12. Термическая обработка

Сравнительный анализ видов термообработки

Превращения в стали при нагреве
Превращения, т.е. изменение структуры (фазового состава), происходят при нагреве сплавов до критических точек – температур фазовых превращений

Диаграмма железо - цементит

Зависимости характеристик от структуры вещества
Эксплуатационные свойства стали определяются размером зерна. Крупное зерно в стали не влияет на твёрдость, но снижает прочность и ударную вязкость.
Перлит, сорбит, троостит – ферритно-цементитные смеси различной дисперсности.
Мартенсит имеет высокую твердость, которая повышается с увеличением содержания углерода (см.рисунок справа)

Перлит, сорбит, троостит – ферритно-цементитные смеси. Но в чем разница?
степень переохлаждения
при превращении
Перлит образуется при температуре близкой к 727°С
дисперсность => прочность,
твердость
НВ = 200
НВ = 300
НВ = 400

Отжиг. Нормализация
Цели:
разупрочнение металла,
исправление дефектов структуры,
устранение остаточных напряжений.

Отжиг. Нормализация
Случаи применения:
предварительная технологическая операция:
разупрочнение штамповок, литых, сварных и кованых деталей перед мех. обработкой;
промежуточная операция:
если предшествующая обработка вызвала изменение структуры и свойств (наклёп) или появление напряжений (после шлифования);
окончательная термическая обработка:
завершающая стадия изготовления стали в металлургии для адаптации к дальнейшей обработке.

Рисунок – Температуры отжига и нормализации

Полный отжиг

Неполный отжиг

Изотермический отжиг

Нормализация

Возможные проблемы отжига и нормализации

Закалка
Цели:
упрочнение (повышение твердости, прочности за счет получения структуры мартенсита)
Случаи применения:
промежуточная операция (после закалки проводится отпуск)

Закалка. Алгоритм выполнения
Нагрев до Т:
2. Изотермическая выдержка при набранной Т, °С ;
3. Быстрое охлаждение.
В случае доэвтектоидных сталей при неполной закалке остается феррит, обладающий низкой твердостью, поэтому нет особого смысла в такой закалке.

Обработка холодом
Цели:
Повышение твердости за счет устранения остаточного аустенита;
Стабилизация размеров особо точных деталей, для которых изменение размеров во времени недопустимо (калибры, кольца шарикоподшипников…)
Сущность:
Сталь сразу после закалки охлаждают до отрицательных температур.

Закаливаемость и прокаливаемость
Закаливаемость характеризует твердость закаленной стали и измеряется в единицах твердости.
Закаливаемость зависит от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.

Закаливаемость и прокаливаемость
Прокаливаемость – способность стали получать при закалке мартенситную структуру и высокую твердость на определенную глубину.
Прокаливаемость – это способность стали получать закаленный слой определенной глубины.
Прокаливаемость – это расстояние от поверхности до того места, где в структуре наблюдается 50% мартенсита и 50% троостита (полумартенситная зона).
Скорость охлаждения уменьшается от поверхности детали к центру. В случае большой толщины детали на мартенсит закалится только поверхностный слой детали, а сердцевина будет незакаленной, с мягкой феррито-перлитной структурой.

Закаливаемость и прокаливаемость
Прокаливаемость выражается в мм. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов, критическая скорость закалки уменьшается, и глубина прокаливаемости увеличивается.
Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в конкретной охлаждающей среде.
Углеродистая сталь при охлаждении в воде имеет критический диаметр всего 10-15 мм. Легированные стали могут прокаливаться в сечении до 250-300 мм при закалке в масле. Чем больше размер заготовки, тем более легированная сталь должна быть применена.
Рисунок – Зависимость твердости полумартенситной зоны углеродистой стали от содержания углерода

Возможные проблемы закалки
Деформация – изменение размеров детали при сохранении формы.
Коробление – изменение формы детали.
Легированные стали имеют более низкую критическую скорость охлаждения => возможно более медленное охлаждение в масле (иногда и на воздухе)

Зависимость дефектов от закалочных напряжений
σзак – величина закалочных напряжений
σт – величина предела текучести
σВ – величина предела прочности
Деформация
Напряжение

Отпуск и старение
Отпуск – окончательная операция термообработки.
Отпуск – стабилизирующая термообработка;
Алгоритм:
Нагрев до Т ниже АС1 (ниже 727 °С);
Изотермическая выдержка;
Охлаждение (обычно на воздухе).
Стабилизирующий отпуск тем эффективнее, чем выше его температура.
Цель:
Уменьшение остаточных напряжений;

Виды отпуска стали

Отпуск и старение
Закалка + высокий отпуск = улучшение
Старение – тот же отпуск в случае окончательной термической обработки сплавов после закалки без полиморфного превращения.
По сравнению с отжигом улучшение обеспечивает более высокие показатели механических характеристик (прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость);