книги / Термоциклическая обработка сталей и чугунов
..pdfМИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
В. к. ФЕДЮКИН
ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКАЯ
ОБРАБОТКА
СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ
Ответственный редактор канд. техн. наук 3. Р. Кузько
Издательство Ленинградского университета Ленинград 1977
Рекомендовано к изданию Ленинградским политехническим институтом
им. М. И Калинина
УДК 621.785.669.14
Ф Е Д Ю К И Н |
В. К. |
Термоциклическая обработка сталей и чугунов- |
Л., Изд-во Леннигр. |
ун-та. |
1977. 144 с. Ил.—56, табл.—31, библиогр.— 126- |
назв. |
|
|
В монографии обосновывается метод термоциклической обработка спла вов на основе железа. Показаны способы значительного увеличения конструк тивной прочности металлических материалов на основе железа.
Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников, спе циализирующихся в области металлургии и обработки металлов.
Рецензенты: проф. Т. А. Лебедев, канд. техн. наук В. П. Алферов
Издательство Ленин-
ПРЕДИСЛОВИЕ
Десятая пятилетка развития народного хозяйства СССР — пятилетка «качества. Поэтому основной задачей научно-техниче ского -прогресса является 'всемерное повышение «качества выпу скаемой продукции при снижении затрат и повышении объема производства. Эта сложная проблема решается и будет решать ся комплексно. Одним из важнейших факторов дальнейшего совершенствования производства остается разработка и внедре ние качественно новых прогрессивных технологических процес сов. Работы в этом направлении ведутся особенно интенсивно.
Прогресс в области машиностроения определяется сейчас ве дущей ролью технических наук, освещающих путь практике со здания надежных, высококачественных и производительных ма шин. Технические науки стали непосредственной производитель ной силой, основным источником средств и способов повышения производительности общественного труда, одним из главных факторов социального прогресса. Поэтому развитию технических наук и их связи с промышленным производством сейчас уделя ется особенно большое внимание.
К числу конкретных задач науки относятся создание новых машиностроительных материалов и прогрессивных технологий их обработки. Так как металлы были и останутся на многие де сятилетия важнейшими конструкционными материалами, то, естественно, что изыскание новых возможностей повышения их физико-механических, и в первую очередь прочностных свойств, остается актуальной задачей.
Решению этой народнохозяйственной задачи посвящено ис следование, описанное в данной монографии.
Из всех существующих способов упрочнения наиболее про стым и в то же время достаточно совершенным, позволяющим получать строго определенные необходимые свойства металли ческих материалов, является метод термической обработки. По-
з
этому и в дальнейшем его необходимо глубже исследовать и постоянно совершенствовать. Исследования в этом направлении заметно активизировались. {Однако существующий метод терми ческой обработки, состоящий из таких технологических опера ций, как нагрев, выдержка и охлаждение, в значительной степе- ни'ис-черпад свои возможности в части повышения работоспособ ности металлических .материалов Поэтому поиск принципиально
новых технологических способов термического |
воздействия |
на |
|
структурообразование и механические свойства является |
для |
||
металловедения одним из важнейших. Указанное |
направление |
||
.исследований представлялось достаточно перспективным. |
|
||
В результате проведенных исследований автором был создан |
|||
новый метод термического воздействия (обработки) |
металличе |
||
ских материалов на основе железа — метод |
термоциклической |
||
•обработки (ТЦО). Разработаны теоретические основы этого ме тода и изобретено десять способов ТЦО, позволяющих сущест венно увеличить работоспособность сталей и чугуиов. Режимы ТЦО характеризуются, в отличие от известного метода терми ческой обработки (ТО), отсутствием выдержек при постоянных •температурах нагревов, многократными фазовыми превращения ми в сплавах при циклических нагревах и охлаждениях с опти мальными скоростямилВнедрение ТЦО в производство позволя ет существенно сократить производственный цикл изготовления деталей и повысить их качество. Использование ТЦО дает зна чительный экономический эффект в условиях производства и эк сплуатации машин, приборов и оборудования.
Данная книга предназначена для инженерно-технических и научных работников, занимающихся вопросами технологий, упрочняющих металлы. Поэтому в работе даны основы метода ТЦО, приведены результаты экспериментальных исследований влияния способов ТЦО на механические свойства различных ста лей и чугунов, описан метод оценки экономической эффективно сти ТЦО с приведением конкретных расчетов и др. Все это в
.значительной степени имеет практическое значение при решении производственных задач.
