Термообработка

Описание : реферат по термообработке . Здавался в МИСИС на физикохимическом факультете . Подробно смотри план :













План  реферата .



1.  Введение.

2.  Гомогенизационный отжиг.

3.  Дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиг.

         3.1. Смягчающий отжиг.

         3.2. Упрочняющий отжиг.

4.  Отжиг,уменьшающий напряжения.

5.  Факторы , влияющие на перлитно-аустенитное превращение.

6.  Влияние зерна аустенита на свойства стали.

7.  Изотермический распад переохлажденного аустенита .

8.  Построение термокинетической  диаграммы  распада -переохлажденного .

9.  Отжиг II рода

          9.1. Полный отжиг.

          9.2. Неполный отжиг.

          9.3. Изотермический отжиг.

          9.4. Сфероидизирующий отжиг.

10. Нормализация.

11. Одинарная термообработка.

12. Патентирование стали .




1. Введение



Отжиг I рода - это термообработка , которая устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности и неравновесности , которые были внесены в металл при предшествующих операциях ( мех. обработка , обработка давлением , литье , сварка ).

 

В зависимости от исходного состояния стали отжиг  может включать процессы  гомогенизации , рекристаллизации  и снятия остаточных напряжений. Эти процессы происходят независимо от того , протекают ли в сплавах при такой обработке фазовые превращения или нет . Поэтому отжиг I рода можно проводить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений .





2.Гомогенизационный отжиг.



Основной целью гомогенизационного отжига являются - устранение последствий дендритной или внутрикристаллитной ликвации , которая может привести к :



1.Снижению пластичности , за счет выделения   неравновесных хрупких фаз.

2.Уменьшению коррозионной стойкости и развитии электрохимической коррозии

  внутри сплава.

3.Анизотропии мех. свойств.

4.Снижению температуры солидуса.

5.Уменьшению температуры плавления , из-за которого происходит оплавление      дендритов при дальнейшей обработке.

6.Отсутствию стабильности свойств. 



Физико- химической основой гомогенизационного отжига является диффузия в твердом состоянии , по этому отжиг желательно проводить при более высоких температурах , чтобы диффузионные процессы , необходимые для выравнивания состава стали , проходили более полно.



Температура нагрева под отжиг колеблется в пределах (0.85-0.90)Tпл .

Выдержка будет определяться природой ликвирующих элементов . Так как гомогенизация интенсивно протекает в начальный период отжига ( по мере выравнивания состава сплава градиент концентрации dC/dX уменьшается ) , то большие времена выдержки не применяются. Однако для некоторых металлов это время составляет десятки или сотни часов. Для уменьшения времени отжига нужно 

    

  1. Увеличить температуру

  2. Изменить dC/dX    , а для этого нужно изменить условия кристаллизации.

  3. Загрузить в печь уже нагретые слитки.





Гомогенизирующий отжиг может вызвать ряд негативных побочных явлений: 



  1. Рост зерна аустенита,следовательно ухудшение мех. свойств .

  2. Вторичная пористость и неоднородность .

  3. Коагуляция избыточных фаз.



Поэтому гомогенизирующий отжиг является предварительной обработкой , после которой поводят полный отжиг,или обработку давлением , или отпуск при 670-680 градусах ,или нормализацию.







Для устранения неоднородностей , вызванных холодной пластической деформацией  применяют дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиг 

 

При холодной деформации происходит: 



1.Изменение формы и размеров кристаллов

2.Накопление в металле большого количества избыточной энергии ,что в конечном итоге приводит к росту напряжений 1 и 2 родов.



Из-за этого : уменьшаются пластические характеристики, появляется анизотропия механических свойств, увеличивается электросопротивление и уменьшается коррозионная стойкость.



Все это можно попытаться устранить отжигом.



Дорекристаллизационный отжиг бывает смягчающим и упрочняющим.

Смягчающий отжиг используют для повышения пластичности при частичном сохранении деформационного упрочнения. Чаще всего его применяют в качестве окончательной операции , придающей изделию требуемое сочетание прочности и пластичности. Кроме того , можно уменьшить остаточные напряжения ,стабилизировать свойства и повысить стойкость к  коррозии. Для выбора режима дорекристаллизационного смягчающего отжига необходимо знать температуру начала рекристаллизации, при данной степени деформации.



Дорекристаллизационный упрочняющий отжиг применяют для  повышения упругих свойств пружин и мембран.Оптимальную температуру подбирают опытным путем.



Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как предварительную операцию перед холодной обработкой давлением,для придания материалу наибольшей пластичности;как промежуточный процесс между операциями холодногодеформирования,для снятия наклепа ; и как окончательную термообработку,для придания материалу необходимых свойств.



При выборе режима отжига нужно избегать получения очень крупного зерна и разнозернистости.Скорость нагрева  чаще всего не имеет значения.





4.Отжиг,уменьшающий напряжения.



При обработке давлением,литье,сварке,термообработке в изделиях могут возникать внутренние напряжения.В большинстве случаев,они полностью или частично сохраняются в металле после окончания технологического процесса.Поэтому основная цель отжига - полная или частичная релаксация остаточных напряжений.



Причинами возникновения остаточных напряжений являются неодинаковая пластическая деформация или разное изменение удельного объема в различных точках тела,из-за наличия градиента температур по сечению тела.



Напряжения при отжиге уменьшаются двумя путями : вследствии пластической деформации в условиях когда эти напряжения превысят предел текучести и в результате ползучести при напряжениях меньше предела текучести.



Продолжительность отжига устанавливают опытным путем.Определенной температуре отжига в каждом конкретном изделии соответствует свой конечный уровень остаточных напряжений, по достижении которого увеличивать продолжительность отжига практически бесполезно.

Температуру подбирают обычно несколько ниже критической точки Ас1 .

Скорости нагрева и особенно охлаждения при отжиге должны быть небольшими,чтобы не возникли новые внутренние термические напряжения.



Использование отжига лимитируется теми нежелательными структурными и фазовыми изменениями , которые могут произойти при нагреве. Поэтому приходится либо мириться с недостаточно полным снятием остаточных напряжений  при низких температурах ,либо идти на компромис ,достигая более полного снятия напряжений при некотором ухудшении механических и других свойств.




5.Факторы,влияющие на перлитно-аустенитное превращение.



Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом и подчиняется основным положениям теории кристаллизации. Процесс сводится к  полиморфному    превращению и растворению в образовавшемся аустените цементита.Из этого вытекают факторы ,влияющие на перлитно-аустенитное превращение.



При  повышении  температуры превращение перлита в аустенит резко ускоряется. Это объясняется , с одной стороны ,ускорением диффузионных процессов, а с другой - увеличением градиента концентрации в аустените.

Скорость превращения будет зависеть и от исходного состояния ферритно-цементитной структуры. Чем тоньше структура ,тем больше возникает зародышей аустенита и быстрее протекает процесс аустенизации.Предварительная сфероидизация цементита  замедляет прцесс образования аустенита.

Чем больше в стали углерода , тем быстрее протекает аустенизация,что объясняется увеличением количества цементита, и ростом суммарной поверхности раздела феррита и цементита.

Введение в сталь  хрома ,мрлибдена,вольфрама ,ванадия и других карбидообразующих элементов задерживает аустенизацию из-за образования легированного цементита или трудно растворимых в аустените карбидов легирующих элементов.

Чем больше скорость нагрева ,тем выше температура ,при которой происходит превращение перлита в аустенит , а продолжительность превращения меньше.







6.Влияние величины зерна аустенита на свойства стали.



Чем мельче зерно ,тем выше прочность ( в ,0.2) ,пластичность( ,  ) и вязкость и ниже порог  хладноломкости( t ). Уменьшая размер зерна аустенита, можно компенсировать отрицательное влияние других механизмов на порог хладноломкости. Чем мельче зерно , тем выше предел выносливости.Поэтому все методы , вызывающие измельчение зерна аустенита повышают конструктивную прочность стали. Крупное зерно нужно только в трансформаторных сталях , чтобы улучшить их магнитные свойства. При укрупнении зерна до 10-15 мкм трещиностойкость уменьшается , а при дальнейшем росте зерна - возрастает. Это может быть связано с очищением границ зерна аустенита от вредных примесей благодаря большему их расворению в объеме зерна при высокотемпературном нагреве.





7.Изотермический  распад  переохлажденного аустенита .





Если сталь со структурой аустенита  , полученной в результате нагрева до температуры выше Ас3   -для доэвтектоидной стали  или выше Асm - для заэвтектоидной , переохладить до температуры ниже Аr1  , то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение . 



