Основи матеріалознавства

Термічна обробка поділяється на власне термічну, хіміко-термічну і деформаційно-термічну. Перша в свою чергу включає чотири основні групи: відпал першого роду, відпал другого роду, загартування, відпуск.

В і д п а л п е р ш о г о р о д у сприяє усуненню відхилень у структурі сплавів від рівноважного стану, що виникли при литті, деформуванні, механічній обробці, зварюванні й інших технологічних процесах. Розрізняють такі основні види відпалу першого роду: дифузійний, рекристалізаційний, низький.

Дифузійний, або гомогенізуючий, відпал застосовується для усунення ліквації, тобто неоднорідності хімічного складу всередині окремих зерен або в об'ємі сплаву, що виникає частіше всього в процесі кристалізації. Він полягає у нагріванні сталі до температур, що значно перевищують критичні (1050...1200°С), тривалій витримці (10... 100 год) і повільному охолодженні (з виключеною піччю), що забезпечує дифузію нерівномірно розподілених елементів.

Для усунення різноманітних відхилень у структурі сплавів від рівноважного стану, що виникнули в результаті наклепу при холодному пластичному деформуванні, застосовується рекристалізаційний відпал. Він включає нагрівання металу до температур, що перевищують температуру рекристалізації (для сталі Трекр = 0,3...0,4 Тпл), витримку (1...2 год) і повільне охолодження.

Низький відпал застосовується для усунення залишкових внутрішніх напружень, що виникають, наприклад, у зоні термічного впливу при зварюванні виробів, внаслідок нерівномірного охолодження виливків або зрізання окремих об'ємів металу при механічній обробці і порушення врівноважених напружень між окремими частинами деталі. Він включає нагрівання металу до температур 150...700°С, витримку і наступне повільне охолодження.

В і д п а л д р у г о г о р о д у (фазова перекристалізація) - термічна обробка, що включає нагрівання сталі до температур, що перевищують Аc1, або Ac3, витримку і повільне охолодження, що має за мету забезпечення фазових перетворень і досягнення практично рівноважних (відповідно до діаграми стану системи Fe - Fe3C) фазового і структурного станів. Після відпалу структура сталей така: доевтектоїдних - Ф + П, евтектоїдної - П; заевтектоїдних - П + ЦІІ. Оскільки такий відпал забезпечує мінімальну твердість і найкращу оброблюваність сталі різанням, як правило, він є підготовчою термічною обробкою перед обробкою різанням. Проте в деяких випадках (наприклад, для крупних виливків) він може бути й остаточним видом обробки. Розрізняють такі основні види відпалу другого роду: повний, неповний, нормалізаційний, ізотермічний.

При повному відпалі сталь нагрівають до температури, що на 20...30°С перевищує Ac3, витримують при цій температурі, повільно охолоджують до 500...600°С разом із піччю, а потім на повітрі. Повний відпал забезпечує повну фазову перекристалізацію і застосовується, як правило, для доевтектоїдних сталей з метою усунення дефектів структури (крупнозернистої, відманштеттової тощо).

При неповному відпалі температура нагрівання сталі на 20...30° С вище Аc1, але не перевищує Ac3 або Accm. Після витримки сталь повільно охолоджують разом із піччю. При нагріванні відбувається часткова (неповна) перекристалізація сталі (в початковій структурі Ф + П або П + ЦІІ, при нагріванні тільки перліт перетворюється в аустеніт). Неповний відпал, проведений для заэвтектоїдних сталей, називають сфероідізацією. Він дозволяє одержувати сталь із структурою зернистого перліту. Така сталь має більш низьку твердість, вищу пластичність і кращу оброблюваність різанням, ніж сталь із пластинчастим перлітом. Для доетектоїдних сталей неповний відпал також застосовують з метою покращання оброблюваності різанням.

Нормалізаційний відпал (нормалізація) включає нагрівання доевтектоїдної сталі до температури на 30...50°С вище Ac3, а заевтектоїдної - на 30...50°С вище Accm, ізотермічну витримку й охолодження на спокійному повітрі. Прискорене охолодження при нормалізації дозволяє отримати більш дисперсну (здрібнену) структуру сталі, що призводить до підвищення її твердості та міцності в порівнянні зі сталлю, що піддавалась повному відпалу. Оскільки температури нагрівання під нормалізацію порівняно високі, то щоб уникнути значного росту зерна металу, витримка повинна бути мінімальною, але забезпечувати рівномірний прогрів виробу по всьому перетину.