Результаты экспериментальных исследований приведены в •единицах измерения международной системы СИ и одновремен но, учитывая практическую направленность книги, в действую щих технических единицах измерений.
Г Л А В А I
ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ МЕТОДА ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОИГ ОБРАБОТКИ
§ 1. Анализ классических способов термической обработки
Известно, что эффективным и простым методом повышения: работоспособности металлических материалов является терми ческая обработка. Наиболее распространенные способы терми ческой обработки характеризуются следующими основными тех нологическими параметрами [35]: температурой нагрева /т.0* т. е. максимальной температурой, до которой необходимо нагреть сплав при термической обработке, временем выдержки при температуре нагрева Твыл,у скоростью нагрева Vтг и старостью охлаждения о0хл. Режим термической обработки может быть представлен схемой, изображенной на рис. 1. На рисунке пока зана технология наиболее «простой термической обработки. Суще ствуют и более сложные способы термической обработки, со стоящие из прерывистых, ступенчатных нагревов или охлажде ний с выдержками при двух и более температурах и т. д. На конец, известны и многократные термообработки. Однако, не смотря на различия в способах термообработки, нагрев, вы держка и охлаждение являются необходимыми при существую щем методе термической обработки. Известные многократные способы термической обработки состоят из тех же операций, но выполненных два—три и более раз, например, закалка и от пуск, двойная и тройная закалка с отпуском, двойная норма лизация и отпуск и т. д. Эти многократные термообработки принципиального отличия от одноразовых не имеют, однако они позволяют получать удовлетворительные свойства для опреде ленных условий эксплуатации конкретных материалов.
Все существующие однократные и многократные способы термической обработки с выдержами при постоянных темпера турах, если повышают прочностные характеристики, то, как пра вило, снижают показатели пластичности. Значит, при терми ческой обработке повышение следующих прочностных характе ристик: предела прочности л.ри растяжении (ав), предела теку-
чести (ат), твердости (НВ) и т. д. — сопровождается снижением показателей пластичности и вязкости (относительного удлине ния (6), относительного сужения (ф), ударной вязкости (ап) и др.). Такова общая закономерность. Известные способы тер мообработки позволяют перераспределять противоположные ме ханические свойства (прочность и пластичность), оставляя мате риал на определенном, присущем ему «уровне прочности» (за висимость / на рис. 2), характеризующем «конструктивную проч ность материала, его общую работоспособность. Термической обработкой повышают только локальную (конкретную) работо способность металлического материала, т. е. работоспособность
Рис. 1. Режим термической обра |
Рис. 2. Расположение уровней |
прочнос |
|
ботки |
ти металлического материала |
|
при раз |
|
личных методах его термообработки: |
||
|
1. 2—соответственно уровни прочности |
термичес |
|
|
кой и термоциклпческой обработки; |
3—возмож |
|
|
ные направления перехода от |
/ |
к 2 |
Точка а на кривой 1 (рис. 2) достигается для сталей в ре зультате закалки, б—нормализации, а промежуточные точки — в" результате закалки и соответствующего отпуска. Максималь ная пластичность при наименьшей прочности получается в ста лях после их отжига. Таким образом, классическим способам термической обработки свойственно некоторое принципиально важное ограничение. Этим ограничивающим возможности тер мической обработки обстоятельством является ее неспособность повышать одновременно прочность и пластичность или при со хранении значений одних свойств, например пластических, уве личивать .показатели прочности. Такое комплексное повышение характеристик прочности и пластичности наиболее эффективно для обеспечения надежной работы конструкционных материа лов, снижения веса и габаритных размеров машин и т. д.
Задача комплексного повышения прочности металлических материалов решается путем совмещения термической обработки с упрочнением от наклепа (т. е. от пластической деформации). На этой основе разработаны такие новые методы упрочнения ме
6
таллов и сплавов, как механико-термическая обработка (МТО) н термо-механическая обработка (ТМО). Отличие этих обрабо ток в том, что при МТО вначале дают механическое упрочнение деформированием и затем производят термическую обработку, а при ТМО механическое упрочнение (наклеп) осуществляется в процессе термической обработки. Применение этих обработок к металлическим материалам дает положительные результаты в повышении уровня прочности обрабатываемого материала, но они не нашли еще широкого применения в производстве в силу технологической сложности.
