Термическая обработка сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНTСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ

Выполнил студент

Строительного факультета

группы ПСК 13-1-бзу:

Кутявина Дарья Александровна

Проверил преподаватель:

Пермяков Александр Сергеевич

Пермь

2015



Содержание

Введение

Температура и время

Классификация видов термической обработки

Термическая обработка и диаграмма состояния

Основные виды термической обработки стали

Четыре основных превращения в стали

Список литературы



Введение

Изучение процессов термической обработки стали началось с открытия Д. К. Черновым критических точек в стали (1868 г.).

Положение Д. К. Чернова о том, что свойства сталей определяются структурой, а последняя зависит от температуры нагрева и скорости охлаждения, стало общепризнанным, и в течение последующих десятилетии исследователи устанавливали связь между структурой и условиями ее образования (главным образом температурой нагрева и скоростью охлаждения).

Постепенно исследователи пришли к убеждению, что характер структуры (ее строение, свойства и т.д.) определяются температурой ее образования. Чтобы уяснить процессы, происходящие при термической обработке, надо изучать кинетику превращений при разных температурах и факторы, влияющие на эту кинетику.

Эти положения стали основой разносторонних опытов, поставленных С. С. Штейнбергом. В результате систематических опытов, направленных к одной цели -- исследовать кинетику превращений в стали, С. С. Штейнбергу (в 1930-- 1940 гг.) и его ученикам и последователям удалось накопить обширный экспериментальный материал, который после обобщений составил основу современных представлений о превращении в стали и современной теории термической обработки стали.

Одновременно или несколько позднее, но в том же направлении, в каком работала школа С. С. Штейнберга, начали проводить работы зарубежные исследователи. В первую очередь следует отметить работы американских ученых Мела и Бейна, а также немецких ученых Вефера, Эссера, Ганнемана, которые в многочисленных и обстоятельных исследованиях изучали кинетику превращения в различных по составу сталях.

Выяснить природу закаленной стали можно, лишь применяя рентгеновские лучи и другие методы физического анализа металлов (электронный микроскоп, внутреннее трение и др.).

Многочисленные работы Г. В. Курдюмова и его учеников, а также зарубежных металлофизиков выявили важные особенности тонкой структуры стали.

В 40-50-е годы XX века на отечественных промышленных предприятиях пытались внедрить криогенную обработку инструмента из быстрорежущих сталей в жидком азоте, но это не только не давало ожидаемого результата, но и приводило к снижению прочности инструмента, поскольку появлялись микротрещины из-за резкого и неравномерного охлаждения.

Несмотря на попытки внедрения криогенной технологии на промышленных предприятиях как метода, позволяющего преобразовать остаточный аустенит в мартенсит, пришлось отказаться. Возможно из-за неудачных опытов, которые имели место быть, но в основном из-за экономической нецелесообразности -- высокой стоимости азота, как основного хладагента.

В США, Японии, Германии, Южной Корее тему криогенной обработки как эффективного способа обработки конструкционных и инструментальных сталей развивали, и десятилетия исследований и опытов привели к результату -- в настоящее время технология криогенной обработки успешно применяется во многих отраслях промышленности.

Использование инструмента, обработанного сверхнизкими температурами, позволяет предприятиям значительно сократить расходы за счет:

увеличения износостойкости инструмента, деталей и механизмов

снижения количества брака

сокращения затрат на ремонт и замену технологического оснащения и инструмента.

Металлообработка и машиностроение:

увеличение ресурса инструмента и оборудования до 300 %

увеличение износостойкости материалов

увеличение циклической прочности

увеличение коррозионной и эрозионной стойкости

снятие остаточных напряжений

Транспорт и спецтехника:

увеличение ресурса тормозных дисков до 250 %

повышение эффективности работы тормозной системы

увеличение циклической прочности пружин подвески и других упругих элементов на 125 %

увеличение ресурса и мощности двигателя

снижение расходов на эксплуатацию транспортных средств

Оборонная промышленность:

