Металловедение и сварка

 

I Термическая обработка, её суть и назначение. Факторы, которые влияют на результаты термической обработки. Классификация видов термической обработки.

Отжиг I рода - это термообработка, которая устраняет  частично (или полностью) всякого  рода неоднородности и неравновесности, которые были внесены в металл при предшествующих операциях ( мех. обработка , обработка давлением , литье , сварка ).

В зависимости  от исходного состояния стали  отжиг может включать процессы гомогенизации , рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Эти процессы происходят независимо от того , протекают ли в сплавах при такой обработке фазовые превращения или нет . Поэтому отжиг I рода можно проводить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений . 

2.Гомогенизационный отжиг.

Основной  целью гомогенизационного отжига являются - устранение последствий дендритной или внутрикристаллитной ликвации , которая может привести к :

1.Снижению  пластичности , за счет выделения  неравновесных хрупких фаз.

2.Уменьшению  коррозионной стойкости и развитии электрохимической коррозии

внутри сплава.

3.Анизотропии  мех. свойств.

4.Снижению  температуры солидуса.

5.Уменьшению  температуры плавления , из-за  которого происходит оплавление  дендритов при дальнейшей обработке.

6.Отсутствию  стабильности свойств.

Физико-химической основой гомогенизационного отжига является диффузия в твердом состоянии , по этому отжиг желательно проводить  при более высоких температурах , чтобы диффузионные процессы , необходимые  для выравнивания состава стали , проходили более полно.

Температура нагрева под отжиг колеблется в пределах (0.85-0.90)Tпл .

Выдержка  будет определяться природой ликвирующих  элементов. Так как гомогенизация  интенсивно протекает в начальный  период отжига ( по мере выравнивания состава  сплава градиент концентрации dC/dX уменьшается ) , то большие времена выдержки не применяются. Однако для некоторых металлов это время составляет десятки или сотни часов.

Для уменьшения времени отжига нужно 

1. Увеличить  температуру

2. Изменить dC/dX , а для этого нужно изменить условия кристаллизации.

3. Загрузить  в печь уже нагретые слитки.

Гомогенизирующий  отжиг может вызвать ряд негативных побочных явлений:

1. Рост зерна  аустенита,следовательно ухудшение  мех. свойств .

2. Вторичная  пористость и неоднородность  . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Коагуляция  избыточных фаз.

Поэтому гомогенизирующий отжиг является предварительной  обработкой , после которой поводят  полный отжиг, или обработку давлением , или отпуск при 670-680 градусах ,или нормализацию.

Для устранения неоднородностей , вызванных холодной пластической деформацией применяют дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиг

При холодной деформации происходит:

1.Изменение  формы и размеров кристаллов

2.Накопление  в металле большого количества  избыточной энергии ,что в конечном итоге приводит к росту напряжений 1 и 2 родов.

Из-за этого : уменьшаются пластические характеристики, появляется анизотропия механических свойств, увеличивается электросопротивление и уменьшается коррозионная стойкость.

Все это можно  попытаться устранить отжигом.

Дорекристаллизационный  отжиг бывает смягчающим и упрочняющим.

Смягчающий  отжиг используют для повышения  пластичности при частичном сохранении деформационного упрочнения. Чаще всего  его применяют в качестве окончательной  операции , придающей изделию требуемое сочетание прочности и пластичности. Кроме того , можно уменьшить остаточные напряжения ,стабилизировать свойства и повысить стойкость к коррозии. Для выбора режима дорекристаллизационного смягчающего отжига необходимо знать температуру начала рекристаллизации, при данной степени деформации.

Дорекристаллизационный  упрочняющий отжиг применяют  для повышения упругих свойств  пружин и мембран. Оптимальную температуру подбирают опытным путем.

Рекристаллизационный  отжиг используют в промышленности как предварительную операцию перед холодной обработкой давлением, для придания материалу наибольшей пластичности; как промежуточный процесс между операциями холодногодеформирования, для снятия наклепа ; и как окончательную термообработку, для придания материалу необходимых свойств.

При выборе режима отжига нужно избегать получения  очень крупного зерна и разнозернистости. Скорость нагрева чаще всего не имеет значения. 

2.Отжиг, уменьшающий напряжения.

При обработке  давлением, литье, сварке, термообработке в изделиях могут возникать внутренние напряжения. В большинстве случаев, они полностью или частично сохраняются в металле после окончания технологического процесса. Поэтому основная цель отжига - полная или частичная релаксация остаточных напряжений.

Причинами возникновения остаточных напряжений являются неодинаковая пластическая деформация или разное изменение удельного объема в различных точках тела, из-за наличия градиента температур по сечению тела.

Напряжения  при отжиге уменьшаются двумя путями: вследствии пластической деформации в условиях когда эти напряжения превысят предел текучести и в результате ползучести при напряжениях меньше предела текучести.

Продолжительность отжига устанавливают опытным путем. Определенной температуре отжига в каждом конкретном изделии соответствует свой конечный уровень остаточных напряжений, по достижении которого увеличивать продолжительность отжига практически бесполезно.

Температуру подбирают обычно несколько ниже критической точки Ас1 .

Скорости  нагрева и особенно охлаждения при отжиге должны быть небольшими, чтобы не возникли новые внутренние термические напряжения.

Использование отжига лимитируется теми нежелательными структурными и фазовыми изменениями , которые могут произойти при  нагреве. Поэтому приходится либо мириться с недостаточно полным снятием остаточных напряжений при низких температурах ,либо идти на компромис, достигая более полного снятия напряжений при некотором ухудшении механических и других свойств. 

