, чем в средне- и высокоуглеродистых.

Размещено на Allbest.ru