Оновлення змісту навчальної дисципліни "Матеріалознавство та термообробка" на основі способу термоциклічної обробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОНОВЛЕННЯ ЗМІСТУ НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ “МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО ТА ТЕРМООБРОБКА” НА ОСНОВІ СПОСОБУ ТЕРМОЦИКЛІЧНОЇ ОБРОБКИ

Коровайченко Ю.М.

Анотація

У статті розглянуто питання оновлення змісту навчальної дисципліни “Матеріалознавство та термообробка” шляхом включення таких наукових досягнень у галузі термічної обробки як способи циклічної термічної обробки металів.

Наведено детальний опис способу термоциклічної обробки металів.

Розглянуто складні процеси структурної перебудови металу при термоциклічній обробці.

Аннотация

Коровайченко Ю.М.

Обновление содержания учебной дисциплины «Материаловедение и термообработка» на основе способа термоциклической обработки

В статье рассмотрены вопросы обновления содержания учебной дисциплины «Материаловедение и термообработка» путем включения таких научных достижений в отрасли термической обработки как способы цикличной термической обработки металлов.

Приведено детальное описание способа термоциклической обработки металлов.

Рассмотрены сложные процессы структурной перестройки металла при термической обработке.

Annotation

Y.M. Korovajchenko

Updating the Contents of the Discipline “Material Science and Thermal Treatment” Based on the

Thermocyclic Method of Treatment

The article deals with the contents of the discipline “Material Science and Thermal Treatment” including such scientific achievements in the field of thermal treatment as thermocyclic treatment.

A detailed description of the metal thermocyclic treatment technique is given. Complex processes of structural rebuilding of metal by thermocyclic treatment are considered.

Постановка проблеми.

Оновлення змісту інженерних дисциплін на основі досягнень сучасної науки є одним з найбільш актуальних завдань, що стоять перед вищою технічною освітою.

Це у повній мірі стосується і такої інженерної дисципліни, як “Матеріалознавство та термообробка”. До значних наукових досягнень у галузі термічної обробки належить розробка способів циклічної термічної обробки металів.

Аналіз останніх досліджень.

Одним з найбільш продуктивних способів циклічної. термічної обробки є термоциклічна обробка (ТЦО) [1], яка поряд з мінімальними витратами часу забезпечує утворення наддрібнозернистої однорідної структури з рівномірним розташуванням структурних складових і хімічного лементів по об'єму металу, що обробляється. Це особливо ефективно у випадку термічної обробки багатошарових металевих з'єднань, що утворюються при. відновленні чи поверхневому зміцненні поверхонь деталей високотемпературними термодифузійними способами, наприклад, зварюванням, наплавленням, наварюванням дроту або стрічки, напилюванням металевих порошків тощо.

Дослідження змін у структурі окремих зон термічного впливу, що утворилися при з'єднанні металів такими способами, є проблематичним з причини малих розмірів кожної зони, в той час коли саме вони є ініціаторами руйнувань металу в процесі експлуатації деталей.

Постановка завдання.

Метою статті є дослідження динаміки структурних перетворень, що відбуваються у процесі реалізації елементів технологічної схеми “нагрівання -- витримка -- охолодження” і впливу їх технологічних параметрів на показники структурного стану, механічних і технологічних властивостей деталей.

В умовах високотемпературного відновлення або зміцнення спостерігаються два процеси: висока температура нагрівання металу в зоні з'єднання сприяє зростанню розмірів зерна, і збільшує стійкість аустеніту; швидке нагрівання і малий час перебування вище Ас₃ знижує ступінь гомогенізації і зменшує стійкість аустеніту. Для сталі без карбідоутворюючих елементів або з малим їх умістом характерним є перший варіант, що приводить до зміщення області часткового загартування в сторону менших швидкостей охолодження. В сталі, що легована карбідоутворюючими елементами можливий протилежний результат унаслідок проявлення другого процесу.

У сталі, у якої мартенситне перетворення відбувається при позитивних температурах, в умовах зварювання при даній миттєвій температурі кількість мартенситу, що утворюється тим вища, чим швидше йде охолодження.

Ступінь гомогенізації аустеніту і величина зерна у зоні сплавлення основного металу і металу, що використовується для відновлення або зміцнення, при рівних умовах нагрівання і охолодження суттєво різні у сталях з карбідоутворюючими елементами і без них У сталях без енергійних карбідоутворюючих елементів, підвищення стійкості аустеніту при зварюванні обумовлене, головним чином, зростанням зерна.

