1. Задача термической обработки - путем нагрева и охлаждения вызвать необратимое изменение свойств вследствие необратимого изменения структуры. Если при нагревах изменяется состав металла (сплава) - его поверхностных слоев в результате взаимодействия с окружающей средой, то такая термическая обработка называется химико-термической (ХТО), а если наряду с температурным воздействием производится еще и деформация, вносящая соответствующий вклад в изменение структуры, то такая термическая обработка называется деформационно-термической.
Отжиг I рода - нагрев металла, который имеет неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки (кроме закалки), приводящий металл в более устойчивое состояние. Основные подвиды: гомогенизационный отжиг, рекристаллизационный отжиг, отжиг для снятия внутренних напряжений. Отжиг II рода - нагрев выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения стабильного структурного состояния сплава.
Закалка с полиморфным превращением - нагрев выше температуры полиморфного превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно-неустойчивого состояния (в пределе - фиксирования устойчивого состояния при высокой температуре). Отпуск - нагрев закаленного (с полиморфным превращением) сплава для получения более стабильного состояния. Закалка без полиморфного превращения - нагрев до температур, вызывающих структурные изменения (чаще всего для растворения избыточной фазы) с последующим быстрым охлаждением для получения структурно-неустойчивого состояния - пересыщенного твердого раствора).
Старение - нагрев (или длительная выдержка при комнатной температуре), вызывающий превращения в закаленном (без полиморфного превращения) сплаве и приближающий его состояние к более устойчивому. Химико-термическая обработка классифицируется по насыщающему элементу - углероду (цементация), азоту (азотирование) и т. д. Разные виды деформационно-термической обработки разделяются в зависимости от характера фазовых превращений и способа деформации, причем существенное значение имеет, до или после деформации происходит превращение (ТЛЮ и МТО соответственно), а также выше или ниже температуры рекристаллизации производилась деформация (ВТМО и НТМО соответственно).
2. Отжигом называют термообработку, направленную на получение в металлах равновесной структуры. Любой отжиг включает в себя нагрев до определенной температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение. Цель отжига – уменьшить внутренние напряжения в металле, уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность. Отжиг делят на отжиг 1 рода и 2 рода.
Отжиг 1 рода – это такой вид отжига, при котором не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями.
Отжиг 1 рода в свою очередь разделяют на 4 группы:
Гомогенизация
Рекристаллизационный отжиг
Отжиг для снятия внутренних напряжений
Патентирование
Отжиг второго рода – термообработка, направленная на получение равновесной структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения.
При отжиге второго рода нагрев и последующее охлаждение может вызвать как частичную, так и полную замену исходной структуры. Полная замена () в результате двойной перекристаллизации позволяет кардинально изменить строение сплава, уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние напряжения, т.е. полностью изменить структуру и свойства детали. Отжиг второго рода может быть полным и неполным.
Полный отжиг сопровождается полной перекристаллизацией. При неполном отжиге структурные превращения происходят не полностью, с частичным сохранением исходной фазы. Неполный отжиг применяется в тех случаях, когда можно изменить строение второй фазы, исчезающей и вновь появляющейся при этом виде отжига.
3. Закалка – это термообработка, направленная на получение в сплаве максимально неравновесной структуры и соответственно аномального уровня свойств. Любая закалка включает в себя нагрев до заданной температуры, выдержку и последующее быстрое резкое охлаждение. В зависимости от вида фазовых превращений, происходящих в сплаве при закалке, различают закалку с полиморфным превращением и закалку без полиморфного превращения.
4. Отпуск – термообработка, направленная на уменьшение внутренних напряжений в сплавах после закалки с полиморфным превращением. Образование вторичных фаз после закалки с полиморфным превращением всегда сопровождается резким увеличением внутренних. Соответственно максимально увеличиваются прочность и твердость, до минимума падает пластичность. Чтобы получить необходимое соотношение прочности и пластичности, такой сплав после закалки подвергают дополнительной термообработке: отпуску. Нагрев вызывает уменьшение концентрации легирующих элементов в твердом растворе и выделение вторичных фаз.
