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

Горизонтальная линия М_н показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита (рис. 12.5 б).

При малых степенях переохлаждения, в области температур 727…550^o С, сущность превращения заключается в том, что в результате превращения аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. Аустенит содержит 0,8 % углерода, а образующиеся фазы: феррит –0,02 %, цементит – 6,67 % углерода.

Время устойчивости аустенита  и скорость его превращения зависят  от степени переохлаждения.

Максимальная скорость превращения  соответствует переохлаждению ниже температуры  на 150…200^o С, то есть соответствует минимальной устойчивости аустенита.

Критическая скорость закалки  легированных сталей тем меньше, чем  больше в них содержится легирующих элементов, чем выше, как говорят, степень их легированности. Следовательно, чем выше степень легированности, тем более глубокой прокаливаемо-стью обладают эти стали.

Критические температуры у одних  легированных сталей выше, у других - ниже, чем у углеродистой стали. Все легирующие элементы можно разбить  на две группы: элементы, повышающие критические точки Ас1 и Ас3, а, следовательно, и температуры нагрева при термической обработке (отжиге, нормализации и закалке), и элементы, понижающие критические точки. К первой группе относят Си, V, W, Si, Ti и другие элементы. В связи с этим отжиг, нормализацию и закалку сталей, содержащих перечисленные элементы, производят при более высоких температурах, чем отжиг, нормализация и закалка углеродистых сталей. Ко второй группе относят Mn, Ni и другие элементы.

Для легированных сталей требуется  несколько большее время выдержки, так как они обладают худшей теплопроводностью. Длительная выдержка необходима также  для получения лучших механических свойств, поскольку она обеспечивает полное растворение легированных карбидов в аустените.

Скорость охлаждения при термической  обработке устанавливают в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и значением критической  скорости закалки. Практически многие легированные стали закаливаются на мартенсит в масле, т. е. при меньшей  скорости охлаждения, чем углеродистая сталь. У высоколегированных сталей, если они к тому же содержат большое  количество углерода, способность к  самозакаливанию выражена очень  сильно, у низколегированных и  малоуглеродистых сталей - слабее. Это  объясняется большой стойкостью аустенитных зерен к превращению их при температуре Ас1 в зерна перлита.

Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем углеродистая. Чем выше степень легированности сталей, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают. Из легированных инструментальных сталей особый интерес представляют быстрорежущие стали, широко используемые для изготовления режущего инструмента.

Вольфрам, в быстрорежущей стали  – основной легирующий элемент. Благодаря  его высокому содержанию закаленная сталь не теряет режущей способности  при высоких температурах. Вольфрам придает, быстрорежущей стали красностойкость.

Ванадий является сильным карбидообразующим  элементом и создает прочные  карбиды, которые затрудняют рост зерна  при нагреве под закалку и  уменьшают склонность стали к  перегреву. Под влиянием ванадия  увеличивается красностойкость  быстрорежущей стали и повышается эффект вторичной твердости при  отпуске, заключающийся в том, что  если отпуск такой стали повторить  несколько раз, то можно обеспечить полное или почти полное превращение  остаточного аустенита в мартенсит. Это несколько увеличивает твердость  по сравнению с закаленным состоянием.

Углерод в быстрорежущей стали  очень важен как элемент, придающий  стали способность закаливаться на высокую твердость. Хром в количестве около 4% настолько сильно понижает критическую скорость закалки, что  сталь становится «самозакаливающейся», т. е. закаливается на воздухе. При содержании хрома выше нормы резко увеличивается  количество остаточного аустенита  в структуре закаленной стали, что  приводит к снижению стойкости инструмента. В быстрорежущей стали содержатся марганец и кремний (не более 0,4% каждого), сера и фосфор (не свыше 0,06% в сумме).

Изделия из быстрорежущей стали  до температуры закалки необходимо нагревать ступенчато: вначале медленно до 800-850°С, а затем более быстро до установленной температуры закалки (1230-1300°С). Такой способ нагрева позволяет избежать тепловых напряжений за счет уменьшения разности между температурами поверхности изделия и сердцевины металла. В качестве охлаждающей среды используют минеральное масло. Структура закаленной быстрорежущей стали представляет собой сочетание мартенсита, остаточного аустенита и сложных карбидов.