увеличение живучести стволов до 200 %

уменьшение влияния нагрева стволов на результаты стрельбы

увеличение ресурса узлов и механизмов

Добывающая и обрабатывающая промышленность:

увеличение стойкости породоразрушающего инструмента до 200 %

уменьшение абразивного износа машин и механизмов

увеличение коррозийной и эрозийной стойкости оборудования

увеличение ресурса промышленного и горнодобывающего оборудования

Аудиотехника и музыкальные инструменты:

уменьшение искажения сигнала в проводниках

уменьшение рассеиваемого проводниками тепла на 30-40 %

улучшение музыкальной детальности, ясности и прозрачности звучания

расширение диапазона звучания музыкальных инструментов

Применение криогенной обработки актуально практически для любой отрасли, где есть необходимость повышения ресурса, увеличения усталостной прочности и износостойкости, а также требуется рост производительности.

Для России эта технология уникальна. Единственный в России Центр оказывает услуги не только по криогенной обработке металлопродукции с целью повышения ресурса, но и производит криопроцессоры (системы для проведения обработки) под любые габариты изделий.

Криогенная технология не только может поспорить с применяемыми традиционными технологиями в сфере увеличения износостойкости и упрочнения, но и существенно улучшить механические характеристики обрабатываемых изделий без нежелательного повышения хрупкости и других побочных эффектов. При этом применение технологии криогенной обработки позволяет значительно снизить издержки, что в конечном итоге обязательно отразится на эффективности предприятия и позволит ему занять лидирующие позиции на рынке.



Температура и время

Технология металлов состоит из трех основных видов: 1) металлургии -- получение металла заданного состава; механической технологии -- получение из металла изделий заданной внешней формы; термической обработки -- получение заданных свойств.

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры. Термическая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств детали.

Цель любого процесса термической обработки состоит в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующим охлаждением вызвать желаемое изменение строения металла.

(Рис. 1) График (режим) простой (а) и сложной (б, в) термической обработки

Основные факторы воздействия при термической обработке температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах t (температура) и т (время) (Рис 1).

Режим термической обработки характеризуют следующие основные параметры: температура нагрева , т. е. максимальная температура, до которой был нагрет сплав при термической обработке; время выдержки сплава при температуре нагрева; скорость нагрева и скорость охлаждения .

Если нагрев (или охлаждение) происходит с постоянной скоростью, то в координатах температура -- время процесс характеризуется прямой линией с определенным, постоянным углом наклона.

Классификация видов термической обработки

Для изменения свойств сплава необходимо, чтобы в сплаве в результате термической обработки произошли остающиеся изменения, обусловленные в первую очередь фазовыми превращениями.

Все виды термической обработки можно разделить на четыре основные группы:

Первая группа. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пластическая деформация создает наклеп -- искажение кристаллической решетки. При затвердевании -- не успевают протекать диффузионные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказывается неоднородным. Быстрое охлаждение или неравномерное приложение напряжений делает неравномерным распределение упругой деформации. Неустойчивое состояние при комнатной температуре сохраняется долго, так как теплового движения атомов при комнатной температуре недостаточно для перехода в устойчивое состояние.

Нагрев (увеличение тепловой подвижности атомов) приводит к тому, что процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической решетки, рекристаллизация, диффузия), достигают заметных скоростей.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его в более устойчивое состояние, называется отжигом.

Если в сплавах при нагреве происходит фазовое превращение (аллотропическое превращение, растворение второй фазы и т. д.), то нагрев выше некоторой критической температуры вызывает изменение в строении сплава. При последующем охлаждении произойдет обратное превращение. Если охлаждение достаточно медленное, то превращение будет полное и фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию.

Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых превращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг называется отжигом первого рода. Если у сплава есть фазовое превращение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусловленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется как отжиг второго рода или фазовая перекристаллизация.

Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой. Во многих случаях закалка не фиксирует совсем (или фиксирует не полностью) состояние сплава, устойчивое при высоких температурах. Поэтому предельный случай закалки, когда состояние сплава, характерное для высоких температур, фиксируется, называется истинной закалкой, в отличие от закалки в более широком смысле, когда фиксируется не состояние сплава при высокой температуре, а некоторая его стадия структурного превращения, при которой в сплаве не достигнуто еще равновесное состояние.

Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхностный) нагрев.

Между закалкой и отжигом второго рода есть общее. И в том, и в другом случае сплав нагревается выше температуры фазового превращения, и окончательное строение приобретает в результате превращения при последующем охлаждении. Однако между обоими видами имеется и принципиальная разница. При отжиге второго рода цель охлаждения -- приближение сплава к равновесному состоянию, поэтому охлаждение проводят медленно. При закалке охлаждение быстрое, чтобы отдалить структурное состояние сплава от равновесного.

Третья группа. Состояние закаленного сплава характеризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий подвижность атомов, способствует этим превращениям. При повышении температуры закаленный сплав все больше приближается к равновесному состоянию. Такая обработка, т. е. нагрев закаленного сплава, но ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском. И при отжиге первого рода, как и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не было фазовых превращений, а для отпуска -- предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск -- вторичная операция, осуществляемая всегда после закалки. Отпуск иногда называют старением. В одних случаях старением называют длительный низкотемпературный нагрев, объединяя при этом отжиг 1 рода и отпуск, в других -- нагрев закаленной стали называют отпуском, а нагрев закаленных сплавов цветных металлов -- старением. Сейчас рекомендуют такое разграничение отпуска и старения: отпуск -- это нагрев закаленного сплава, имеющего фазовые превращения; старение -- это нагрев закаленного сплава, не имеющего фазовых превращений. В этом случае закаленное состояние характеризуется пересыщением твердого раствора. Дадим краткое определение основных видов термической обработки.

О т ж и г -- термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.

Закалка -- термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

Отпуск -- термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.

Кроме этих основных видов термической обработки, имеются еще два принципиально отличных способа, представляющих сочетание термической обработки с металлургией или механической технологией.

Способность металлов растворять различные элементы позволяет при повышенных температурах атомам вещества, окружающего поверхность металла, диффундировать внутрь его, создавая поверхностный слой измененного состава. При этой обработке изменяется не только состав, но и структура поверхностных слоев, а иногда сердцевины. Такая обработка называется химико-термической обработкой (ХТО). К этому виду химико-термической обработки относится как бы обратный процесс -- удаление элементов путем подбора соответствующих сред. Диффузионная подвижность неметаллов (С, N, О, Н, В) существенно отлична от подвижности металлов, поэтому химико-термическую обработку подразделяют на диффузионное насыщение неметаллами и металлами. Обработка по этому виду одновременно принадлежит двум разделам технологии металла, так как при химико-термической обработке направленно изменяется и состав металла, и его структура.

Укажем, что сквозная цементация (насыщение стали углеродом) в середине прошлого века и ранее была типичным металлургическим процессом, так как только таким способом изготавливали высокоуглеродистые стали. В последнее время применение получает обработка, в которой в едином технологическом процессе сочетаются деформация и структурные превращения. Такая обработка получила название деформационно-термическая. Очевидно, в данном случае имеем объединение механической технологии и термической обработки. Существенное значение имеет и такой факт, когда осуществляется пластическая деформация до или после превращения. Для того, чтобы разделить эти процессы, деформационно-термическую обработку разделяют на термомеханическую обработку ТЛЮ (деформация осуществляется до превращения) и механико-термическую обработку МТО (деформация осуществляется после превращения). Таким образом, к трем основным видам термической обработки (отжиг, закалка, отпуск) должны быть добавлены две сложные обработки: химико-термическая обработка -- нагрев сплава в соответствующих химических реагентах для изменения состава и структуры поверхностных слоев: деформационно-термическая обработка -- деформация и последующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа.

Термическая обработка и диаграмма состояния

При термической обработке происходит превращение, протекающее во времени, и невозможно установить, какое изменение вносит время, если неизвестно, каково устойчивое состояние сплава.