Нормалізацією усувається цементитна сітка в заевтектоідних сталях при підготовці їх до загартування. З огляду на більш високу продуктивність нормалізації в порівнянні з повним або неповним відпалом, їх часто заміняють нею при підготовці вуглецевих сталей до механічної обробки.

Ізотермічний відпал включає нагрівання сталі до температури, що на 30...50°С перевищуює Ас3, витримку, а потім перенос деталі в іншу піч із заданою температурою (нижче А1) і ізотермічну витримку її до повного розпаду аустеніту. Ізотермічний відпал покращує оброблюваність різанням і застосовується для деталей і заготівок невеликих розмірів.

Г а р т у в а н н я - термічна обробка, що включає нагрівання сталі вище критичних температур, ізотермічну витримку і наступне охолодження зі швидкістю вище критичної (vкр). Під к р и т и ч н о ю ш в и д к і с т ю г а р т у в а н н я розуміють мінімальну швидкість охолодження, що забезпечує бездифузійне перетворення аустеніту в мартенсит. Мета гартування - підвищення твердості, міцності і зносостійкості сталі. Змінюючи швидкість охолодження нагрітих сталей, що мають аустенітну структуру, і варіюючи тим самим ступінь переохолодження, можна одержувати сталі з різноманітною структурою і властивостями (рис. 8.1).

Так, при невеликих швидкостях охолодження (V1, V2, V3) в інтервалі температур 720...550°С з аустеніту утворюються пластинчасті феритно-цементитні суміші (перліт, сорбіт або троостит). По мірі збільшення швидкості охолодження дисперсність суміші, нерівновісність структури сталі, а отже, її твердість і міцність зростають. При охолодженні зі швидкістю вище критичної ( V5) з аустеніту утвориться мартенсит, що є пересиченим твердим розчином проникнення вуглецю в гратку -Fe.Залежність критичної швидкості гартування від вмісту вуглецю в сталі представлена на рис. 8.2. На vкр впливає також вид охолоджуючого середовища, розмір зерна та легуючі елементи.

Рис. 8.1 Діаграма ізотермічного розпаду переохолодженого аустеніту з накладеними на неї кривими охолодження

По зростанню інтенсивності охолодження застосовувані в практиці термічної обробки охолодні середовища можна розташувати так: мінеральні мастила, вода, водяні розчини солей, кислот, лугів. Для загартування вуглецевих сталей краще вода або водяні розчини солей. Ідеальний охолодник при загартуванні такий, що не викликає розпаду аустеніту на перлітні структури, забезпечуючи максимальну швидкість охолодження в інтервалі температур А1 - Мн і мінімально допустиму в мартенситному інтервалі, що виключає появу значних внутрішніх структурних і термічних напружень, жолоблення, тріщин. Недолік води як охолоджувача: висока швидкість охолодження в мартенситному інтервалі і різке падіння охолоджуючої спроможності при її нагріванні. Мінеральні мастила позбавлені цих хиб, але характеризуються в декілька разів меншою охолодною спроможністю. Тому їх доцільніше застосовувати для охолодження легованих сталей, критична швидкість загартування яких менше, ніж вуглецевих.

Рис. 8.2 Критична швидкість гартування в залежності від вмісту вуглецю в сталі

Загартування доевтектоідних сталей, що включає нагрівання до температур вище Ас3 тобто в аустенітний стан, називають повним. Для заевтектоїдних сталей використовують неповне загартування, при якому сталь, нагріта до температури дещо вище Ас1, набуває структури А+ЦІІ, при охолодженні проходить лише перетворення А М, тобто часткова (неповна) зміна структури. Зберігання деякої частки твердого і зносостійкого вторинного цементиту сприяє підвищенню механічних властивостей сталі. Повне загартування заевтектоїдних сталей із нагріванням до температур, що перевищують Асcm, призводить до підвищення вмісту в них аустеніту залишкового і погіршенню властивостей загартованих сталей.