Рассмотрим кинетику этого процесса ( см. рис. 1)

Вначале объем новой составляющей , испытавший превращение , растет с ускорением, а к концу превращения прибыль этого объема резко замедляется .Это объясняется тем , что в начальный период образуется лишь небольшое количество центров превращения с малой поверхностью новой структурной составляющей ; по мере изотермической выдержки число центров возрастает , увеличиваются размеры новой составляющей , но вскоре наступает замедление прцесса из-за того , что растущие кристаллы соприкасаются между собой и в местах стыка рост их прекращается , т.е. поверхность фронта превращения уменьшается .



Период о-а  называется инкубационным периодом. В инкубационный период количество образовавшихся новых кристаллов настолько мало , что превращение не фиксируется обычными методами исследования . Конец инкубационного периода - точка а  на рис. 1 - фиксируемое данным методом начало превращения .



По  истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более стабильных структур .Скорость распада сначала быстро увеличивается , а  потом постепенно убывает . Через какое-то время процесс полностью заканчивается ( точка в ) на рис. 1 .



Строя такие кривые при различных температурах можно получить диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита , см. рис. 2  .



Для этого нужно отрезки времени , соответствующие началу ( точки а )   и концу ( точки в ) распада аустенита или какой - то степени превращения для каждой из исследуемых температур перенести на график  температура - время  , и одноименные точки соединить плавными кривыми . На диаграмме кривая 1 соответствует началу превращения , а кривая 2 характеризует конец превращения .





8.Построение термокинетической диаграммы  .



Термокинетические диаграммы  используются для разработки технологии термической обработки . По этим диаграммам можно получить данные о температурных интервалах протекания фазовых превращений при непрерывном охлаждении и об образующихся при этом структурных составляющих .



Существует два способа построения таких диаграмм.



1 способ.      При непрерывном охлаждении образцов фиксируем их температуру  осциллографом .Можно измерять какую-либо характеристику образца в процессе его охлаждения ( например , его длину при дилатометрическом методе ) и по отклонению этой характеристики от плавного изменения определить начало превращения .



2 способ .        Охлаждаем серии образцов по одинаковому режиму , которые в разные моменты времени закаливаем в воде , а затем исследуем их структуру или свойства ,определяя по ним начало и конец превращения или степень оного ,при одном режиме непрерывного охлаждения .



Если исследуем фазовые превращения при распаде переохлажденного аустенита , то термокинетическую диаграмму строим  в координатах температура - время  на основе анализа серии кривых охлаждения , на которых отмечаем температуры начала и конца перлитного и промежуточного превращений и соответственно области этих превращений .



Из этих диаграмм можно увидеть , что при малых скоростях охлаждения в углеродистых сталях  протекает только перлитный распад аустенита с образованием феррито-цементитной структуры с различной степенью дисперсности - перлит , сорбит , троостит .При высоких скоростях охлаждения  - выше Vк - перлитный распад аустенита подавляется и аустенит претерпевает только мартенситное превращение .В легированных сталях существует и область промежуточного превращения , в которой аустенит претерпевает распад с образованием бейнита .







9.Отжиг II  рода.



Отжиг второго рода - это  термообработка , которая заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас3 или Ас1 ,выдержке и последующем охлаждении. В результате  мы получаем почти равновесное структурное состояние стали; в доэвтектоидных сталях - феррит + перлит , в эвтектоидных - перлит и в заэвтектоидных - перлит + вторичный цементит . 



После отжига получаем : мелкое зерно, частично или полностью устраненные строчечность , видманштеттову структуру и другие неблагоприятные структуры . 

Сталь получается снизкой прочностью и твердостью при достаточном уровне пластичности.



В промышленности отжиг II рода часто используется в качестве подготовительной и окончательной обработки. 



Разновидности отжига II рода различаются способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита , а так же положением температур нагрева относительно критических точек .



9.1 Полный отжиг.



Основные цели полного отжига - устранение пороков структуры , возникших при предыдущей обработке ( лить , горячей деформации или сварке ) , смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений , для придания стали определенных характеристик. Вцелом отжиг II рода проводят для приближения системя к равновесию.





     Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур на 30-50 С выше температуры  Ас3  (чрезмерное повышение температуры выше этой точки приведет к росту зерна аустенита , что вызовет ухудшение свойств стали), выдержке для полного прогрева и  завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении . Для заэвтектоидных сталей такой отжиг с нагревом выше Аcm не пойдет потому что при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита , ухудшающая механические свойства . Для доэвтектоидных сталей время нагрева и продолжительность обработки зависят типа печи ,способа укладки , типа отжигаемого материала (лист,прокат , ...).Наиболее распространенная скорость нагрева составляет ~ 100 C / ч ,а продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа на тонну изделия. Медленное охлаждение обусловленно необходимостью избежать образования слишком дисперсной ферритно-цементитной структуры и следовательно более высокой твердости. Скоростьохлаждения зависит от устойчивости переохлажденного аустенита ,а следовательно , от состава стали . Ее регулируют проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей , с полностью или частично выключенным обогревом.