Диаграмма состояния показывает, каким видам термической обработки может быть подвергнут сплав и в каких температурных интервалах следует производить обработку. Для обработки и проведения отжига (II рода), закалки и отпуска в сплаве должны происходить фазовые превращения в твердом состоянии, т. е. при нагреве должны происходить или существенные

изменения растворимости, или аллотропические превращения.

(Рис. 2) Диаграммы состояния.

Следует отметить, что во всех сплавах, лежащих между точками F и D (рис. 2, а), нагрев может вызвать полное растворение избыточной в-фазы и получение при высоких температурах однородного б-раствора. В термической обработке у такого сплава будет участвовать вся структура. Для сплавов, лежащих правее точки D, часть в-фазы остается нерастворенной и эта часть структуры не участвует в процессах термической обработки. Наиболее эффективно термическая обработка повлияет на сплав, соответствующий по концентрации точке D.

Все сплавы, кристаллизующиеся по диаграмме состояния, изображенной на (рис. 2, в), могут быть подвергнуты отжигу II рода, закалке и отпуску.

Для ХТО необходимо наличие растворимости диффундирующего элемента в металле, т. е. необходимо, чтобы насыщенный компонент В мог образовывать с насыщаемым металлом А систему сплавов с областью растворимости В в А. Сплавы, имеющие диаграмму состояния, изображенную на рис. 2, а и б, имеют область твердого раствора вблизи компонента Л, и поэтому возможна ХТО, состоящая в насыщении металла А компонентом В. Для сплавов, имеющих диаграмму состояния, изображенную на рис. 2, в, диффузия В в А возможна, но лишь выше когда в данной системе существует компонент А в высокотемпературной модификации у. Ниже компонент А находится в форме а, не растворяющей В, и при температурах ниже насыщение поверхности в результате диффузии В в А невозможно.

Деформационно-термическая обработка возможна, если сплав обладает необходимой технологической пластичностью.

Основные виды термической обработки стали

Если основой при рассмотрении термической обработки сплавов является соответствующая диаграмма состояния, то очевидно, что основой для изучения термической обработки стали является диаграмма железо -- углерод. Поскольку мы рассматриваем термическую обработку стали, то нам интересны только сплавы с концентрацией до 2 % С и соответственно область на диаграмме железо--углерод с концентрацией углерода до 2 % (точнее до 2,14 % С).



(Рис. 3) Стальной» участок диаграммы Fe--С

Естественно, что верхней температурной границей при термической обработке является линия солидуса, поэтому процессы первичной кристаллизации и, следовательно, верхняя часть диаграммы для нас в данном случае не имеют большого значения.

Участок диаграммы железо--углерод, который будем рассматривать, изображен на рис. 3.

Приведем общепринятые обозначения критических точек:

Критические точки обозначаются буквой А.

Нижняя критическая точка, обозначаемая лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенит- перлит. Верхняя критическая точка 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.

Ниже дана характеристика основных видов термической обработки стали в соответствии с приведенной классификацией в п. 2.

Отжиг -- фазовая перекристаллизация, заключающаяся в нагреве выше с последующим медленным охлаждением. При нагреве выше у но ниже полная перекристаллизация не произойдет; такая термическая обработка называется неполным отжигом.

При отжиге состояние стали приближается к структурно равновесному; структура стали после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит. Если после нагрева выше Ас3 провести охлаждение на воздухе, то это будет первым шагом к отклонению от практически равновесного структурного состояния. Такая термическая операция называется нормализацией.

Закалка -- нагрев выше критической точки с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит распадается на феррит + цементит при . С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температурах. Феррито-цементитная смесь по мере снижения становится все более мелко дисперсной и твердой. Если же скорость охлаждения была так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение цементита и феррита не произошло, то и распада твердого раствора не происходит, а аустенит (?-твердый раствор) превращается в мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе).

Неполная закалка -- термическая операция, при которой нагрев проводят до температуры, лежащей выше , но ниже и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цементит).

Отпуск -- нагрев закаленной стали ниже .

