Работа №6 Ответы на вопросы

1) Диаграмма Fe – c

Данная диаграмма характеризует состояние только чистых железоуглеродистых сплавов. Промышленные сплавы помимо углерода и железа содержат различные химические элементы. При увеличении содержания марганца (свыше 0,7 – 0,8%) или кремния (свыше 0,5 – 0 ,6%), а также введение других легирующих элементов положение критических точек значительно изменяется и определение их по диаграмме Fe – C для стали, содержащей несколько легирующих элементов, становится невозможным.

2) Критические точки.

В основе теории термической обработки лежат критические точки, открытые в 1868 году великим русским ученым Д.К. Черновым – «точки Чернова». Именно фазовые превращения в железе и его сплавах составляют фундамент теории термической обработки. Знание критических точек необходимо не только для характеристики превращений, но и для выполнения термической обработки. На диаграмме Fe-C критической точке отвечает линия PSK, а точке - линия GS.

3) Метод пробных закалок.

Этот метод является наиболее простым способом определения критических точек. Из исследуемой стали, в состоянии, котором она поставляется металлургическими заводами, изготавливают образцы в виде шайб диаметром 15-20 мм и высотой 12- 15 мм. Один образец нагревают ниже предполагаемой температуры, быстро охлаждают в воде и измеряют его твердость, а второй образец нагревают на 10-15⁰ выше, также охлаждают и измеряют твердость. Таким образом, нагревают до все более высокой температуры каждый следующий образец. Поскольку с повышением температуры в интервале Ас1 – Ас3 (стальной угол диаграммы Fe - C) количество аустенита возрастает, а количество феррита уменьшается, то в закаленной стали должно увеличиваться количество твердой составляющей – мартенсита. Повышение твердости должно продолжаться до тех пор, пока не будет достигнута температура Ас3. Тогда сталь при нагревании получает полностью аустенитную структуру, а при охлаждении – структуру мартенсита. Дальнейшее повышение температуры закалки не изменяет структуру стали и ее твердость в закаленном состоянии. Результаты измерения твердости записывают в таблицу, по данным которой строят диаграмму твердость – температура нагрева. Точность способа пробных закалок зависит от величины интенсивности температур нагрева каждого следующего образца.

4) Термическая обработка

Термическая обработка - совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, имеющих целью изменения структуры и свойств стали. На результат термической обработки влияет химическая среда, в которой производится обработка.

Термическая обработка имеет высокую себестоимость, но широко применяется в машиностроении, т.к. гарантирует надёжность и безопасность эксплуатации технических средств.

Основными видами термической обработки являются: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

5) Отжиг.

Отжиг - нагрев стали до заданной температуры, выдержке при ней с последующим медленным охлаждением. В результате медленного охлаждения сталь приближается к фазовому и структурному равновесию. Вследствие этого после отжига получаются структуры, указанные на диаграмме состояния Fe-C, а именно: феррит + перлит в доэфтектоидных сталях, перлит в эвтектоидных сталях и перлит + цементит в заэфтектоидных сталях. Обычно, после отжига сталь обладает низкой твердостью и прочностью.

Виды отжига:

• отжиг первого рода – отжиг холоднодеформированного, литого металла, не сопровождающийся фазовым превращением при температурах выше или ниже фазовых превращений;

• отжиг второго рода – отжиг с нагревом выше нижней или верхней критической точки, сопровождающийся фазовой перекристаллизации.

К отжигу первого рода относят: диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия остаточных напряжений.

Диффузионный отжиг - нагрев стали значительно выше верхней критической точки Ас3 (1100…1200 ⁰С),так как только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания состава в отдельных объемах, длительная выдержка, с последующим медленным охлаждением. Диффузионный отжиг способствует более благоприятному распределению некоторых неметаллических включений вследствие частичного растворения и коагуляции.

Рекристаллизационный отжиг - нагрев холоднодеформированной стали, в зависимости от ее состава, выше температуры рекристаллизации (650…760 ⁰С), выдержку при этой температуре с последующим охлаждением.