Якщо деталь після відновлення або зміцнення піддати нагріванню вище точки Ас₃, то положення первинних границь практично не оцінюється, в той час коли вторинні зерна зменшуються до 8 - 9 номера, що свідчить про велику рухомість вторинних кордонів. Повторна термообробка у тому ж інтервалі температур приводить до більш суттєвих змін первинних границь, їхнього “розсасування”, при цьому, як установлено, що суттєвих змін у складі хімічних елементів при цьому практично не відбувається. Підвищення температури термообробки також не впливає на стан розподілу хімічних елементів, хоча структура стає більш однорідною, що є наслідком вирівнювання концентрації вуглецю.

Дослідження структури металу зони сплавлення основного металу деталі зі сталі 30ХГСА, відновленої наплавленням дроту зі сталі НП-30ХГСА показали, що у початковому стані ділянка великого зерна складається з доевтектоїдного фериту, що випав по кордонах аустенітних зерен, троостіту і продуктів проміжного перетворення. Троостіт виділяється переважно у вигляді колоній, що зростають по обидва боки границі. Форма колоній наближається до сфери або напівсфери. При виконанні перших циклів середньотемпературної термоциклічної обробки ділянки перегрівання до основного металу розміри сферолітів зменшуються, а їх кількість збільшується” Так як перліти колонії зароджуються насамперед на границях аустенітних зерен, природно, що чим менше зерно аустеніту, тим більша сумарна міжзерена поверхня і більша загальна кількість центрів первинного перлітного перетворення.

Троостині ділянки при ТЦО формуються також і всередині аустенітних зерен. Центрами зародження у цьому випадку є карбіди, нєметалічні включення й ділянки неоднорідної концентрації вуглецю. В зоні повної і неповної перекристалізації, що утворилися після відновлення або зміцнення, поряд з ділянками троостіту маються ділянки перліту і фериту, при цьому ділянки троостіту крупніші порівняно з ділянками перліту й фериту. Після проведення перших циклів ТЦО кількість бейніту і його зменшується, У зоні повної перекристалізації ділянки бейніту зберігаються всередині аустенітних зерен, а у ділянці неповної перекристалізації вони відсутні.

В результаті багатократної аустенізації під час ТЦО з за різниці питомих об'ємів перетворених фаз у зонах металу відновленої або зміцненої деталі протікають процеси подібні нагріванню слабкодеформованих металів: дифузія точкових дефектів І їх стікання у дислокації і границі з частковою анігіляцією з попутною частковою анігіляцією; перерозподіл дислокацій; формування малокутових кордонів; міграція малокутових кордонів з поглиненням дефектів; міграція міжзерених границь між рекристалізованими зернами й укрупнення останніх при одночасному зниженні зернограничної і поверхневої енергії.

Встановлено, що при нагріванні до вищезгаданої температури на кордонах між пластинками цементиту й зернами фериту утворюються дрібні зерна аустеніту, кількість яких зростає зі збільшенням температури І в кінці процесу нагрівання становить досить велике число.

Найбільш складні процеси структурної перебудови відбуваються при ТЦО у тому випадку коли при штатній термічній обробці в процесі виготовлення деталі використовували поверхневе зміцнення (навуглецювання, борування та ін.).

У цих випадках складнонапружена, спотворена, диференційована структура перебудовується більш повільно з причин збіднення, при кристалізації, поверхневого шару металу, що використовувався для відновлення або зміцнення і його дифузії у більш глибинні шари основного металу, а також меншою протяжністю міжзерених кордонів із, відповідно і зменшенням можливих розмірів утворення дрібнозернистого аустеніту при нагріванні.

Водночас, інтенсивність структурної перебудови зон основного металу деталі, що мали підвищений уміст вуглецю, або інших карбідоутворюючих елементів значно вища, що приводить до різної швидкості протікання процесу утворення дрібнозернистої структури й необхідності орієнтації при виборі температури ТЦО на структури з меншою швидкістю перебудови.

У більшості випадків основний метал деталі відноситься до високоміцних, легованих конструкційних сталей, у той час коли метал відновлення може мати нижчі механічні властивості, сподіваючись на їх підвищення під час кристалізації та утворення відповідних структур, або під час наступних термічних обробок.

