Основы термической и химико – термической обработки металлов

Термической обработкой называют процессы теплового воздей­ствия по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств сплава. От термической обработки зависит качество и стой­кость в работе деталей и инструмента.

Основоположником теории и рациональных методов термической обработки стали является русский ученый Д. К. Чернов.

Теория термической обработки стали основана на общей теории фазовых превращений, протекающих в сплавах в твердом состоянии. Знание теории фазовых и структурных превращений, протекающих при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью, позволяет управлять процессами термической обработки и получать сталь с необходимыми структурой и свойствами.

Превращения в стали при нагреве

Превращение перлита в аустенит. В исходном состоянии сталь представляет собой смесь фаз феррита и цементита. Затем начинается образо­вание мелких зерен аустенита (рис. 7, а), в которых растворяется цементит. Затем образовавшиеся зерна растут, зарождаются новые мелкие зерна аустенита (рис. 7, б, в) и продолжается растворение цементита. Процесс заканчивается заполнением объема бывшего

перлитного зерна зернами аустенита (рис. 7, г)

Рисунок 7 Схема образования аустенитных зерен

Превращение перлита в аустенит — процесс кристаллизацион­ного типа и носит диффузионный характер, так как сопровождается перемещением атомов углерода на расстояния больше межатомных. Рост зерна аустенита при нагреве. Образующиеся при нагреве из зерен перлита зерна аустенита получаются мел­кими и называются начальными зернами аустенита. При повышении температуры происходит рост зерен и тем в большей степени, чем выше температура нагрева. Но склон­ность к росту зерен с повышением температуры у сталей различная. Стали, раскисленные в процессе выплавки кремнием и марганцем, обладают склонностью к непрерыв­ному росту зерна с повышением температуры. Такие стали назы­вают наследственно крупнозерни­стыми (рис. 8). Стали, раскислен­ные в процессе выплавки дополни­тельно алюминием, не обнаружи­вают роста зерна при нагреве до значительно более высоких темпе­ратур (900—950 °С). Такие стали называют наследственно мелкозер­нистыми (рис. 8). Благоприятное влияние алюминия объясняется образованием ни­ трида алюминия A1N, который в виде мелких включений располага­ется по границам зерен и тормозит их рост. При определенной темпе­ратуре происходит растворение включений в аустените, и зерна начи­нают расти очень быстро. Наследственную зернистость оценивают баллами по

специальной шкале зернистости.

Рисунок 8 Схема роста зерна аустенита в наследственно мелкозернистой (а) и крупнозернистой (б) сталях.

Превращения в стали при охлаждении
Превращение аустенита в перлит может происходить только при температурах ниже 727° С Для распада аустенита должно быть его переохлаждение.

Образцы стали, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой сре­дой, имеющей температуру ниже 727⁰ С и выдерживают до завер­шения превращения.
Видов термической обработки: собственно терми­ческая обработка—только термическое воздействие на сталь; термомеханическая —сочетание термического воздействия и пластической деформации; химико-термическая—сочетание термического и хими­ческого воздействия.

Собственно термическая обработка подразде­ляется на отжиг (первого и второго

рода), закалку и отпуск.
-Отжиг стали
Отжигом называется нагрев стали до определенной температуры, выдержка и последующее медленное охлаждение (в печи) с целью получения более равновесной структуры.

Отжиг первого рода – это отжиг, при котором не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а происходит приведение структуры из неравновесного состояния в более равновесное. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный.

Гомогенизационный отжиг - это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950 °С (обычно при 1100—1200 °С) с целью выравнивания химического состава в результате диффузии.

Рекристаллизационный отжиг применяют для заготовок, обработанных давлением (прокаткой, волочением, ковкой, штамповкой). С увеличением в металле количества дислокаций прочность сначала понижается, а затем повышается. Упрочнение металла при избытке дислокаций объясняется тем, что они препятствуют перемещению друг друга и поэтому затрудняют пластическую деформацию. Упрочнение металла в результате пластической деформации, проводимой при комнатной температуре (холодная деформация), например прокатка, волочение, называется наклепом. При рекристализационном отжиге деформированные вытянутые зерна становятся равноосными, в результате твердость снижается, а пластичность и ударная вязкость повышаются. Для полного снятия внутреннего напряжения в стали нужна температура не менее 600 ⁰С. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным; при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.

Отжиг второго рода - это отжиг, при котором изменяется структура сплава (перекристаллизация). Раз­личают следующие разновидности отжига второго рода: полный, не­полный, изотермический, нормализационный (нормализация).
При полном отжиге понижаются твердость и прочность стали. В результате полного отжига структура стали ста­новится близкой к равновесной, что способствует лучшей обраба­тываемости резанием и штамповкой. Полный отжиг используют также как окончательную операцию термической обработки заготовок.

Отжигом достигается также измельчение зерна. Крупнозерни­стая структура получается, например, в результате перегрева стали, такая структура называется видманштетовой.

С ростом зерна снижается ударная вяз­кость, особенно при высокой твердости (после закалки и низкого отпуска), повы­шается склонность к закалочным трещинам.

Неполный отжиг применяют после горячей обработки давлением, когда у заготовок мелкозернистая структура.

При изотермическом отжиге после нагрева и выдержки заготовки быстро охлаждают и выдерживают при этой температуре, после чего охлаждают на воздухе.

При нормализации сталь после нагрева охлаждается не в печи, а на воздухе в цехе, что экономичнее. Нагрев ведется до полной перекристаллизации. В результате нормализации сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность после нормализации выше, чем после отжига. Часто нормализацией улучшают структуру перед закалкой.