Geum.ru

Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


5.Термическая обработка металлов
Подобный материал:
1   ...   20   21   22   23   24   25   26   27   ...   48

5.ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ



Реальная прочность конструкции всегда ниже той, которую можно было бы от нее ожидать.

Гриффитс А.



  • …Химик, пользуясь Периодической таблицей элементов Менделеева, может многое сказать о свойствах того или иного металла, зная только его место в ней элементов. Металлург, имея в руках диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов, не меньше может сказать о свойствах той или иной стали, хотя он никогда и, не имел с такой сталью дела.
  • Древний рецепт закалки кинжала: “Нагревать до тех пор, пока кинжал не засветится, как восходящее в пустыне солнце, затем охладить его до цвета царского пурпура, погружая в тело мускулистого раба. Сила раба, переходя в кинжал, и придает металлу твердость”.



5.1.ПРИЧИНЫ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ СПЛАВОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ



Как известно, изменение структуры сплава в большой степени определяется его химическим составом. Но, используя различные технологические приемы, при одинаковом составе сплава можно в широком диапазоне изменять структуру, а значит, и свойства. К таким технологическим приемам относится термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов.

Термическая обработка (ТО) наиболее широко применяется на практике, так как оказывает существенное влияние на изменение свойств материалов. С ее помощью изменяют твердость, прочность и пластичность; она влияет на формирование коррозионной стойкости, жаропрочности и многих других свойств. Различные виды ТО представляют собой довольно сложные технологические процессы.


Рис. 86. График термической обработки


Любая ТО состоит из нагрева и охлаждения с заданной скоростью, а ее характеристика может быть выражена с помощью диаграммы, на одной оси которой откладываются температуры нагрева, а на другой — время. Такие диаграммы (рис. 86) называются графиками ТО.

Изменение свойств в результате ТО зависит от изменений во внутреннем строении металла или сплава, от изменения его фазового состава, размера и взаимного расположения фаз.

Итак, ТО — совокупность технологических операций, связанных с нагревом, выдержкой и охлаждением для изменения свойств металлов и металлических сплавов в результате изменения их внутреннего строения.

Все операции ТО (рис. 87) проводят по заранее разработанной технологии. ТО можно считать эффективной, если достигнутые в результате ее проведения свойства материалов сохраняются длительное время.

ТО может быть как промежуточной операцией, предназначенной для улучшения технологических свойств (облегчения ковки, штамповки, прокатки), так и окончательной — для обеспечения в материале или изделиях требуемого комплекса свойств.


Рис. 87. Обобщенная схема видов термической обработки


Существование одного металла в нескольких кристаллических формах (в зависимости от температуры и давления) называются полиморфизмом или аллотропией. Различные кристаллические формы одного вещества — полиморфными или аллотропическими модификациями.

За основу ТО чугуна и стали приняты полиморфные превращения железа, сопровождающиеся перекристаллизацией, и процессы, связанные с изменением растворимости в железе. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях: и железо. железо, имеющее кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку (феррит) устойчиво в двух интервалах температур: ниже 911 °С и от 1392 до 1539 °С. Высокотемпературную модификацию железа обычно обозначают железо. В температурном интервале 911–1392 °С устойчиво железо (аустенит), имеющее кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. Поскольку железо, кроме того что образует химическое соединение Fe3C, имеет две аллотропические формы ( и ), то в системе железо–углерод существуют различные фазовые состояния железоуглеродистых сплавов в зависимости от состава и температуры (рис. 88).


Рис. 88. Диаграмма состояния сплавов железо—углерод: штриховые линии — система железо—графит, сплошные линии — система железо—цементит (L — расплав, А — аустенит, Г — графит, Ц — цементит)


Нагрев. Для чистого железа температура аллотропического превращения составляет 911 °С. При наличии углерода она снижается до 723 °С (ее обозначают А1).

Если нагреть железоуглеродистый сплав выше температуры 723 °С, то начнется аллотропическое превращение железа: феррит заменяется аустенитом. В образующихся кристаллах аустенита будет растворяться цементит. Атомы железа участвуют в построении кристаллической решетки, а атомы углерода размещаются в ее межатомных промежутках. Этот процесс завершится при температуре А3 (723 ° < A3 < 911 °), зависящей от количества углерода в сплаве. Если металл очень долго выдерживать при такой температуре или нагревать значительно выше ее, то начнется объединение мелких зерен аустенита в более крупные, многократно превосходящие размерами исходные. Таким образом, в результате нагрева до определенной температуры в металле происходят фазовые превращения. В рассматриваемом случае две фазы (феррит и цементит) заменились одной новой (аустенитом). Выдержка при температуре нагрева необходима для полного завершения фазового превращения, но время ее должно быть ограничено во избежание укрупнения кристаллов образовавшейся фазы.

