Отжиг сталей как вид термической обработки. Классификация видов отжига, особенности их реализации и назначение

Отжиг сталей как вид  термической обработки. Классификация  видов отжига, особенности их реализации и назначение.

Отжигом называется процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до определенной температуры (рис. 114) и последующем, как правило, медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры.

По классификации А. А. Бочвара различают 2 вида отжига:

Отжиг 1-го рода — без фазовой перекристаллизации — применяется для приведения металла в более равновесное структурное состояние: снимается наклёп, понижается твёрдость, возрастают пластичность и ударная вязкость, снимаются внутренние напряжения (в связи с процессами отдыха и рекристаллизации).

Отжиг 2-го рода осуществляется с фазовой перекристаллизацией: сталь нагревается до температуры выше критических точек, затем следует выдержка различной продолжительности и последующее сравнительно медленное охлаждение.

Разновидностями отжига первого  рода являются: диффузионный (гомогенезирующий отжиг), рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация), отжиг для снятия напряжения.

Гомогенизирующий (диффузионный) отжиг. Температура нагрева зависит от температуры плавления Тн = 0.7-0.8 Тпл.. Цель гомогенизирующего отжига — устранение химической, а иногда и фазовой неоднородности, вызванной внутрикристаллической ликвацией, и, как правило, отрицательно влияющей на свойства материала Длительность отжига и температура подбираются таким образом, чтобы диффузия успела пройти на расстояния, равные по порядку величины размеру областей неоднородности продолжительность отжига может достигать нескольких десятков часов. В процессе отжига металла на гомогенизацию происходит постепенное растворение неравновесных 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.

Рекристаллизационный отжиг.— нагрев до температуры на 100-200 °C выше температуры рекристаллизации ,выдержка и последующее охлаждение. Вследствие процесса рекристаллизации происходит снятие наклепа, и свойства металла соответствуют равновесному состоянию.Применяется, в основном, для металлов и сплавов, подвергшихся деформационным воздействиям. Холодная пластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, возникает наклеп или нагартовка. Для снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т. е. металл нагревают до температур выше начала кристаллизации, выдерживают и затем медленно охлаждают. Состояние наклепанного материала является термодинамически неустойчивым при всех температурах. Если необходимо получить металл или сплав, сочетающий определенный уровень прочности с необходимым запасом пластичности, то вместо рекристаллизационного отжига используют отжиг на полигонизацию. Отжиг на полигонизацию проводят при температуре ниже температуры начала рекристаллизации. Соответственно при такой температуре происходит лишь частичное устранение наклепа за счет процессов возврата, т. е. происходит уменьшение плотности дефектов кристаллической решетки, образование ячеистой дислокационной структуры без изменения формы зерен.

Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения могут возникать в результате различных видов обработки. Например, в металлах и в сплавах это могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, возникшими в результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т. е. возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений производится с помощью специальных видов отжига. Этот отжиг проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации и составляющей 0,2-0,3)Тпл. Повышенная температура облегчает скольжение дислокаций и, под действием внутренних напряжений, происходит их перераспределение, т. е. из мест с повышенным уровнем внутренних напряжений дислокации перемещаются в области с пониженным уровнем. Происходит как бы разрядка внутренних напряжений. Увеличение температуры резко увеличивает скоростьпроцесса, и продолжительность такого отжига составляет несколько часов.

Наличие внутренних макронапряжений  характерно для большинства выращенных монокристаллов. Величина и уровень  напряжений зависят от способа выращивания  и технологических параметров процесса. Например, в большинстве практических случаев выращивание объемных кристаллов из расплава сопровождается возникновением внутренних макронапряжений, которые не только определяют формирование дислокационной структуры в процессе роста, но и в значительной мере влияют на механические и физические свойства выращенных кристаллов. Наличие напряжений в объемных кристаллах приводит к их механическому разрушению (образованию трещин, сколов) при изготовлении приборов (на стадии резки слитков, шлифовке пластин). Отжиг в течение нескольких часов с последующим медленным охлаждением позволяет значительно снизить уровень напряжений в кристалле. Так как термообработка полупроводников сопровождается изменением состава и состояния точечных дефектов кристаллов, изменение которых в свою очередь приводит к изменению физических параметров материала, то режимы отжига подбираются индивидуально

Изотермический  отжиг.Для легированных сталей применяют изотермический отжиг, состоящий в нагреве выше верхней критической точки А3 область избыточного аустенита, выдержке, охлаждении до температуры ниже нижней критической точки А1, выдержке, достаточной для полного превращения аустенита в перлит, и охлаждении до комнатной температуры.