Неповне загартування доевтектоїдних сталей небажане, тому що після нього разом з твердим мартенситом зберігається м'який надлишковий ферит. В промисловості, в залежності від характеру охолодження, застосовують різноманітні способи загартування: в одному охолоджувачі (неперервне гартування), у двох охолоджувачах (перервне гартування), ступінчасте, ізотермічне, гартування з самовідпуском. Завершальною операцією після гартування є відпуск сталі.

В і д п у с к - операція термічної обробки, що полягає в нагріванні загартованої сталі до температур нижче Ас1, витримці при цій температурі, охолодженні. Мета відпуску - зменшення внутрішніх напружень у металі й одержання необхідних структури і властивостей.

Низький відпуск включає нагрівання загартованої сталі до 150...250°С. Він застосовується для надання поверхневим шарам виробів високої твердості та зносостійкості. Низький відпуск, дещо зменшуючий внутрішні напруги, підвищує в'язкість сталі при зберіганні нею високої твердості, широко застосовують для виготовлення мірильного, різального і штампового інструмента (шаблони, фрези, мітчики, зубила, штампи, волоки та ін.), для деталей після насичення вуглецем ( після цементування). Структура сталі після низького відпуску називається мартенсит відпуску.

При середньому відпустку загартована сталь нагрівається до 300...400°С, чим забезпечується одержання структури трооститу відпуску, яка має достатню твердість (40...55 HRC) і міцність при високій межі текучості. Середній відпуск ще в більшій степені, ніж низький, сприяє зменшенню внутрішніх напружень і найбільш часто застосовується при термічній обробці ресор та пружин.

Високий відпуск включає нагрівання загартованої сталі до 500...650°С і забезпечує отримання структури сорбіту відпуску з гарним комплексом властивостей (міцність, ударна в'язкість, твердість). Тому загартування з високим відпуском називають поліпшенням і застосовують для відповідальних деталей із середньовуглецевих сталей (колінчасті вали, шатуни тощо). При нагріванні загартованої сталі до температур вище 650оС утворюється структура перліт відпуску.

На рис.8.3 показано лівий кут діаграми стану Fe - Fe3C і температурні області нагрівання при термічній обробці сталей, а на рис.8.4 - схему режимів різних видів термічної обробки.

Рис. 8.3 Температурні області нагрівання при термічній обробці сталі 1 - дифузійний (гомогенізуючий) відпал; 2 - повний відпал, повне гартування; 3, 4 - нормалізація; 5 - рекристалізаційний відпал; 6 - відпуск; 7 - неповний відпал, неповне гартування

Рис. 8.4 Схеми режимів термічної обробки сталей: 1 - повний відпал; 2 - неповне гартування; 3 - повне гартування; 4 - нормалізація; 5 - високий відпуск; 6 - середній відпуск; 7 - неповний відпал; 8 - низький відпуск

На рис.8.5 показана залежність механічних властивостей вуглецевої сталі від температури відпуску. По цій залежності розрізняють низькотемпературний (низький), середньотемпературний (середній) і високотемпературний (високий) види відпуску.

Троостит, сорбіт і перліт відпуску на відміну від одержуваних з аустеніту при безперервному охолодженні мають зернисту, а не пластинчасту будову. Сталі з зернистою структурою характеризуються більш високою пластичністю і кращою оброблюваністю різанням.

Рис. 8.5 Залежність механічних властивостей сталі від температури відпуску

Завдання на роботу

1. Призначити термічну обробку і скласти її режими для сталі у відповідності з табл.8.2

2. Описати структуру після проведення призначеної термічної обробки.

3. Навести механічні властивості сталі після термічної обробки.

4. Зробити висновки по роботі і скласти звіт відповідно до завдання.

Які лінії на діаграмі стану ''залізо-вуглець'' позначаються як А1, А2, А3, А4, Аcm ?

Які види термічної обробки для сталей існують?

Які види відпалу сталей ви знаєте?

З якою метою призначають повний відпал доевтектоїдних сталей? До яких температур нагрівають ці сталі при повному відпалі?

З якою метою призначають неповний відпал доевтектоїдних сталей? До яких температур нагрівають ці сталі при повному відпалі?

З якою метою призначають відпал заевтектоїдних сталей? До яких температур нагрівають ці сталі при відпалі?

Яка термічна обробка називається нормалізацією? До яких температур нагрівають до- та заевтектоїдні сталі при нормалізації?

Які структури можуть утворюватися в сталях при їх різній швидкості охолодження з аустенітного стану?