После закалки без полиморфного превращения сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора. Такое состояние сплава – нестабильное и с течением времени начинает меняться. Пересыщенный твердый раствор распадается с выделением из него мелких включений вторичной фазы. Этот процесс проходит в несколько стадий:
На первой стадии в кристаллической решетке твердого раствора появляются зоны, обогащенные атомами второго компонента. С течением времени эти зоны увеличиваются.
На второй стадии концентрация атомов второго компонента достигает величины, соответствующей по концентрации выделения вторичной фазы.
Наступает третья стадия, т.е. формирование в этих зонах промежуточной кристаллической решетки, которая отличается то решетки твердого раствора и от решетки вторичной фазы.
На четвертой стадии увеличение концентрации второго компонента приводит к образованию окончательной кристаллической решетки вторичной фазы и образованию границы раздела между твердым раствором и вторичной фазой. Так как процесс распада твердого раствора основан, прежде всего, на диффузионных процессах, то он в значительной степени зависти от температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс распада. Если температура нормальная, то процесс распада называется естественным старением, а если температура повышенная, то - искусственным старением. В результате, после старения структура сплава представляет собой зерна твердого раствора равновесного химического состава, с равномерно распределенным по объему, огромным количеством мелких выделений вторичной фазы. Эти выделения, располагаясь на плоскостях скольжения, препятствуют перемещению дислокаций, требуют увеличение скалывающего напряжения. Соответственно, прочность и твердость сплава увеличиваются.
5. Гомогенизация – отжиг, направленный на уменьшение химической неоднородности металлов, образующейся в результате рекристаллизации. В отличие от чистых металлов, все сплавы после кристаллизации характеризуются неравновесной структурой, т.е. их химический состав является переменным как в пределах одного зерна, так и в пределах всего слитка.
Химическая неоднородность обусловлена различной температурой плавления исходных компонентов. Чем меньше это различие, тем более заметна химическая неоднородность, получающаяся в слитке. Избавится от нее невозможно, можно только уменьшить. Для этого применяют высокотемпературный отжиг с длительными выдержками (от 2 до 48 часов). При высокой температуре подвижность атомов в кристаллической решетке высокая и с течением времени за счет процессов диффузии происходит постепенное выравнивание химического состава. Однако усреднение химического состава происходит в пределах одного зерна, т.е. устраняется в основном дендритная ликвация. Чтобы устранить зональную ликвацию (химическую неоднородность в пределах части слитка), необходимо выдерживать слитки при данной температуре в течение нескольких лет. А это практически невозможно.
В процессе отжига на гомогенизацию происходит постепенное растворение неравновесных интерметаллидных фаз, которые могут образоваться в результате кристаллизации с большой скоростью. При последующем медленном охлаждении после отжига такие неравновесные фазы больше не выделяются. Поэтому после гомогенизации металл обладает повышенной пластичностью и легко поддается пластической деформации.
6) Описать процесс термического превращения
Основными процессами, рассматриваемыми в теории термической обработки стали, являются фазовое превращение. Важнейшей являются: превращение перлита в аустенит, происходящее при нагреве стали; превращение аустенита в мартенсит при быстром охлаждении (закалки); и наконец, распад мартенсита при отпуске закаленной стали. Основные закономерности фазовых превращений, происходит в так называемых цветных сплавах, в частности старение.
7. Мартенсит - является основной структурой закаленной стали. В большинстве случаев в стали стремятся получить эту структуру, так как сталь, закаленная на мартенсит, обладает высокой твердостью. Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу и образуется не так, как ферритно-цементитные структуры.
