Термическая обработка сталей и чугунов

Термическая обработка – это обработка заготовок и изделий из металлических материалов путем теплового воздействия для получения заданных структуры и свойств
Может сочетаться с:
Деформационным
Химическим
Магнитным и др. воздействием
Основные виды термической обработки металлов и сплавов

Отжиг 2-го рода
Отжиг сталей (отжиг 2-го рода) – это термическая обработка, при которой главными процессами являются аустенизация с последующим перлитным превращением

1 – полный отжиг
20 – 40 К выше точки Aс3
Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.
а - видманштеттова
структура литой доэвтек-
тоидной стали
б - после полного отжига
×100
Основные цели полного отжига :
устранение пороков структуры (,
возникших при литье, горячей деформации, сварке и термообработке (крупнозернистость и видманштеттов феррит),
смягчение стали перед обработкой резанием уменьшение остаточных напряжений
Новиков и др. Металловедение

2 – неполный отжиг
Температура отжига:
Выше Ac1, но ниже Ac3
Используют для смягчения доэвтектоидной стали перед обработкой резанием, так как в результате эвтектоидного превращения при неполном отжиге образуется мягкий перлит.
Позволяет:
экономить время
снизить стоимость обработки.
Не устраняет пороков структуры

3 – сфероидизирующий отжиг
740 – 780 °C + медленное охлаждение
Образуется структура зернистого перлита - сферодита
Для заэвтектоидных сталей используют термин
«интервал отжигаемости»
0.09-0.1 С = 740 – 750 °C
0.11-0.13 = 750 – 780 °C
Структура зависит от:
скорости охлаждения
температуры отжига

4 – нормализация
30 – 50 К выше линии GSE
Образуется в структуре
квазиэвтектоид
Под нормализацией понимают такую термическую обработку стали, при которой охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита в температурном интервале перлитного превращения.

Изотермический отжиг
Ускоренное охлаждение
(меньше на 30 – 100 K )
основное назначение изотермического отжига – смягчение стали
Преимущества:
Выигрыш во времени (время ускоренного охлаждения, изотермической выдержки и последующего ускоренного охлаждения меньше времени медленного непрерывного охлаждения изделия вместе с печью).
Получение более однородной структуры, так как при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени охлаждения.

Отжиг чугунов
Fe – C – Si – (Mn, P)
Графитизирующий отжиг чугуна – это термическая обработка, при которой главным процессом является образование графита с одновременным частичным или полным исчезновением цементита
Подвергают – белые (БЧ), серые (СЧ) и высокопрочные(ВЧ) чугуны
Отжиг для устранения отбела – чугун нагревают до 850 – 950 °C и после выдержки 0,5 – 5 ч охлаждают на воздухе
В зависимости от скорости охлаждения – П или Ф-П матрица
Низкотемпературный смягчающий отжиг. Для СЧ с П или Ф-П матрицей
Цель - снижение твердости, улучшения обрабатываемости резанием и повышения циклической вязкости.
Проводят при 650 – 750 °C, 1 – 4 ч
Изменения структуры - частичная графитизация перлитного цементита и частичная сфероидизация оставшегося цементита.

Отжиг белого чугуна на ковкий
Дешевый материал + высокие механические свойства
для производства ковкого чугуна используют отливки из доэвтектического белого чугуна, содержащего
2.2 – 3.1 % C, 0.7 – 1.5 % Si, 0.3 – 1.0 % Mn и до 0.08 % Cr.
Графит - углерод отжига
У КЧ относительное удлинение
2 – 20 % (в зависимости от структуры), для БЧ < 0.2 %, CЧ – не более 1.2 %.
Первая стадия
промежуточная
Вторая стадия

Нормализация чугуна – это термическая обработка, при которой главными процессами являются аустенитизация и последующее перлитное превращение.
Нормализации подвергают отливки из чугуна чаще с Ф и Ф-П матрицей и реже – с П
850 – 950 °C, 0.5 – 3 ч + охлаждение на воздухе
Для уменьшения остаточных напряжений с температуры 500 °C охлаждают в печи.

Закалка
Закалка – это термическая обработка, при которой главным процессом является формирование неравновесной структуры во время ускоренного охлаждения
закалка с полиморфным превращением
закалка без полиморфного превращения
закалка с плавлением поверхности
Параметры процесса:
температура нагрева
время выдержки
скорость охлаждения

Закалка с полиморфным превращением
это термическая обработка металла или сплава, при которой главным является мартенситное превращение высокотемпературной фазы (закалка на мартенсит)
(сталь с 1,86 С ×550 фото Краус и Мадер)
(Новиков и др. Металловедение т.2)
Fe-30Ni-0.1C Мартенсит в эвтектоидной стали
(Beinit in steel, Bhadeshia)

Закаливаемость- способность стали к повышению твердости при закалке
Упрочнение сталей при закалке на мартенсит обусловлено
образованием пересыщенного углеродом α-раствора
появлением большого числа двойниковых прослоек
повышением плотности дислокаций при мартенситном превращении(до уровня холодно деформированного метала)
образованием на дислокациях атмосфер из атомов углерода
выделением из α-раствора дисперсных частиц карбида
Прочность σв = 1300 ÷ 2000 МПа
Пластичность = 0
Для углеродистых сталей из-за малой подвижности дислокаций в мартенсите, содержащем углерод
δ = 14 ÷ 20 %, ψ = 70 ÷ 80 %
Для безуглеродистых мартенситно-стареющих сплавов (н-р, Fe-Ni)

Бейнитное превращение
В углеродистых сталях в интервале примерно 500 – 250 °C, происходит бейнитное превращение.
Это промежуточное превращение между перлитным и мартенситным
Бейнит состоит из α-фазы (феррита) и карбида
Бейнит полученный в эвтектоидной стали изотермической выдержкой при температуре 290 С

Прокаливаемость
критическая скорость охлаждения – это минимальная скорость, при которой аустенит еще не распадается на феррито-карбидную смесь
От данной критической скорости охлаждения зависит глубина прокаливаемости

Для доэвтектоидных
сталей
> A3 на 30 – 50 К
Более высокие температуры вредны из-за роста аустенитного зерна
Ниже А3 – вредны из-за образования мягкого остаточного феррита
Для заэвтектоидных сталей > A1 на 35 – 60 К
выше Acm вреден
твердость закаленной стали получается ниже из-за растворения твердых цементитных частиц и повышения количества остаточного аустенита
укрупняется аустенитное зерно
растут закалочные напряжения.
Для большинства легированных сталей Тз = 800 – 880 °C

Отпуск
это термическая обработка закаленного на мартенсит сплава (или металла), при которой главными процессами являются распад и (или) возврат и рекристаллизация мартенсита
Процессы, которые идут при отпуске обусловлены:
сильной пересыщенностью твердого раствора – мартенсита
повышенной плотностью в нем дефектов КР и двойниковых прослоек
присутствием остаточного аустенита
Цель отпуска -увеличение вязкости и уменьшение закалочных напряжений
Зависимость твердости углеродистых сталей разного состава от температуры отпуска (Г.В. Курдюмов)
Во время отпуска снижается твердость:
уменьшение концентрации углерода в α-растворе
снятие упругих микронапряжений
коагуляция карбидов и увеличения межчастичного расстояния
развития возврата и рекристаллизации.