В чому полягає термічна обробка ''гартування'' для сталей?

Яка швидкість охолодження сталей називається критичною?

Яка структура називається ''мартенсит''?

Від чого залежить кількість залишкового аустеніту при гартуванні?

До яких температур нагрівають сталі різного хімічного складу при гартуванні?

Які види відпуску існують?

Для яких сталей призначають низький, середній та високий відпуск?

Яка термічна обробка сталей називається покращанням?

9. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 9

ТЕРМІЧНА ОБРОБКА АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ

Мета роботи: вивчення режимів термічної обробки алюмінієвих сплавів (загартування і штучне старіння), структурних перетворень, що протікають при термічній обробці, і зміни властивостей сплавів в залежності від цих перетворень.

Матеріали тв обладнання. При виконанні даної лабораторної роботи потрібні такі матеріали та обладнання: зразки аюмінієвого сплаву ''дуралюмін'', термічна піч, термопара з приладом реєстрації температури, прилад Брінеля для вимірювання твердості.

Теоретичні відомості. Вироби з алюмінієвих сплавів піддаються в більшості випадків термічній обробці: відпалу, загартуванню, старінню. Структура і властивості сплавів істотно залежать від режимів термічної обробки, які для алюмінієвих сплавів є достатньо різноманітними.

Вироби і напівфабрикати з алюмінієвих сплавів виготовляються або методом лиття (силуміни, А1-Сu - сплави та ін.), або шляхом пластичного деформування (дуралюміни А1-Сu-Mg, сплави А1-Mg-Si та ін.). При холодному деформуванні, як відомо, відбувається наклеп (нагартовка). Тому в марці алюмінієвих сплавів при необхідності обумовляється, яким методом рекомендується виготовляти вироби і яка (%) залишкова нагартовка: М - м'ягкий відпалений сплав; Н - нагартованный (АМцН); П - напівнагартований (дротовий сплав АМцП); H1 - умовно нагартований на 15...20 % (АМцН1).

В і д п а л у піддаються сплави, що знаходяться в нерівноважному стані -- ливарні, холоднодеформовані або попередньо термічно оброблені -- з метою отримання в них рівноважної структури.

Гомогенізуючий відпал зливків усуває хімічну неоднорідність (ліквацію) твердого розчину. Відпал для стабілізації розмірів ливарних виробів проводиться у випадку, якщо вироби при роботі не мають великих навантажень, але потрібне зберігання їх розмірів в процесі експлуатації (наприклад, деталі приладів із сплаву АЛ9). Відпал при 290С забезпечує у виробах стабільно рівноважну структуру, в якій ніякі перетворення потім не протікають.

Рекристалізаційний відпал пластично деформованих виробів усуває текстуру сплаву і знижує наклеп. В результаті утворюється рівновноважна високопластична структура. Знеміцнюючий відпал термічно оброблених виробів із нерівноважною зміцненою структурою повертає їх до вихідної, рівноважної структури. Відпал для алюмінієвих сплавів в більшості випадків не є остаточною операцією, а проміжною або підготовчою в технологічному процесі виробництва виробів.

З а г а р т у в а н н ю піддаються алюмінієві сплави з метою одержання в них шляхом швидкого охолодження нерівноважної структури - пересиченого твердого розчину легуючих елементів в алюмінії. Гартують сплави тих систем, у яких спостерігається змінна розчинність хоча б одного з елементів в основному розчині, що збільшується при підвищенні температури (рис.9.1).

Рис. 9.1 Схема діаграми стану системи Al -легуючий елемент В

Сплави зі структурою пересиченого твердого розчину характеризуються порівняно високими пластичністю і міцністю. У більшості випадків їх міцність може бути додатково підвищена за рахунок наступного старіння. Проте ряд сплавів системи А1-Mg, наприклад АЛ8 (9,5...11,5 % Mg) і особливо сплави А1-Si і А1-Мn, підвищують міцність в основному не в результаті дисперсійного твердіння, а при загартуванні за рахунок легування основного розчину. Оскільки в таких сплавах при наступному старінні міцність підвищується незначно, а пластичність істотно знижується, то як остаточну термічну зміцнюючу обробку для них застосовується загартування з охолодженням на повітрі або в підігрітому маслі в залежності від розмірів і конфігурації виробів. Охолодження з такими швидкостями забезпечує достатню міцність сплавів при високій пластичності і попереджає утворення гартівних тріщин.