 

Основные физические методы исследования материалов и их основная характеристика. Применение при решении материаловедческих задач.

     Для изучения  металлов и сплавов нередко  используют физические методы  исследования (тепловые, объемные, электрические,  магнитные). В основу этих исследований  положены взаимосвязи между изменениями  физических свойств и процессами, происходящими в металлах и  сплавах при их обработке или  в результате тех или иных  воздействий ( термических, механических и других). Наиболее часто применяют дифференциальный термический анализ (построение кривых охлаждения в координатах температура-время) и дилатометрический метод, основанный на изменении объема при фазовых превращениях. Для ферромагнитных материалов применяется магнитный анализ.

Термический анализ представляет собой  метод физико-химического анализа, основанный на регистрации тепловых эффектов превращений, протекающих  в исследуемом образце в условиях программируемого изменения температуры.

Качественный термический анализ является одним из наиболее распространенных методов, используемых, например, при  построении диаграмм фазовых равновесий.

Количественный термический анализ широко используется для определения  теплофизических характеристик  веществ (энтальпии, энтропии, теплоемкости и т.д.).

Наибольшее распространение получил  метод дифференциального термического анализа (ДТА), заключающийся в одновременной  регистрации температуры исследуемого образца и разности температур исследуемого вещества и эталона, находящихся  в одинаковых тепловых условиях.

Наряду с ДТА, широко развит метод исследования вещества и процессов, происходящих при изменении  массы, который носит название термовесового  или термогравиметрического анализа (ТГА). Метод заключается в регистрации изменения массы образца при изменении условий, в которой находится навеска исследуемого вещества.

Некоторые характерные задачи, решаемые при использовании метода ДТА

-определение температур фазовых  переходов 1-го рода (плавления,  кристаллизации, кипения и проч.);

-определение теплофизических характеристик  веществ (энтальпии, энтропии, теплоемкости  и т.д.);

-изучение тепловых эффектов  химического взаимодействия конденсированных  веществ или конденсированных  веществ и газовой фазы (окисление,  восстановление и проч.).

Дилатометрический метод  – это метод, при помощи которого определяются критические точки  металлов и сплавов, изучаются процессы распада твердых растворов, а  также устанавливаются температурные  интервалы существования упрочняющих  фаз. Достоинство этих приборов –  высокая чувствительность и независимость  показаний от скорости изменения  температуры.

Высокую чувствительность электрических методов измерения  широко используют при исследовании фазовых превращений, дефектов тонкой структуры и других явлений, происходящих в металлах и сплавах, которые  невозможно изучать другими методами исследования. Электрическое сопротивление  измеряют с помощью различных  мостовых схем, а также компенсационными методами. Различные способы магнитного анализа используют при исследовании процессов, связанных с переходом  из парамагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов. Магнитный анализ широко применяют при решении задач практического металловедения, например, таких, как исследование влияния на структуру режимов термической обработки, деформации, легирования. Возможно использование магнитного анализа и для решения некоторых более сложных задач физического металловедения.

Металлические и  неметаллические антифрикционные  материалы. Особенности структуры  и свойств.

Подшипниковые сплавы –  это сплавы, из которых изготовляют  вкладыши подшипников. По условиям работы такой сплав должен иметь мягкую основу с твердыми включениями в  ней. Количество твердых частиц должно быть небольшим и они должны равномерно распределяться по объему кристалла  с целью уменьшения трения и равномерного распределения нагрузки на подшипник. Сплав, из которого сделан вкладыш, должен обладать следующими свойствами:

1) Коэффициент трения  со стальной поверхностью должен  быть небольшим;

2) Обе трущиеся поверхности  должны мало изнашиваться;

3) Этот материал должен  выдерживать достаточные удельные  давления;

4) Подшипниковые сплавы  должны обладать не слишком  низкой температурой плавления;

В промышленности нашли широкое  распространение подшипниковые  сплавы на основе олова и свинца (баббиты).