Одним из методов повышения механических свойств деталей является химико-термическая обработка (ХТО). Но и у этого метода, основанного на диффузионном насыщении обрабатывае мого материала различными элементами, есть свои недостатки и ограничения. Во-первых, ХТО дает только поверхностное упроч нение, и, во-вторых, достигаемое увеличение характеристик прочности происходит, как правило, при снижении пластичности и вязкости. Кроме того, ХТО технологически сложнее обычной термообработки.
Традиционный метод термической обработки технологически прост, но он не дает требуемого увеличения уровня прочности. Но это не означает, что нет иного пути к увеличению уровня проч ности термическим воздействием на металлические материалы.
Учитывая основные недостатки существующего метода тер мической обработки, можно наметить два направления в поиске решений увеличения эффективности термического воздействия на металлические материалы.
Первое направление — в преодолении или устранении извест ных недостатков термической обработки. Работая в этом направ лении, исследователи обычно добиваются оптимизации режима того или иного известного способа термической обработки при менительно к конкретному материалу. Теоретические и приклад ные исследования в области термической обработки обычно и ве дутся в таком методологическом плане. Эти исследования безу словно полезны и нужны, однако они не вносят качественных изменений в процессе термообработки, а только совершенству ют его, снижая отрицательные явления в процессе термической обработки, но не устраняя их полностью. В исследованиях тако го рода предпринимаются попытки активного воздействия на от рицательные явления. Однако этот более сложный и трудный «путь преодоления препятствий», как правило, оказывается ма лоэффективным.
Другое решение этой проблемы — не преодолевать извест ные недостатки той или иной технологии, а обходить их, не до пускать их появления. При таком решении поставленной задачи исследователь вынужден искать нечто качественно новое, что невозможно без отказа от чего-либо традиционного и введения новых понятий, критериев, параметров и т. п.
7
При таком приеме исследования вероятность получения по ложительного результата не велика, так ка<к «можно и не уви деть возможных «обходных» путей. Если же такой путь нахо дится, то обычно открывается целое направление с «качественно новым решением проблемы и с множеством решений частных задач.
Автор в своей работе использовал главным образом второй методологический прием. Разрабатывая технологию новых спо собов термоциклической обработки, ему пришлось отказаться от одного из традиционных, считавшихся необходимым, параметров Твыд и ввести новый п0пт — оптимальное число нагревов и охлаж дений (термоциклов). |Новый метод термоциклической обработ ки качественно отличается от традиционного метода термической обработки тем, что дает возможность повысить уровень прочно сти металлического материала (рис. 2). Доказательству перехо да металлических материалов, в частности сталей и чугунов, на более высокий уровень конструктивной прочности в результате термоциклической обработки, состоящей в многократном воздей ствии на металл или сплав соответствующим изменением темпе ратуры при нагревах и охлаждениях, посвящена эта книга. Для этого необходимо вначале .рассмотреть на примере стали основ ные негативные, отрицательные стороны существующего метода термической обработки: неиспользование при термообработке положительных структурных изменений, происходящих при уско ренных и быстрых нагревах; рост зерен и развитие тепловой хрупкости при выдержке; использование в основном полного а—у-превращения; недостаточное использование кинетики рас пада аустенита при охлаждении и т. д.
Известно, что не все элементы технологии термической обра ботки существенно влияют на конечные результаты—структуру и свойства термообрабатываемого материала. Наличие выдерж ки при постоянной температуре нагрева сводит до минимума возможное положительное влияние скоростного нагрева. По этому чаще всего в технологии термической обработки скорость нагрева имеет второстепенное значение. Необходимая структура, а следовательно, и соответствующие свойства формируются глав ным образом при охлаждении — скоростью охлаждения.
Таким образом, |
параметрами, фактически влияющими на ко |
||
нечные результаты |
термической обработки, являются |
(исключе |
|
ние составляет |
термообработка с нагревом ТВЧ) |
/т.0, Твыд и |
|
уохл. При ТЦО |
все ее технологические параметры |
(1/Паг, ^наг, |
|
Vоxл, Лопт) существенно сказываются на конечных результатах. Далее будут показаны те положительные эффекты, кото рые достигаются при скоростном нагреве сталей и чугунов. Здесь отметим только необходимость использования этих эффек
тов в новых способах термически упрочняющих обработок.
При обычных способах термической обработки сталей и чу гунов получается относительно крупнозернистая структура.