Нагрівання сплавів під загартування у випадку їх наступного старіння здійснюють в однофазну область твердого розчину до допустимо високої температури, близької до початку оплавлення, що необхідно для повного розчинення фаз зміцнювачів (див. рис. 9.1). Охолодження ведеться з максимальною швидкістю для фіксації атомів елементів, що розчинилися в гратці алюмінію. Наприклад, дуралюмін Д20 (6,5 % Сu; 1,6 % Mg; 0,4 % Мn) гартується у воді або маслі з температури (535 ± 5)С. Дуралюмін Д16 (4,4 % Сu; 1,5 % Mg; 0,6 % Mn), що має в литому стані структуру -твердого розчину і фази зміцнювачів (CuAl2), (Al2MgCu), що входять у евтектику, нагрівають до 495...502С. Температура плавлення евтектики дорівнює 506С.

С т а р і н н я або д и с п е р с і й н е т в е р д і н н я - процес розпаду нестабільного пересиченого твердого розчину, отриманого загартуванням, шляхом дифузійного перерозподілу атомів і поступового наближення структури до рівноважного стану. В одних сплавах він починається при кімнатній температурі відразу ж після охолодження і посилюється з часом. Цей процес, що протікає при порівняно низьких температурах, називається природним старінням (низькотемпературне старіння). В інших сплавах розпад можливий при підвищених температурах - штучне старіння (високотемпературне старіння ).

Швидкість зміцнення сплавів росте з підвищенням температури старіння (рис.9.2).

Велике технологічне значення має період часу, протягом якого загартовані алюмінієві сплави зберігають свою пластичність. У цей період проводяться такі остаточні операції, як розклепка заклепок, згинання і правка виробів і т.п. Він може бути подовжений перенесенням загартованих виробів у контейнери з низькою (нижче 0ОС) температурою.

Тривалість процесу старіння гартованих алюмінієвих сплавів може бути різною в залежності від необхідних механічних властивостей - міцності і пластичності.

Рис.9.2 Зміна межі міцності загартованих дуралюмінів в залежності від тривалості витримки та температури старіння

Завдання на роботу

1. Привести стислий виклад основних теоретичних положень термічної обробки алюмінієвих сплавів.

2. Вивчити, замалювати і пояснити мікроструктуру відпаленого сплаву Д16, зазначити його хімічний склад і область застосування.

3. Провести загартування зразків перерізом 1015 мм; температура нагрівання 495±5С, витримка 20...30 хв, охолодження у воді.

4. Виміряти твердість зразків після загартування.

5. Провести штучне старіння гартованих зразків при температурах 100, 200, 300С з витримками в 10, 20 і 30 хв.

6. Виміряти твердість штучно зістарених зразків.

7 Скласти таблицю твердостей гартованих і зістарених зразків

8. Побудувати графічні залежності твердості від тривалості старіння при всіх досліджуваних температурах (за вихідну прийняти твердість гартованого зразка)

9. Описати мікроструктуру зістарених зразків і структурні перетворення, що викликали зміну їх твердості.

10. Сформулювати висновки і написати звіт по роботі відповідно до вищезазначених пунктів завдання.

Контрольні питання для самопідготовки

Яким видам термічної обробки піддають алюмінієві сплави?

В чому полягає зміцнювальна термічна обробка алюмінієвих сплавів?

До якого фазового стану нагрівають алюмінієві сплави при їх гартуванні?

З якою метою проводиться ''старіння'' алюмінієвих сплавів?

Які види старіння існують для алюмінієвих сплавів?

В чому полягає механізм старіння?

ЛІТЕРАТУРА

1. Кузін О.А., Яцюк Р.А. Металознавство та термічна обробка металів. Підручник. - Львів: Афіша, 2002. - 304 с.

2. Металознавство: Підручник / О.М.Бялік, В.С.Черненко та ін. - 2-ге вид., перероб. і доп. - К.: ІВЦ ''Видавництво <<Політехніка>>'', 2002. - 384 с.

3. Практикум по технологии конструкционных материалов и материаловедению /Под общей ред. С.С.Некрасова. - М.: Агропромиздат, 1991.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 493 с.

Размещено на Аllbеst.ru