После закалки изделия  из быстрорежущей стали обязательно  подвергают отпуску. Отпуск таких сталей имеет свои особенности. Как правило, изделия подвергают многократному  отпуску (два-три раза) при температуре 560°С для стали Р9 и 580°С Для стали Р18 с выдержкой 1 ч. Если после закалки применяют обработку холодом при температуре -80°С, то выполняют только один отпуск. Объясняется это тем, что при указанной отрицательной температуре в быстрорежущих сталях заканчивается бездиффузионное мартенситное превращение – основная часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Таким образом, после термической обработки структура быстрорежущей стали представляет собой отпущенный мартенсит и карбиды.

Превращение переохлажденного аустенита

 

 Рис. 21 - Диаграммы изотермического  распада аустенита в углеродистых  сталях:

 

 а - доэвтектоидная сталь (0,45% С); б - эвтектоидная сталь (0,8% С); в - заэвтектоидная сталь (1,2 % С)

 

Виды и классификация  механических испытаний. Их роль в оценке эксплуатационных свойств. Масштабная зависимость прочности.

Методы и виды механических испытаний

Методы механических испытаний  металлов регламентированы государственными стандартами или ведомственными инструкциями. Это необходимо для  того, чтобы результаты испытаний  можно было сопоставить, т.е. сравнить между собой продукцию, которую  испытывали разные организации. Испытателей  может быть много, а методы у них  должны быть одинаковые.

На металл может быть оказана  статическая или динамическая нагрузка. При статической нагрузке на металл напряжение увеличивается постепенно, а при динамической ударно.

Напряжения могут быть растягивающими, сжимающими и сдвиговыми. Скручивание  металла – это лишь вид сдвиговых  напряжений, сгибание / разгибание металла  – это сочетание растягивающих  и сжимающих напряжений.

Испытания на растяжение.

Испытание на изгиб.

Испытания на удар или ударную вязкость.

Это основные виды механических испытаний. Существуют также следующие разновидности:

Испытания на усталость - обычно определяется усталость металла при изгибе.

Испытания на глубокую вытяжку - в  лист металла вдавливается шаровой  пуансон (металлический брусок с  шариком на конце).

Испытания на ползучесть - длительная нагрузка в сочетании с повышенной температурой.

Ещё для контроля качества часто  применяют испытания на твёрдость  металла. Твёрдость можно измерить либо вдавливанием (методы Роквелла и Бринелля) или динамическим способом на склероскопе Шора - по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты.

В некоторых случаях  в дополнение к стандартным видам  механических испытаний может применяться  специальное  оборудование, воспроизводящее  те или иные специфические условия  эксплуатации изделия.

Испытания на ударную вязкость. Один из самых важных видов динамических испытаний - испытания на ударную  вязкость, которые проводятся на маятниковых  копрах с образцами, имеющими надрез, или без надреза. По весу маятника, его начальной высоте и высоте подъема после разрушения образца  вычисляют соответствующую работу удара (методы Шарпи и Изода).

Испытания на усталость. Такие испытания  имеют целью исследование поведения  металла при циклическом приложении нагрузок и определение предела  выносливости материала, т.е. напряжения, ниже которого материал не разрушается  после заданного числа циклов нагружения. Чаще всего применяется  машина для испытания на усталость  при изгибе. При этом наружные волокна  цилиндрического образца подвергаются действию циклически меняющихся напряжений - то растягивающих, то сжимающих.

Испытания на глубокую вытяжку. Образец  листового металла зажимается между  двумя кольцами, и в него вдавливается шаровой пуансон. Глубина вдавливания  и время до разрушения являются показателями пластичности материала.