Его применяют перед холодной обработкой давлением и как промежуточную операцию для снятия наклепа после операций холодного деформирования. Таким образом, цель данного отжига – устранение наклепа и повышение пластичности. В некоторых случаях рекристаллизационный отжиг используют и в качестве окончательной термической обработки. Рекристаллизационному отжигу часто подвергают электротехнические, нержавеющие и другие стали.

Отжиг для снятия остаточных напряжений - нагрев в интервале температур 160…700 ⁰С, с последующим медленным охлаждением отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и др., в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и д.п. возникли остаточные напряжения.

Остаточные напряжения могут вызывать изменение размеров, коробление и подводку изделия в процессе его обработки, эксплуатации или хранения.

К отжигу второго рода относят: полный, изотермический со ступенчатым режимом, неполный, сфероидизирующий и низкий.

Полный отжиг - нагрев доэфтектоидной стали выше температуры, соответствующей точке Ас3 + (30…50 ⁰С), выдержку при этой температуре до полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующее медленное охлаждение. При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали. Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки Ас3 вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Время нагрева и выдержки при рабочей температуре зависит от типа нагревательной печи, способа укладки изделий в печь, высоты садки, типа полуфабриката. Медленное охлаждение должно обеспечивать распад аустенита при малых степенях переохлаждения, чтобы избежать образование излишне дисперсной ферритно – карбидной структуры и свойственной ей более высокой твердости. Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а, следовательно, от состава стали. Скорость охлаждения можно регулировать, проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом. Полному отжигу подвергают сортовой прокат, легированные стали и т.д.

Изотермический отжиг – нагрев обычно легированной стали до температуры, соответствующей точке Ас3 + (50…70 ⁰С), затем сравнительно быстрое охлаждение до температуры, соответствующей точке Ас1 - 100…150 ⁰С, в зависимости от характера кривой изотермического распада аустенита.

Его преимущество в уменьшении длительности процесса, особенно для легированных сталей.

После изотермического отжига имеет место более однородная структура.

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

Патентирование – процесс аустенизации при температуре Ас3 + (30…50 ⁰С), с последующим охлаждением в расплавленном свинце или расплавленных солях с температурой 450…550 ⁰С, где проводится изотермическая выдержка для полного распада аустенита. Его применяют в промежуточную операцию при производстве проволоки из углеродистой стали.

Неполный отжиг – нагрев до более низкой температуры (немного выше точки Ас1), этим он отличается от полного отжига.

Для доэвтектоидных сталей его применяют для снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием.

Для заэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют вместо полного отжига. В этих сталях нагрев несколько выше точки Ас1 + (10..30 ⁰С) вызывает практически полную перекристаллизацию металлической матрицы.

Сфероидизирующий отжиг – нагрев немного выше точки Ас1, с охлаждением несколько ниже точки Ас1, что позволяет получить зернистую перлита вместо пластинчатой. Сталь с зернистым перлитом имеет более низкие значения твердости и предела прочности и более высокие значения относительного удлинения и сужения.

Низкий отжиг (высокий отпуск) – нагрев стали после горячей механической обработки до температуры несколько ниже точки Ас1(обычно 650..680 ⁰С), выдержки при ней и охлаждение на воздухе, что не вызывает перекристаллизации.

После горячей механической обработки сталь чаще имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру, поэтому не требуется фазовой перекристаллизации.

6) Нормализация – нагрев доэвтектоидной стали до температуры, превышающей Ас3, а заэфтектоидной Аст на 50 ⁰С, непродолжительной выдержке при этой температуре на спокойном воздухе.

Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру. Применяется для измельчения структуры низко- и среднеуглеродистой стали и повышает ее механические свойства.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали.

Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо закалки высокого отпуска. Механические свойства в этом случае будут ниже, но изделия будут подвержены меньшей деформации, по сравнению с получаемой при закалке, и вероятность выявления трещин практически исключается.

Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют как более простую операцию вместо отжига. Повышая немного твердость, нормализация обеспечивает получение более чистой поверхности при резании.

Для высокоуглеродистой стали нормализацию применяют для устранения цементной сетки, которая может возникнуть при медленном охлаждении в интервале температур Аст – А1.