Охлаждение. При охлаждении протекают процессы, обратные происходящим при нагреве, т. е. имеет место аллотропическое превращение: аустенит заменяется ферритом. При этом из решетки должны выделиться избыточные атомы углерода, которые, соединяясь с атомами железа, образуют цементит, поскольку растворимость углерода в аустените значительно выше, чем в феррите. Такие процессы происходят за счет диффузии атомов, зависящей от температуры и размера атомов (при одинаковой температуре диффузия больше у атомов углерода, размер которых меньше, чем размер атомов железа). Следовательно, протекание процессов при охлаждении в наибольшей степени обусловлено интервалом температур (скоростью охлаждения). При прочих равных условиях (химический состав стали, температура нагрева) именно скорость охлаждения является фактором, определяющим строение охлажденного металла.

При охлаждении с аустенитом происходит следующее. Если температура ниже 723 °С, аустенит сохраняется некоторое время без видимых внешних изменений. Это инкубационный, или скрытый, период распада. В зависимости от температуры его длительность меняется от нескольких секунд до 5–15 мин. Чем ниже температура, при которой происходит распад аустенита, тем мельче кристаллы вновь образовавшихся фаз. При этом в интервале температур 550–723 °С образуются ферритоцементитные смеси пластинчатого строения, в интервале 220–550 °С — смеси игольчатого строения, а при более низких температурах — игольчатая однофазная структура, не являющаяся ферритоцементитной смесью.

Процесс распада аустенита изображается с помощью диаграммы, характер которой зависит от состава стали (рис. 89).

Образование различных структур связано с интенсивностью диффузионных процессов при тех или иных температурах. При относительно небольших степенях переохлаждения (до температуры 500–550 °С) распад аустенита осуществляется за счет диффузии атомов как углерода, так и железа. Этот тип превращения называется перлитным. В результате перлитного превращения образуются смеси феррита с цементитом: перлит, сорбит, троостит. Первая смесь получается при наименьших, а последующие — при увеличивающихся степенях переохлаждения аустенита. Смеси отличаются друг от друга размерами зерен (пластин) и свойствами. Перлит наиболее мягок и пластичен. Зерна троостита мельче, а твердость значительно выше, чем у перлита.


Рис. 89. Диаграмма распада аустенита для стали, содержащей 0,8 % углерода: Мн и Мк — температура соответственно начала и конца мартенситного превращения


При переохлаждении до температуры 220–500 °С распад аустенита протекает главным образом за счет диффузии атомов углерода (диффузионная способность атомов железа резко снижается).

Кристаллическая решетка железа перестраивается почти бездиффузионно, поэтому кристаллы сильно измельчаются и приобретают игольчатый вид. Твердость и прочность стали при этом увеличиваются, а пластичность снижается. Такой тип превращения называют бейнитным или промежуточным.

Переохлаждение ниже температуры 200 °С приводит к бездиффузионному превращению аустенита в пересыщенный углеродом раствор, называемый мартенситом (тип превращения — мартенситный). Причем мартенсит — очень твердая хрупкая игольчатая структура. Таким образом, чем ниже температура, при которой происходит распад аустенита, тем сталь тверже, прочнее, тем ниже ее пластичность.

При нагреве мартенсита выше температуры 250 °С образующаяся смесь феррита с цементитом имеет по сравнению с мартенситом значительно меньшую твердость, меньшие пределы прочности и текучести, но более высокую пластичность. Предел упругости достигает максимального значения при нагреве мартенсита до температуры 300 °С. Полученные в результате распада мартенсита смеси феррита с цементитом имеют зернистое строение. Этим они отличаются от аналогичных смесей, полученных при превращении аустенита. Структуры, имеющие зернистое строение, обладают лучшим комплексом механических свойств.

Аналогичные процессы могут иметь место и при ТО некоторых других сплавов (медь с бериллием, алюминия с кремний, титановые, магниевые сплавы и т. д.).