- •Институт металлургии и химии
- •Термическая обработка металлов и сплавов. Курс лекций.
- •Введение
- •1. Виды термической обработки стали
- •2. Основы теории термической обработки
- •2.1. Превращения в стали при нагревании
- •2.2. Рост зерна
- •2.3. Превращение переохлажденного аустенита
- •2.4. Мартенситное превращение и его особенности
- •2.5. Превращения при отпуске стали
- •3. Практика термообработки сталей
- •3.1. Отжиг сталей
- •3.2. Закалка сталей
- •3.3. Способы закалки
- •3.4. Поверхностная закалка
- •3.5. Отпуск стали
- •3.6. Отпускная хрупкость
- •3.7. Прокаливаемость сталей
- •4. Химико-термическая обработка стали
- •4.1. Цементация
- •4.2. Азотирование
- •4.3. Цианирование
- •4.4. Диффузионная металлизация
- •5. Термомеханическая обработка
- •5.1. Втмо сталей
- •5.2. Нтмо сталей
- •6. Легированные стали
- •6.1. Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение в сталях
- •6.2. Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом
- •6.3. Влияние легирующих элементов на фазовые превращения при термообработке
- •6 .4. Изменение твердости легированной стали при отпуске
- •6.5. Маркировка легированной стали
- •7. Конструкционные стали
- •7.1. Характеристика конструкционных сталей
- •7.2. Стали для холодной штамповки
- •7.3. Стали для строительных конструкций
- •7.4. Цементуемые стали
- •7.5. Улучшаемые стали
- •7.6. Высокопрочные стали
- •7.7. Рессорно-пружинные стали
- •7.8. Подшипниковые стали
- •7.9. Износостойкая аустенитная высокомарганцевая сталь
- •7.10. Инструментальные стали
- •8. Термическая обработка серого литейного чугуна
- •9. Термическая обработка алюминиевых сплавов
- •10. Старение железа
- •Заключение
- •Список литературы
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт металлургии и химии
Кафедра металлургических технологий
Термическая обработка металлов и сплавов. Курс лекций.
Направления: 651300 – металлургия;
650800 – теплоэнергетика
Специальности: 150101 – металлургия черных металлов;
150106 – обработка металлов давлением;
140104 – промышленная теплоэнергетика
Череповец
2006
Учебно-методическое пособие «Курс лекций по дисциплине «Термическая обработка металлов и сплавов»»: – Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2006. – 75 с.
Рассмотрено на заседании кафедры металлургических технологий, протокол № ___ от «___»________2006 г.
Одобрено редакционно-издательской комиссией Института металлургии и химии ГОУ ВПО ЧГУ, протокол № ____ от «____»_______ г.
Составитель: Г.С. Козлов – канд. техн. наук, доцент
Н.А. Злокина – старший преподаватель
Рецензенты: В.В. Ермилов – канд. техн. наук, доцент (ГОУ ВПО ЧГУ); С.Н. Сумин – канд. техн. наук, доцент (ГОУ ВПО ЧГУ)
Научный редактор: З.К. Кабаков – д-р техн. наук, профессор
ГОУ ВПО Череповецкий государствен-
ный университет, 2006
Введение
Термическая обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры без изменения внешней формы изделий.
Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металла. Термическая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданных уровень физико-механических свойств детали.
Повышение прочности и долговечности деталей зависит от качества термической обработки. Поэтому, не изучив основных свойств стали, не ознакомившись с теми превращениями, которые совершаются в ней при нагреве и охлаждении, невозможно правильно выбрать и сознательно выполнить режим термической обработки.
Диаграмма состояния Fe – C дает представление о фазовых и структурных превращениях в условии равновесия, т.е. при очень малой степени переохлаждения (перенагрева). Повышенные скорости охлаждения тормозят диффузионные процессы, а при больших степенях переохлаждения они полностью прекращаются. Поэтому состав и строение фаз и структурных составляющих, образующихся при термической обработке в процессе высоких скоростей охлаждения, значительно отличаются от равновесных. Вследствие этого изменяются и свойства сплавов железа. В основах теории термической обработки лежат фазовые превращения, протекающие в неравновесных условиях. Поэтому ниже рассматривается влияние температуры и времени превращения, т.е. влияние кинетики, на структуру и свойства сплавов на железной основе.
