6. Термическая обработка

Сущность и назначение термической обработки
Термической обработкой
сплавов системы Fe-C называют
совокупность операция нагрева и охлаждения сплавов с целью изменения фазового состава и получения заданных механических свойств.
Назначение термической обработки металлов – получение требуемой твердости, улучшение прочностных характеристик металлов и сплавов.

Классификация видов термической обработки

Особенности видов обработки
термическая обработка – только термическое воздействие
химико-термическая – сочетание термического и химического воздействия
термомеханическая – сочетание термического воздействия и пластической деформации

Фазовые превращения в сталях при термической обработке
Для установления режимов термической обработки необходимо знать температуры, при которых в стали происходят превращения.
Такие температуры называются критическими и обозначаются буквой А с индексами (например, А1, А2 А3 и др.).
Если рассматривается процесс нагревания, то к индексу добавляется буква «с»,
если охлаждение – буква «r».

`

Главная цель нагрева стали – получение аустенитной структуры.
Аустенит (по имени английского ученого Аустена) — это твердый раствор углерода (и других элементов) в у-Fе. Атомы растворенного в аустените углерода располагаются в центре элементарных ячеек решетки.
До нагревания сталь имеет феррито-перлитную структуру, перлитную или перлитно-цементитную.

Сталь нагревают до температуры, на 30-50 С выше линии GSE и выдерживают для выравнивания состава во всех зернах. Образуется мелкозернистая структура.
Нагрев до более высоких температур недопустим, так как приведет к росту зерен.

Главная цель охлаждения стали – превращение аустенита в желаемую структуру: перлит, сорбит, троосит или мартенсит.
Образование этих структур зависит от скорости охлаждения (табл. 1).

Виды термической обработки
Отжиг - устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутренние напряжения.
Закалка – проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).
Отпуск - проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей

Схема термической обработки
Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах температура — время

Основные температурные воздействия
нагрев до аустенитного состояния, вызывающий фазовую перекристаллизацию;
охлаждение с различными степенями переохлаждения, при котором происходит превращение аустенита;
нагрев закаленных сталей до определенных температур, изменяющих их структуру и свойства.

Цвета каления стали
Определение температуры при термической обработке можно производить на основании цвета излучения нагретой стали или с использованием измерительных приборов.

Параметры термической обработки:
Максимальная температура нагрева сплава - t max
Время выдержки сплава при температуре нагрева r k
Скорость нагрева V н
Скорость охлаждения Vо
Средняя скорость нагрева Vн.ср = t max / r н
Средняя скорость охлаждения Vо.cp = t max / r o

Графики различных видов термообработки
Отжиг - (1, 1а), закалка - (2, 2а), отпуск - (3), нормализация - (4)

Графики различных видов термообработки

Отжиг и нормализация.
Назначение и режимы
Отжиг, снижая твердость и повышая пластичность и вязкость за счет получения равновесной мелкозернистой структуры, позволяет:
улучшить обрабатываемость заготовок давлением и резанием;
исправить структуру сварных швов, перегретой при обработке давлением и литье стали;
подготовить структуру к последующей термической обработке.
Характерно медленное охлаждение со скоростью 30…100oС/ч.

Отжиг I рода
Цель отжига – устранение отклонений от равновесного состояния, возникающих при технологических операциях. При таком отжиге не используются фазовые превращения.
Получают сталь с минимальной плотностью дислокаций, низкой твердостью и высокой пластичностью.
Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг,
ТН = 0,8 Тпл (1100 -1200° С), время выдержки 8-20 часов. Применяют для уменьшения химической неоднородности, образующейся при кристаллизации стали (устранение дендритной ликвации)
Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа, созданного холодной пластической деформацией, ТН = 0,4 Тпл (600-700o С)
Отжиг для снятия напряжений после горячей обработки применяют для уменьшения напряжений, сохранившихся после окончания литья, сварки, обработки давлением и др., ТН = 160……700oС

Отжиг I I рода
Полный
Неполный
Изотермический
Нормализация
Эта обработка заключается в нагреве до аустенитного состояния и последующем охлаждении, обеспечивающем протекание перлитного превращения и получения феррито-карбидной структуры. В отличие от отжига I рода проходит с фазовыми превращениями.

Изотермический отжиг вид отжига стали, заключающийся в нагреве изделия до аустенитного состояния, выдержке при такой температуре, охлаждении примерно до 600-700 °С, новой выдержке до окончания распада аустенита, затем охлаждении до комнатной температуры
Нормализация – нагрев выше линии GSE на 30-50 градусов и выдержка на спокойном воздухе. Структура обладает большей прочностью.

Закалка
Нагрев стали до температуры выше критической, выдержка и быстрое охлаждение. Цель закалки – получение неравновесной структуры стали

Закалка
Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке.
Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с содержанием углерода менее 0,20 % не закаливаются.
Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину
Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия

Отпуск
Нагрев закаленной стали до температур ниже фазовых превращений с последующим охлаждением.

Химико-термическая обработка
При такой обработке насыщают поверхностные слои изделий одним или несколькими элементами
Различают три стадии ХТО
диссоциация – процесс, протекающий во внешенй среде и приводящий к выделению диффундирующего элемента в атомарном состоянии;
адсорбция диффундирующего элемента поверхностью металла и растворение его в металле;
диффузия элемента вглубь насыщаемого металла.

Цементизация

Азотирование

Нитроцементация

Диффузионная металлизация