Кількість перліту та фериту у металі, що використовувався для відновлення або зміцнення, визначається також умістом вуглецю та легуючих елементів. Так збільшення кількості марганцю сприяє появі мартенситу та надлишкового аустеніту при зменшенні кількості перліту. Хром створює можливості для формування більш дисперсної структури металу відновлення, який переважно складається з бейніту, невеликої кількості перліту та доевтектоїдного надлишкового фериту, сітка якого розташована в кристаліті і не співпадає з первинними кордонами. На відміну від марганцю, хром у металі відновлення ліквує незначно, що приводить до більш рівномірного розподілу структурних складових. Легування хромом значно підвищує кількість надлишкового аустеніту при зміні кількості перліту. Хром створює можливості для формування більш дисперсної структури металу відновлення, яка переважно складається з бейніту, невеликої кількості перліту та доевтектоїдного надлишкового фериту, сітка якого розташована в кристаліті і не співпадає з первинними кордонами. На відміну від марганцю, хром у металі відновлення ліквує незначно, що приводить до більш рівномірного розподілу структурних складових. Легування хромом значно підвищує кількість надлишкового аустеніту та мартенситу, при цьому кількість перліту зростає до концентрації хрому. Аналогічний вплив має наявність у металі відновлення нікелю, який збільшує кількість залишкового аустеніту та перліту.

Утворення дрібнозернистої структури при перетвореннях за будь яким механізмом, що реалізується при ТЦО, фіксується охолодженням при температурі нижче кінця фазових перетворень,, а наступні нагрівання подрібнюють великі зерна, що залишились, утворюючи в кінці рівномірну дрібнозернисту структуру по всьому об'єму відновленої деталі.

У процесі виконання перших термоциклів (для середньовуглецевих та легованих сталей -- 3-5) структурна неоднорідність зон зберігається, хоча й на значно нижчому рівні, що пояснюється складністю протікання дифузійних процесів між зонами, різною інтенсивністю структурної перебудови початкового стану й градієнтом температур нагрівання та охолодження по перерізу деталі за часом.

Однак при подальшому термоциклюванні відставання темпів структурної перебудови більш нестійких структур до стабільних скорочується й вирівнюється. Тому у випадку, що розглядається, при виконанні 1-11 термоциклів ТЦО утворюється однорідна дрібнозерниста структура із залишковою неоднорідністю по вмісту хімічних елементів.

Отримані результати досліджень мікроструктури підтверджуються результатами вимірювання твердості по перерізу відновленої деталі причому твердість структурних складових знаходиться у межах: фериту 180 - 220 НV; троостіту - 250 - 270 НV; бейніту - 300 - 350 НV.

Після ТЦО твердість окремих зон нівелюється по відношенню до деякої середньої величини, що в більшості випадків задовольняє експлуатаційним вимогам, що пред'являються до деталі. Якщо отримана твердість недостатня, то після ТЦО виконується нормалізація, загартування з відпущенням тощо.

У відповідності зі структурною перебудовою змінюються і показники мікротвердості.

Найбільші значення відповідають зоні термічного впливу, в якій утворюються структури загартування. Показники мікротвердості не мають вузьких піків і плавно змінюються в межах 2 - 3 мм від найбільшого значення. ТЦО, знижуючи загальні значення мікротвердості на 15 - 20% забезпечує практичне нівелювання показників по перерізу з'єднання.

Ця картина значною мірою коректується при вимірюванні термо-е.р.с., що свідчить про значно вищу структурну чуттєвість методу. Пікові значення термо-е.р.с. знаходяться на 0,5 - 0,7 мм раніш, ніж показники Н, а їх перепади сягають 150 - 170%. Найбільші значення термо -е. р. с. припадають на вузькі ділянки наплавленого металу до основного (зона сплавлення) де можливе утворення структурних складових високої твердості за рахунок концентрації вуглецю, що мігрує у відповідності з рухом теплового потоку.

Картина розподілу термо-е.р.с. після ТЦО при аналогічному зменшенні абсолютних значень має більш складний характер ніж при вимірюванні Н, що свідчить про більш низький рівень гомогенізації структури, між тим максимальний перепад значень термо-е.р.с. не перевищує 15 - 20% по всьому перерізу, що є свідоцтвом загальної нормалізації структури й створення умов для забезпечення рівноміцності деталі. Утворення однорідної мікроструктури різних зон відновленої деталі значною мірою визначається дифузійними процесами при ТЦО, про що свідчать зміни характеру розподілу хімічних елементів по перерізу відновленої деталі.

Таким чином, доповнення змісту навчальної дисципліни “Матеріалознавство та термообробка” новітньою інформацією про термоциклічну обробку металів дозволяє підвищити якість підготовки майбутніх фахівців.

Напрямками подальших досліджень є визначення показників ефективності використання термоциклічної обробки металів для таких способів відновлення чи поверхневого зміцнення деталей, як зварювання, наплавлення, наварювання дроту чи стрічки та напилення металевих порошків.

термічний метал обробка деталь

Література

1. Коровайченко Ю.М. Підвищення якості наплавні та зварних з'єднань термоциклічною обробкою. - К.:МАУП, 1999.-249 с.

Размещено на Allbest.ru