При полном отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали.При нагреве выше точки Ас3  образуется аустенит , характеризующийся мелким зерном ,который при охлаждении дает мелкозернистую структуру , обеспечивающую высокую вязкость , пластичность и получение высоких свойств после окончательной обработки.



Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита.



Существует отжиг противоположный по целям обычному отжигу .Это отжиг на крупное зерно с нагревом до 950-1100 С , который применяют для улучшения обработки резанием мягких низкоуглеродистых  сталей .





9.2 Неплный отжиг .





Неполный отжиг доэвтектоидной стали проводят при нагреве до температур выше Ас1 , но ниже Ас3  . При таких температурах происходит частичная перекристаллизация стали  , а именно лишь переход перлита в аустенит . избыточный феррит частично превращается в аустенит и значительная часть его не подвергается перерекристаллизации . Поэтому неполный отжиг не устраняет пороки стали связанные с нежелательными размерами и формой избыточного феррита . Для доэвтектоидной стали  неполный отжиг применяется лишь тогда , когда отсутствует перегрев , ферритная полосчатость, и  требуется только снижение твердости и смягчения перед обработкой резанием .







9.3  Сфероидизирующий отжиг .





Сфероидизирующий отжиг  с нагревом  несколько выше температуры Ас1 и несколько ниже точки Аr1 (740 -780 C ) и последующем медленном охлаждением применяют к заэвтектоидным сталям , что позволяет получить зернистую форму перлита вместо пластинчатой . 



Для режима сфероидизирующего отжига заэвтектоидных сталей характерен узкий температурный интервал отжигаемости . Верхняя граница не должна быть выше слишком высокой , т.к. иначе при растворении центров карбидного выделения при охлаждении образуется пластинчатый перлит . а для сталей близких к эвтектоидному составу этот интервал особенно узок т.к. точки Асm и А1 сходятся при эвтектоидной концентрации . 



Выдержка при постоянной температуре необходима для окончательного распада переохлажденного аустенита и коагуляции карбидов и составляет 4-6 часов в зависимости от массы отжигаемого металла .



Скорость охлаждения очень сильно влияет на конечную структуру . чем меньше скорость , тем до больших размеров вырастают глобули карбида при распаде аустенита. Регулируя скорость охлаждения , можно получать структуры глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого . Более  мелкозернистый перлит обладает повышенной твердостью .



На твердость будет оказывать влияние и повышение температуры отжига до 800-820 С .Твердость будет снижаться из-за развития сфероидизации , а при дальнейшем повышении температуры отжига твердость растет из-за появления все в большем количестве пластинчатого перлита .





Вчем состоит механизм сфероидизации ? 



В результате деления цементитных пластин  получаются мелкие частички цементита . Если избыточный цементит находится в виде сетки, что является дефектом , то перед отжигом предварительно проводят нормализацию для растворения сетки цементита в с последующем охлаждении на воздухе . При делении цементитные пластины растворяются в наиболее тонких участках  ,  а также в местах выхода на межфазную поверхность Ц/А субграниц в цементите или аустените .Деление можно ускорить применив холодную пластическую или теплую деформацию при температурах ниже А1 . После деления пластин мелкие их частицы сфероидизируются  ,  путем переноса углерода через окружающий твердый раствор . 



Сфероидизирующему отжигу подвергают углеродистые , легированные инструментальные и шарикоподшипниковые стали . Кроме того , структкра зернистого перлита  является наилучшей перед закалкой - меньше склонность к росту аустенитного зерна , шире допустимый интервал закалочных температур , 



 Если при при однократном отжиге не происходит полной сфероидизации цементита , то можно применить циклический отжиг . Например , углеродистую сталь несколько раз попеременно нагревают до 740 С и охлаждают до 680 С .





Пластина цементита при каждом нагреве частично растворяется в аустените . При каждом охлаждении из аустенита выделяется цементит на нерастворившихся остатках цементитных пластин . Попеременно растворяясь и подрастая , цементитная пластина постепенно округляется . Сложности возникают с контролированием колебаний температуры в больших массах материала  в заданном интервале .





9.4  Изотермический отжиг .