Исходя из химического  состава (таблица 12.1) все подшипниковые  сплавы можно разделить на три  группы:

1) Сплавы на оловянной  основе (Б89, Б83);

2) Сплавы на свинцовой  основе (БС, БК);

3) Сплавы на оловянно-свинцовой  основе (Б16, БН, БТ, Б6).

 

Таблица 12.1 – Подшипниковые  сплавы на основе олова и свинца

Группа	Марка сплава	Химический     состав,   %
		Sb	Cu	Ca	Na	Fe	Sn	Pb
Оловянистые баббиты	Б83	11	6	-	-	-	ост.	-
Баббиты	Б89	7,7	3	-	-		ост.	-
Свинцово-оловянистые баббиты	Б16 БТ БТ	16 15 5	2 0,9	-	-	0,15	16 10	ост. ост.
Свинцовистые баббиты	БК	-	-	1	0,75	-	-	ост.

Сплавы на основе олова

Структуру подшипниковых  сплавов Б89 и Б83 можно описать, руководствуясь двойной диаграммой состояния Sn-Sb. До 3,5 % сурьмы растворяется в олове, образуя a -твердый раствор. С увеличением содержания сурьмы в структуре сплава появляются кристаллы b -твердого раствора на основе химического соединения  SnSb. Микроструктура сплава Б89 состоит из   a -твердого раствора сурьмы и меди в олове (темные участки) и твердых кристаллов  b - фазы (светлые квадраты). Фаза  b   при затвердевании выпадает в двойном сплаве  Sn-Sb в первую очередь. В β -фазе сурьмы значительно больше, чем в жидкой фазе, из которой она выпадает. Олово отличается гораздо большей плотностью, чем сурьма, и поэтому  b  - фаза всплывает, образуется ликвация по удельному весу. Чтобы предотвратить ее, вводят медь, которая вместе  с оловом образует e -фазу (Cu₃Sn).  Эта фаза распределяется равномерно по всему объему и имеет вид медных кристаллов в виде звездочек. После   e-фазы выпадают кристаллы β -фазы, но всплывать они не могут, так как в тройном сплаве  Sn-Sb-Cu этому препятствуют мелкие кристаллики   e-фазы. Кристаллы β-фазы застревают на них и могут расти.

Сплав Б83 имеет структуру, аналогичную сплаву Б89, но отличается от него большим содержанием кристаллов β (SnSb) фазы и химического соединения Cu₃Sn. В этих сплавах сложнолегированный  a -твердый раствор является мягкой основой, включения β (SnSb) – фазы и химическое соединение  Cu₃Sn – твердые составляющие. Оловянистые баббиты являются лучшими подшипниковыми сплавами и применяются для заливки наиболее ответственных подшипников паровых турбин, турбокомпрессоров, турбонасосов, компрессоров, дизелей, паровых машин и других высоконагруженных установок.

Сплавы на основе свинца

Сплавы на основе свинца являются заменителями оловянистых баббитов. Наиболее широкое применение в промышленности получали сплавы свинца с сурьмой и небольшими добавками меди (БС) и свинца с кальцием и натрием (БК). Сплав БК принадлежит к тройной системе   Pb-Cu-Na, структура сплава показана на рисунке 12.1. Мягкой основой сплава в этом случае является твердый раствор натрия и кальция в свинце, твердой составляющей  - кристаллы Pb₃Ca. Вводимые добавки натрия и кальция, образующие со свинцом твердые растворы, повышают его твердость. Сплавы БК менее хрупки и более износостойки, чем сплавы БС. Они хорошо сопротивляются воздействию ударных нагрузок и поэтому с успехом работают в подшипниках подвижного состава железных дорог.

Рисунок 12.1 – Микроструктура баббита БК;  х100

Рисунок 12.2 – Микроструктура баббита Б16; х100