Материаловедение: конспект лекций

Алексеев Виктор Константинович

этих температурах до полного распада аустенита. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от +727 до +250 °C (температуры начала мартенситного превращения – Мн). На диаграмме – две С—образные кривые. Кривая I указывает время начала превращения, кривая II – время конца превращения переохлажденного аустенита. Период до начала распада аустенита называют инкубационным. При +700 °C превращение аусте—нита начинается в точке а и заканчивается в точке b, в результате этого процесса образуется перлит. При температуре +650 °C распад аустенита происходит между точками а₁ и b₁ . В этом случае образуется сорбит – тонкая (дисперсная) механическая смесь феррита и цементита. Сталь, в которой

доминирует структура сорбита, имеет твердость 30–40 HRC. Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью. Устойчивость аустенита в значительной мере зависит от степени переохлаждения. Наименьшую устойчивость аустенит имеет при температурах, близких к +550 °C. Для эвтектоид—ной стали время устойчивости аустенита при температурах от + 550 до +560 °C – около 1 с. По мере удаления от температуры +550 °C устойчивость аустенита возрастает. Время устойчивости при +700 °C составляет 10 с, а при +300 °C – около 1 мин. При охлаждении стали до +550 °C (точки начала и конца распада – a₂ и b₂ соответственно – на диаграмме) аусте—нит превращается в троостит – смесь феррита и цементита, которая отличается от перлита и сорбита высокой степенью дисперсности составляющих и обладает повышенной твердостью (40–50 HRC), прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью. Ниже температуры +550 °C в результате промежуточного превращения аустенита (в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенси—тного превращения) образуется структура бейнита, состоящая из смеси насыщенного углеродом феррита и карбидов (цементита). При медленном охлаждении аустенит превращается в перлит, а при большой скорости охлаждения переохлажденный аустенит полностью переходит в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения образуется новая структура – троостит. При наибольших скоростях охлаждения образуется только мартенсит, т. е. пересыщенный твердый раствор углерода в? – железе. Скорость охлаждения, при которой из аусте—нита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Аустенит, который сохраняется в структуре стали при комнатной температуре наряду с мартенситом, называют остаточным. Закаленные высоколегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низкоуглеродистые его почти не имеют.

4. Виды и разновидности термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, нормализация

Термическую обработку металлов и сплавов, а также изделий из них применяют для того, чтобы вызвать необратимое изменение свойств вследствие необратимого изменения структуры.

Термическая обработка подразделяется на следующие виды: собственно термическая, химико—термическая и деформационно—термическая. Собственно термическая обработка не предусматривает какого—либо иного воздействия, кроме температурного. 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. В свою очередь деформационно—термическая обработка подразделяется на термомеханическую (ТМО), меха—нотермическую (МТО) и др.

Разные виды деформационно—термической обработки разделяются в зависимости от характера фазовых превращений и способа деформации.

Собственно термическая обработка подразделяется на: отжиг первого и второго рода, закалку с полиморфным превращением и закалку без полиморфного превращения, отпуск и нормализацию.

Отжиг вообще – это процесс термической обработки, при котором металл сначала нагревают до определенной температуры, выдерживают заданное время при этой температуре, а затем медленно охлаждают, чаще всего вместе с печью. Отжиг первого 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 второго 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. 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. Отпуском называется процесс термической обработки, при котором закаленная сталь нагревается ниже критической точки Ас₁, выдерживается определенное время, а затем охлаждается.

Нормализация – один из видов термической обработки При нормализации сталь нагревают до температур, на 30–50 °C превышающих верхние критические температуры, затем выдерживают необходимое время, а потом охлаждают на спокойном воздухе для получения тонкопластинчатой перлитной структуры. От отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением.

5. Поверхностная закалка

Поверхностной называется такая закалка, при которой высокую твердость приобретает лишь часть поверхностного слоя стали или сплава. Она отличается от других способов закалки методом нагрева.

При такой обработке до температуры закалки нагревают только поверхностный слой изделия. Причем при быстром охлаждении лишь этот слой подвергается закалке. Остальная часть не закаливается и сохраняет структуру и свойства, которые были до закалки. В настоящее время наибольшее распространение получила поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты. Этот метод термической обработки создает предпосылки для комплексной механизации и автоматизации процесса закалки.

Индукционный нагрев металла достигается путем индуцирования вихревых токов, которые сосредоточиваются в поверхностном слое изделия и нагревают его на определенную глубину. Продолжительность нагрева токами высокой частоты весьма мала – она исчисляется секундами. При закалке небольших изделий производят нагрев и охлаждение всей их поверхности. Закалку изделий значительной длины проводят непрерывно—последовательным нагревом. Для охлаждения применятся вода.

Для поверхностной закалки крупных изделий в единичном и мелкосерийном производстве, а также при ремонтных работах применяют нагрев пламенем, чаще всего ацетиленокисло—родным, температура которого равна +3150 °C. При этом методе закалки толщина закаленного слоя составляет 2–5 мм, твердость его такая же, как при обычной закалке.

В крупносерийном и массовом производстве при установившемся технологическом процессе, когда длительное время изготавливаются одни и те же изделия из стали определенных марок например ведущие колеса гусеничных тракторов, используется поверхностная закалка в электролите – 14–16 %-ном водном растворе кальцинированной соды. Закаливаемое изделие присоединяют к отрицательному полюсу генератора постоянного тока и опускают в ванну с электролитом.

Погруженное на заданную глубину изделие нагревается за несколько секунд, после чего ток выключают. Как правило, тот же электролит является и охлаждающей средой.

При нагреве в электролите происходят электролитические и электроэрозионные процессы, которые очищают нагреваемую поверхность изделий от окисных пленок, ухудшающих теплопередачу. Скорость нагрева в электролите – до + 150 °C/с.

Существует еще метод импульсной поверхностной закалки. При нем применяют высокочастотные генераторы, работающие в импульсном режиме, конденсаторы, аппаратуру для точечной сварки или лазерные установки. Такая закалка позволяет исключить деформации, трещины, повысить коррозионную стойкость деталей, заменить в некоторых случаях легированную сталь на углеродистую.

Кроме вышеперечисленных способов поверхностной закалки, применяется поверхностная закалка в псевдоожижен—ной среде. Псевдоожиженная среда («кипящий» слой) представляет собой твердые частицы кварцевого песка или другого сыпучего материала, интенсивно перемешиваемого воздушным или газовым потоком. Эту же среду используют и для охлаждения.

6. Химико—термическая обработка: цементация, нитроцементация

Для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя деталей осуществляется их тепловая обработка в химически активной среде, называемая химико—термической обработкой. При ней происходят следующие процессы: распад молекул и образование атомов диффундирующего элемента (диссоциация), поглощение атомов поверхностью (адсорбция) и проникновение атомов вглубь металла (диффузия).

Цементация – диффузионное насыщение

поверхностного слоя детали углеродом. После цементации выполняется термическая обработка – закалка и низкий отпуск. Такие детали должны иметь твердую закаленную поверхность, хорошо сопротивляющуюся истиранию, и вязкую сердцевину, способную выдерживать динамические нагрузки Цементации подлежат детали из стали, содержащей до 0,3 % углерода. Поверхность деталей насыщается углеродом в пределах от 0,8 до 1 % цементации, осуществляется в твердых, жидких и газообразных средах. В качестве карбюризатора в частности служит смесь древесного угля (60–90 %) и углекислых солей бария (BaCO₃) и натрия (NaCO₃).