Изотермический отжиг - термообработка ,  при которой  после нагрева до температуры выше А3   на 50 - 70 С сталь ускоренно охлаждают до температуры изотермической выдержки , которая находится ниже точки А1 на 100-150 С . Затем проводим ускоренное охлаждение на воздухе .



   

     Чем ближе температура изотермической выдержки к точке А1  , тем больше межпластинчатое расстояние в перлите и мягче сталь , но больше и время превращения . А т.к. основная цель изотермического отжига - смягчение стали , то выбирают такую температуру , при которой получается требуемое смягчение за небольшой промежуток времени . 



Преимуществ изотермического отжига - сокращение времени обработки по сравнению с обычным отжигом , что особенно чувствуется при работе с легированными сталями . Для наибольшего ускорения отжига температуру изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области . 



Другое преимущество - получение более однородной структуры , т.к. при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения . После отжига при температуре  до 930-950 С укркпняеися зерно аустенита , улучшается обрабатываемость резанием и повышается чистота поверхности 



Изотермическому отжигу подвергаются штамповки , заготовки инструментов и других изделий  небольших размеров . 

   

                                                                                                  

10. Нормализация . 



Нормализация заключается в нагреве до температур на 30-50 К выше линии GSE ,непродолжительной выдержке для прогрева и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Скорость охлаждения зависит от массы изделия и отношения его поверхности к объему.



Нормализацию чаще всего применяют как промежуточную операцию для устранения пороков строения и общего улучшения структуры перед закалкой , а также для смягчения стали перед обработкой резанием.Тоесть цели ее близки к  целям отжига.



Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру , полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке.Кроме того , частично подавляется выделение избыточной фазы ( феррита или вторичного цементита) и , следовательно, образуется квазиэвтектоид. Таким образом , прочность стали после нормализации должна быть больше , чем прочность после отжига,т.к. по сравнению с печью ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах , что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или точнее квазиэвтектоида типа сорбита или троостита.



Но не всегда нормализация предподчтительнее отжига .  Все зависит от состава стали т.к. склонность аустенита к переохлаждению растет с  увеличением содержания в нем углерода и легирующих элементов.



Нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига  к низкоуглеродистым сталям , в которых аустенит слабо переохлаждается.Но она не может заменить смягчающий отжиг высокоуглеродистых сталей , которые сильно упрчняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита.



В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита.При нагреве выше точки  А     вторичный цементит растворяется , а при последующем охлаждении на воздухе он не успевает образовать грубую сетку , понижающую свойства стали.



Очень часто нормализация служит для общего измельчения структуры перед закалкой. Выделения избыточного феррита и эвтектоид становятся более дисперсными и тем самым облегчается образование гомогенного аустенита при нагреве под закалку .



Как окончательную термообработку нормализацию применяют  к низкоуглеродистым низколегированным , средне- и высокоуглеродистым доэвтектоидным сталям .



11.  Одинарная темообработка .





Одинарная термообработка заключается в нагреве стали выше А3 , среднезамедленном охлаждении струей сжатого воздуха и душировании водой . Небольшая выдержка обусловленна необходимостью попасть в область сорбита .



После такой обработки получается пластинчатые структуры - сорбит или троостит .











12.  Патентирование.





Патентирование - термообработка , применяемая для получения высокопрочной канатной, пружинной и рояльной проволок. Проволоку из углеродистых сталей , содержащих  045-085 % С ,нагревают в проходной печи до температур на 150-200 градусов выше Ас3 , пропускают через свинцовую или соляную ванну при Т=450-550 С и наматывают на приводной барабан.



Высокая температура нагрева необходима для гомогенизации аустенита. Скорость движения проволоки должна быть такой , чтобы время пребывания в ванне было несколько больше времени окончания перлитного превращения. Иначе , при выходе проволоки из ванны аустенит , не успевший претерпеть перлитный распад , превращается в нижний бейнит или мартенсит и пластические свойства проволоки резко снижаются.



При выходе из ванны проволока имеет ферритно-цементитную структуру с очень малым межпластинчатым расстоянием и отсутствием зерен избыточного феррита. Благодаря этому проволока  способна выдерживать большие обжатия при холодной протяжке без обрывов. 



Получаемая структура называется квазиэвтектоидной . 






Список  литературы.



1. Новиков И.И. Теория термичесеой обработки металлов .М.: Металлургия,1986.

2. Лахтин Ю.М.  Металловедение и термическая обработка металлов.

    М.: Металлургия , 1993

3. Лившиц Металлография. М.: Металлургия ,1994.









13