1. Виды термической обработки стали
В металловедении принято обозначать критические точки стали буквой А по начальной букве французского слова arret - остановка. Критические точки А1 лежат на линии PSK (727 °С) диаграммы железо - углерод и соответствуют превращению перлита в аустенит Критические точки А2 находятся на линии МО (768 °С), характеризующей магнитное превращение феррита. А3 соответствует линиям GS и SE. На линии GS начинается выделение феррита из аустенита при охлаждении или завершается превращение феррита в аустенит при нагреве. На линии SE начинается выделение вторичного цементита из аустенита при охлаждении или заканчивается его растворение в аустените при нагреве.
В следствие теплового гистерезиса превращения при нагреве и охлаждении проходят при разных температурах. Поэтому для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении вводят дополнительные индексы: букву «с» в случае нагрева и «г» в случае охлаждения, например Ас1, Ас3, Аr1, Ar3.
Различают три основных вида термической обработки металлов: собственно термическую обработку, химико-термическую и термомеханическую обработки. Собственно термическая обработка предусматривает только температурное воздействие на металл. При химико-термической обработке (ХТО) в результате взаимодействия с окружающей средой при нагреве меняется состав поверхностного слоя металла и происходит его насыщение различными химическими элементами. Термомеханическая обработка (ТМО) предусматривает изменение структуры металла за счет как термического, так и деформационного воздействия. При ТМО наклеп оказывает влияние на кинетику фазовых и структурных превращений, сопровождающих термообработку. Собственно термическая обработка включает в себя отжиг, нормализацию, закалку, отпуск и старение.
Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий в неравновесном состоянии и приводящая его в более равновесное, называется отжигом. Охлаждение после отжига выше критических точек производится с печью.
Нагрев при отжиге может производиться ниже или выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига.
Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производится с целью приведения его в устойчивое состояние за счет снятия напряжений, уменьшения искажений кристаллической решетки, диффузии атомов, рекристаллизации, называется отжигом первого рода, так как отжиг этого типа не связан с превращениями в твердом состоянии, он возможен для любых металлов и сплавов.
Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом второго рода или перекристаллизацией.
Если после нагрева выше температур фазовых превращений охлаждение ведется не в печи, а на воздухе, имеет место нормализация, являющаяся переходной ступенью от отжига к закалке.
Различают два вида закалки: с полиморфным превращением и без него.
Термическая обработка, заключающаяся в нагреве выше температур фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением для получения структурно неравновесного состояния, называется закалкой с полиморфным превращением. Этот вид закалки характерен для сплавов железа с углеродом. После закалки в сплаве сохраняется структура пересыщенного твердого раствора или структура, состоящая из продуктов превращения твердого раствора разной степени дисперсности.
При медленном охлаждении стали при прохождении критической точки Аr1 аустенит распадается на ферритно-цементитную смесь: А Ф + Ц. С ростом скорости охлаждения превращение происходит при все более низких температурах. При достаточно большой скорости охлаждения распад аустенита может не произойти и аустенит, т. е. твердый раствор углерода в Fe, превратится в мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в Feα.
Состояние закаленного сплава характеризуется особой неустойчивостью. Процессы, приближающие его к равновесному состоянию, могут идти даже при комнатной температуре и резко ускоряются при нагреве.
Термическая обработки, представляющая нагрев закаленного сплава ниже температур фазовых превращений (ниже Ас1) для приближения его к структуре более устойчивому состоянию, называется отпуском.
Закалка без полиморфного превращения состоит из нагрева до температур растворения избыточной фазы и получения однородного твердого раствора с быстрым охлаждением для фиксации пересыщенного твердого раствора и получения структурно неустойчивого состояния.
Между отпуском и отжигом 1 рода много общего. Разница в том, что отпуск - всегда вторичная операция после закалки.
Самопроизвольный отпуск, происходящий после закалки без полиморфного превращения, в результате длительной выдержки при комнатной температуре, или отпуск при сравнительно небольшом подогреве называется старением. Старение также приближает состояние сплава к более устойчивому.
Принято различать первичную и вторичную термическую обработку. Целью первичной термической обработки, чаще всего отжига или нормализации, является подготовка структуры сплава к последующим операциям пластической, механической и окончательной термической обработки. Назначением вторичной термической обработки является получение окончательной структуры и необходимых физико-механических свойств сплава.
Основными структурами стали, переход которых из одной в другую характеризует основные превращения, являются:
1. Аустенит А - твердый раствор углерода в -железе.
2. Мартенсит М — пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.
3. Перлит П — эвтектоидная смесь феррита и цементита Ф + Fe3C.
При термической обработке стали различают четыре основные превращения:
1. Превращение при нагреве перлита в аустенит П А.
2. Превращение при охлаждении аустенита в перлит А П.
3. Превращение при охлаждении аустенита в мартенсит АМ.
4. Превращение мартенсита в перлитные структуры М П.