Для стали возможны различные виды химико-термической обработки в зависимости от элемента, диффундирующего в сталь.

Насыщение стали углеродом называется цементацией, азотом - азотированием, алюминием - алитированием, хромом - хромированием и т. д.

Термо-механическая обработка стали нагрев до аустенитного состояния, деформация стали в аустенитном состоянии (в стабильном состоянии -- выше или в нестабильном переохлажденном состоянии) и окончательное охлаждение с протекающим при этом превращением наклепанного аустенита.

Четыре основных превращения в стали

Фазовые превращения, которые совершаются в стали, также вызваны тем, что вследствие изменившихся условий, например температуры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое. Этим и вызываются превращения, протекающие в стали.

Рассматривая структурные превращения в стали, мы прежде всего должны указать, что основными являются три структуры, а переход их из одной в другую характеризуют основные превращения:

аустенит (А) -- твердый раствор углерода в ?-железе (С);

мартенсит (М) -- твердый раствор углерода в б-железе (С);

перлит (П) -- эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида + С (ничтожно малой равновесной растворимостью углерода в феррите пренебрегаем).

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения.

Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки выше температуры стабильного равновесия аустенит--перлит; при этих температурах из трех основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит (рис. 4):

+ > (С) или П > А

Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже :

(С) > + или А > П

Превращение аустенита в мартенсит:

(С) > (С) или А > М

Это превращение наблюдается ниже температуры метастабильного равновесия аустенит--мартенсит (). При более устойчивой фазой является перлит, однако работа, необходимая для

образования мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита, поэтому ниже образование перлита (феррито-карбидной смеси) из аустенита может произойти только в результате превращения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.

Таким образом, аустенито-мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.

IV. Превращение мартенсита в перлит, точнее, в феррито-карбидную смесь:

(С) > + (С) или М > П.

Оно происходит при всех температурах, так как при всех температурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита (точнее феррито-карбидной смеси). термический обработка сталь температура



(Рис. 4) Изменение свободной энергии аустенита (), мартенсита () и перлита () с изменением температуры

(Рис. 5) Область б, ? и g-фаз железа в зависимости от температуры и давления

Схема изменений свободных энергий основных структур (см. рис. 4) показывает, что выше возможно превращение мартенсита в аустенит. Однако это превращение экспериментально в углеродсодержащих сталях не было обнаружено, по-видимому, из-за того, что раньше успевает произойти превращение мартенсит перлит (распад мартенсита).

Превращение перлита в мартенсит невозможно, так как при всех температурах мартенсит обладает большей свободной энергией, чем перлит.

Выше были рассмотрены фазовые превращения, используемые при термической обработке и обусловленные изменением температуры. Другой термодинамический фактор -- давление, которое не используется при термической обработке, хотя изменяя давление, можно получить структурные превращения, которые отсутствуют при неизменном (1 атм) давлении.

Диаграмма фазового равновесия при независимых переменных - температура и давление приведены на рис. 5. При высоких давлениях возможно образование железа с гексагональной плотноупакованной решеткой (так называемое е-железо). Тройная точка равновесия лежит при t = 527 °С и Р = 13000 МПа. Выше 527 °С при увеличении давления возможен б>?>е в переход, а ниже прямой - б>е - переход.

Как было отмечено, всестороннее давление пока еще не используется для целей структурообразования в стали из-за технологических сложностей; недостаточно ясно также, насколько это эффективно в отношении получения особых свойств. Некоторые элементы влияют аналогично всестороннему давлению. Так, например, при высоком содержании марганца и при нормальном давлении образуется е-фаза.



Список литературы

1. А. П. Гуляев. Металловедение

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%E5%F0%EC%E8%F7%E5%F1%EA%E0%FF_%EE%E1%F0%E0%E1%EE%F2%EA%E0_%EC%E5%F2%E0%EB%EB%EE%E2

3. http://alobuild.ru/metallicheskie-materialy/termicheskaya-obrabotka.php

Размещено на Allbest.ru

...