Испытания на ползучесть. В таких  испытаниях оценивается совместное влияние длительного приложения нагрузки и повышенной температуры  на пластическое поведение материалов при напряжениях, не превышающих  предела текучести, определяемого  в испытаниях малой длительности. Надежные результаты могут быть получены лишь на оборудовании, обеспечивающем точный контроль за температурой образца и точное измерение очень малых изменений размеров. Длительность испытаний на ползучесть обычно составляет несколько тысяч часов.

Определение твердости. Твердость  чаще всего измеряют методами Роквелла и Бринелля, при которых мерой твердости служит глубина вдавливания "индентора" (наконечника) определенной формы под действием известной нагрузки. На склероскопе Шора твердость определяется по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты на поверхность образца. Твердость - очень хороший показатель физического состояния металла. По твердости данного металла зачастую можно с уверенностью судить о его внутренней структуре. Испытания на твердость часто берут на вооружение отделы технического контроля на производствах. В тех случаях, когда одной из операций является термообработка, нередко предусматривается сплошной контроль на твердость всей продукции, выходящей с автоматической линии. Такой контроль качества невозможно осуществить другими описанными выше методами механических испытаний.

Испытания на излом. В таких испытаниях образец с шейкой разрушают резким ударом, а затем излом исследуют  под микроскопом, выявляя поры, включения, волосовины, флокены и сегрегацию. Подобные испытания позволяют приблизительно оценить размер зерна, толщину закаленного слоя, глубину цементации или разуглероживания и другие элементы гросс-структуры в сталях.

Оптические и физические методы. Микроскопическое исследование. Металлургический и (в меньшей степени) поляризационный микроскопы часто  позволяют надежно судить о качестве материала и его пригодности  для рассматриваемого вида применения. При этом удается определить структурные  характеристики, в частности размеры  и форму зерен, фазовые соотношения, наличие и распределение диспергированных инородных материалов.

 

Сущность и  особенности реализации способов обработки  металлов давлением. Понятие технологической  пластичности. Критерии выбора типа деформации (холодная, теплая, горячая).

Обработка металлов давлением  — технологический процесс получения  заготовок или деталей в результате силового воздействия инструмента  на обрабатываемый материал.

Виды обработки металлов давлением

Процессы обработки металлов давлением  по назначению подразделяют на два  вида:

для получения заготовок постоянного  поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых  в строительных конструкциях или  в качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей —  только обработкой резанием или с  использованием предварительного пластического  формоизменения, основными разновидностями  таких процессов являются прокатка, прессование и волочение;

для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имеющих приближённо  формы и размеры готовых деталей  и требующих обработки резанием лишь для придания им окончательных  размеров и получения поверхности  заданного качества; основными разновидностями  таких процессов являются ковка  и штамповка.

Прокатка

Прокатка - процесс пластического  деформирования тел между вращающимися приводными валками.

Прессование

Прессование заключается в продавливании  заготовки, находящейся в замкнутой  форме, через отверстие матрицы, причём форма и размеры поперечного  сечения выдавленной части заготовки  соответствуют форме и размерам отверстия матрицы.

Волочение

Волочение заключается в протягивании заготовки через сужающуюся полость  матрицы; площадь поперечного сечения  заготовки уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия  матрицы.

Ковка

Ковкой) изменяют форму и размеры  заготовки путём последовательного  воздействия универсальным инструментом (бойками) на отдельные участки нагретой заготовки.

Штамповка

Штамповочный пресс

Штамповкой изменяют форму и  размеры заготовки с помощью  специализированного инструмента  — штампа (для каждой детали изготовляют  свой штамп), который состоит из матрицы, пуансона и дополнительных частей. Различают объёмную и листовую штамповку. При объёмной штамповке в качестве заготовки используют сортовой металл, разрезаемый на заготовки. На заготовку в процессе объемной штамповки воздействуют специализированным инструментом — пуансоном, при этом металл заполняет полость матрицы, приобретая её форму и размеры.

Листовая штамповка

Листовой штамповкой получают плоские  и пространственные полые детали из заготовок, у которых толщина  значительно меньше размеров в плане (лист, лента, полоса). Обычно заготовка  деформируется с помощью пуансона и матрицы.