3.Факторы,влияющие на перлитно-аустенитное превращение.

превращению и растворению в образовавшемся аустените цементита. Из этого вытекают факторы ,влияющие на перлитно-аустенитное превращение.

При повышении  температуры превращение перлита  в аустенит резко ускоряется. Это  объясняется , с одной стороны ,ускорением диффузионных процессов, а с другой - увеличением градиента концентрации в аустените.

Скорость  превращения будет зависеть и  от исходного состояния ферритно-цементитной  структуры. Чем тоньше структура ,тем  больше возникает зародышей аустенита  и быстрее протекает процесс аустенизации. Предварительная сфероидизация цементита замедляет прцесс образования аустенита.

Чем больше в  стали углерода , тем быстрее протекает  аустенизация, что объясняется увеличением количества цементита, и ростом суммарной поверхности раздела феррита и цементита.

Введение  в сталь хрома, молибдена, вольфрама ,ванадия и других карбидообразующих элементов задерживает аустенизацию из-за образования легированного цементита или трудно растворимых в аустените карбидов легирующих элементов.

Чем больше скорость нагрева ,тем выше температура ,при  которой происходит превращение  перлита в аустенит , а продолжительность  превращения меньше. 

4.Влияние величины зерна аустенита на свойства стали.

Чем мельче зерно ,тем выше прочность ( (в ,(0.2) ,пластичность(( , ( ) и вязкость и ниже порог хладноломкости( t ). Уменьшая размер зерна аустенита, можно компенсировать отрицательное влияние других механизмов на порог хладноломкости. Чем мельче зерно , тем выше предел выносливости. Поэтому все методы , вызывающие измельчение зерна аустенита повышают конструктивную прочность стали. Крупное зерно нужно только в трансформаторных сталях , чтобы улучшить их магнитные свойства. При укрупнении зерна до 10-15 мкм трещиностойкость уменьшается , а при дальнейшем росте зерна - возрастает. Это может быть связано с очищением границ зерна аустенита от вредных примесей благодаря большему их расворению в объеме зерна при высокотемпературном нагреве. 

5.Изотермический распад переохлажденного аустенита .

Если сталь  со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше Ас3 -для доэвтектоидной стали или выше Асm - для заэвтектоидной, переохладить до температуры ниже Аr1 , то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение .

Рассмотрим кинетику этого процесса ( см. рис. 1)

Вначале объем  новой составляющей , испытавший превращение , растет с ускорением, а к концу  превращения прибыль этого объема резко замедляется .Это объясняется  тем , что в начальный период образуется лишь небольшое количество центров превращения с малой поверхностью новой структурной составляющей ; по мере изотермической выдержки число центров возрастает , увеличиваются размеры новой составляющей , но вскоре наступает замедление процесса из-за того , что растущие кристаллы соприкасаются между собой и в местах стыка рост их прекращается , т.е. поверхность фронта превращения уменьшается .

Период о-а  называется инкубационным периодом. В инкубационный период количество образовавшихся новых кристаллов настолько  мало , что превращение не фиксируется обычными методами исследования . Конец инкубационного периода - точка а на рис. 1 - фиксируемое данным методом начало превращения .

По истечении  этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более  стабильных структур .Скорость распада сначала быстро увеличивается , а потом постепенно убывает . Через какое-то время процесс полностью заканчивается ( точка в ) на рис. 1 .

Строя такие  кривые при различных температурах можно получить диаграмму изотермического  превращения переохлажденного аустенита , см. рис. 2 .

Для этого  нужно отрезки времени , соответствующие  началу ( точки а ) и концу ( точки  в ) распада аустенита или какой - то степени превращения для каждой из исследуемых температур перенести  на график температура - время , и одноименные точки соединить плавными кривыми . На диаграмме кривая 1 соответствует началу превращения , а кривая 2 характеризует конец превращения . 

6.Построение термокинетической диаграммы .

Термокинетические диаграммы используются для разработки технологии термической обработки . По этим диаграммам можно получить данные о температурных интервалах протекания фазовых превращений при непрерывном охлаждении и об образующихся при этом структурных составляющих .

Существует  два способа построения таких диаграмм.

1 способ. При  непрерывном охлаждении образцов  фиксируем их температуру осциллографом  .Можно измерять какую-либо характеристику  образца в процессе его охлаждения ( например , его длину при дилатометрическом  методе ) и по отклонению этой  характеристики от плавного изменения определить начало превращения .

2 способ . Охлаждаем  серии образцов по одинаковому  режиму , которые в разные моменты  времени закаливаем в воде , а  затем исследуем их структуру  или свойства ,определяя по ним  начало и конец превращения или степень оного ,при одном режиме непрерывного охлаждения .

Если исследуем  фазовые превращения при распаде  переохлажденного аустенита , то термокинетическую  диаграмму строим в координатах  температура - время на основе анализа  серии кривых охлаждения , на которых отмечаем температуры начала и конца перлитного и промежуточного превращений и соответственно области этих превращений .

Из этих диаграмм можно увидеть , что при малых  скоростях охлаждения в углеродистых сталях протекает только перлитный  распад аустенита с образованием феррито-цементитной структуры с различной степенью дисперсности - перлит , сорбит , троостит .При высоких скоростях охлаждения - выше Vк - перлитный распад аустенита подавляется и аустенит претерпевает только мартенситное превращение .В легированных сталях существует и область промежуточного превращения , в которой аустенит претерпевает распад с образованием бейнита .