Характерной особенностью мартенситного превращения является его бездиффузионный характер. При большой степени переохлаждения углерод не успевает диффундировать из решетки аустенита и образовать частицы цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Однако полиморфное превращение протекает и углерод остается в решетке a-железа в большом количестве. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Такое пересыщение вызывает изменение объемно-центрированной кубической решетки в тетрагональную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллепипед. Атомы углерода в такой ячейке располагаются или в междоузлиях, или в середине удлиненных ребер, или в центре основания. Интервал температур образования мартенсита зависит от химического состава аустенита. С повышением в нем содержания углерода линии Мн и Мк понижаются. При содержании углерода более 0,6 % мартенситное превращение заканчивается при температурах ниже 0°С. Поэтому, для того чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их необходимо охлаждать до минусовых температур. Существенное влияние на линии Мн и Мк оказывают легирующие элементы. Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо охлаждать очень быстро и непрерывно, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных структур. При непрерывном охлаждении время устойчивости аустенита в 1,5 раза больше, чем при изотермическом превращении.
8. Влияние температуры на структуру и образование.
Превращение перлита в аустенит не может происходить при температуре 727оС, так как при этой равновесной температуре свободная энергия перлита равна свободной энергии аустенита. Поэтому, для превращение перлита в аустенит температура нагрева должна быть выше 727оС, тоесть должен быть перегрев, так как для превращения аустенита в перлит должен быть переохлаждение.
Процесс превращения перлита эвтектоидной стали в аустенит при нагреве происходит следующим образом. При переходе через критическую точку на границе ферритной и цементитной фаз начинается образование мелких зерен аустенита, в которых растворяется цементит. Затем образовавшиеся зёрна растут, зарождаются мелкие зёрна аустенита, и продолжается растворение цементита. Процесс заканчивается заполнением объема бывшего перлитного зерна зёрнами аустенита. Таким образом, превращение перлита в аустенит является процессом кристаллизационного типа и носит диффузионный характер, так как сопровождается перемещением атомов углерод на расстоянии больше межатомных.
9. Распад аустенита может происходить, только при температурах ниже 727 °С, когда свободная энергия аустенита выше свободной энергии продуктов его превращения. Из этого следует, что для распада аустенита должно быть его переохлаждение. От степени переохлаждения, т.с. от температуры, при которой* происходит распад аустенита, зависит скорость превращения и строение продуктов его распада. Закономерность этого процесса характеризуется диаграммой изотермического превращения переохлажденного аустенита, т.с. распадом аустенита при постоянной температуре.
Если сталь быстро охладить до температуры ниже критической точки и затем выдержать при этой температуре; превращение аустенита в ферритно-цементитную смесь будет проходить в течение определенного времени. Такой процесс носит название изотермического превращения аустенита. После охлаждения стали температуры ниже критической точки аустенит некоторое время сохраняется нераспавшимся. период времени называется инкубационным По истечении инкубационного периода Происходит распад аустенита на ферритно-цементитную смесь.
10. Основные виды термической обработки стали - отжиг, закалка и отпуск.
Отжиг стали - термическая обработка, включающая при полном отжиге нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30...50°С, выдержку при такой температуре до полного прогрева металла и последующее очень медленное охлаждение (вместе с охлаждаемой печью). При неполном отжиге нагрев стали производится до температур выше нижних критических точек на 30...50°С, а при низкотемпературном отжиге - до температур, лежащих ниже нижних критических точек. При неполном и низкотемпературном отжигах происходит только частичная перекристаллизация. Структура стали после отжига образуется в полном соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов.
Отжиг стали производится в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании.
Разновидностями отжига сталей являются нормализационный иизотермический отжиги.
Нормализационный отжиг (нормализация} - вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве до температуры на 30...50°С выше верхних, критических точек, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе. В результате нормализации стали с содержанием углерода менее 0,3% приобретают ферритно-перлитную структуру, а стали с содержанием углерода 0,3...0,7% - сорбитную.
Нормализация применяется в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однородную структуру с более высокой твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига. При нормализации в заэвтектоидных сталях устраняется цементитная сетка, поэтому ею часто заменяют полный или неполный отжиг при подготовке углеродистых сталей к механической обработке. Нормализация более производительный и экономичный процесс, чем отжиг.
Изотермический отжиг - вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве стали до температуры, на 30...50°С превышающей верхнюю критическую точку, выдержке при этой температуре, а затем переносе детали в другую печь с заданной температурой (ниже верхней критической точки) и изотермическую выдержку ее до полного распада аустенита. Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием и применяется для деталей и заготовок небольших размеров.