8
Известно, что чем мельче зерно, тем выше механическая проч ность металлического материала. Поэтому желательно получе ние большей мелкозернистости, что не всегда возможно при тер* мической обработке.
Рост зерен в углеродистой стали в зависимости от темпера туры нагрева при термической обработке [36] показан на рис. 3,. откуда видно, что, нагревая конструкционные стали до темпе ратур выше критической температуры Ас3, почти всегда полу чаем достаточно крупное зерно аустенита. Последующая вы держка приводит к дальнейшему росту зерен аустенита, а> охлаждение стали фиксирует полученный размер зерен.
Даже теория метода сущест вующей термообработки не допу скает получения сколь угодно мелких зерен в сталях и чугунах. Возможности в этом отно шении ограничены некоторым на чальным размером зерен.
Однако и этот наименьший размер для конструкционных сталей и ферритно-перлитных чугунов трудно достижим, так как по условиям метода термо обработки нагрев таких сплавов ведется до температур вышеЛсз, а не А с\.
Выдержка при постоянной ^ температуре нагрева не только и ведет к росту зерен, но и создает условия теплового охрупчивания
легированных сталей. Это является еще одним фактором,, снижающим конструктивную прочность широко применяемых ле гированных сталей и чугунов. Основные способы термической обработки сталей и чугунов предусматривают полное а —у~пРе* вращение. Это необходимое условие ведет к увеличению энерго емкости термической обработки. Что касается охлаждения, то оно ведется, как правило, тоже до полного завершения того или иного процесса. Далеко не все возможности использованы и при охлаждении сплавов в процессе термической обработки. Заме тим, что смешанные структуры, получаемые при незавершенных процессах распада высокотемпературной фазы, зачастую обла дают уникальными свойствами. Например, стали и чугуны со* структурой зернисто-пластинчатого перлита обладают повышен ной износостойкостью и т. п.
В условиях современной научно-технической революции к ма шиностроительным материалам, к сталям и чугунам в частно сти, предъявляются высокие требования. Необходимо достигать.
9*
простыми методами повышения всего комплекса механических свойств металлов и сплавов, т. е. наряду с повышением показа телей прочности должны увеличиваться (или не снижаться) ха рактеристики пластичности и вязкости. Достижение увеличения конструктивной прочности металлических материалов термиче ским воздействием является принципиально новой задачей для термической обработки, потребовавшей и новых средств ее до стижения— разработки и внедрения метода упрочняющей термоциклической обработки.
В данной книге показано решение этой задачи применитель но к сталям и чугунам.
§ 2. Исследования фазовых превращений при ускоренных нагревах сплавов на основе железа
Кинетика превращений в сталях при нагреве давно ннтереоовала металловедов иметаллофиз'иков. Проблема же аустениза ции особенно стала актуальной в связи с появлением теории ■так называемого бездиффузионного образования аустенита при сверхбыстром нагреве стали.
Общая теория фазовых превращений основана на законе о конкурирующих возможностях превращения [18, 86, 118], ко торый показывает роль кинетических факторов в развитии пре вращения: если в сплаве принципиально возможно образование различных промежуточных состояний, то в первую очередь бу дут реализовываться такие состояния, приближения к которым
.происходят с наибольшей скоростью и сопровождаются неко торым, хотя бы незначительным, понижением свободной энергии системы. Иначе говоря, закон утверждает, что в сплаве реализу ется то конкурирующее состояние, которое можно достичь за меньший промежуток времени в данных условиях фазового пре вращения. Одним из частных проявлений закона о конкурирую щих возможностях превращения является развитие в сплавах бездиффузионных а-^'У''п,ревращений, аналогичных мартенсит ным [86].
Явление мартенситного превращения при охлаждении стали
.из аустенитного состояния известно давно и достаточно хорошо изучено. Интерес представляло бездиффузионное превращение при нагреве. Сейчас исследования бездиффузионного механизма в «-^у-превращении интенсивно ведутся уже более 25 лет. Полз ченные результаты имеют большое теоретическое значе ние. Однако результаты выполненных физических исследований необходимо полнее реализовывать при разработке тех или иных технологических процессов. Не случайно поэтому появляются ис следования, близкие к практике создания способов термического упрочнения сталей и сплавов [40, 54].
В работе [40] показано, что в инструментальных сталях сме на диффузионного механизма в перестройке а-решетки железа
.10