47794

Термічна обробка. Курс лекцій

Конспект

Производство и промышленные технологии

Загальна характеристика термічної обробки Роль термічної обробки у матеріалознавстві Класифікація видів термічної обробки Основні положення теорії термічної обробки Роль термічної обробки у матеріалознавстві Фізикомеханічні і технологічні властивості металів і сплавів на практиці не задовольняють умовам виготовлення або експлуатації деталей виробів продукції машинобудування. Бочвар визначив такі види термічної обробки металів та сплавів залежно від характеру теплової дії: Власне термічна обробка ТО без зміни хімічного складу;...

Украинкский

2013-12-02

620.5 KB

22 чел.

Міністерство освіти і науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

Кременчуцький НАЦІОНАЛЬний університет

імені Михайла Остроградського

КУРС ЛЕКЦІЙ

з навчальної дисципліни

„Термічна обробка”

для студентів денної форми навчання

за напрямом 6.050403 – “Інженерне матеріалознавство”

Кременчук 2011

ЧАСТИНА 1

ТЕОРІЯ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ

Тема 1. Загальна характеристика термічної обробки

  1.  Роль термічної обробки у матеріалознавстві
  2.  Класифікація видів термічної обробки
  3.  Основні положення теорії термічної обробки

Роль термічної обробки у матеріалознавстві

Фізико-механічні і технологічні властивості металів і сплавів на практиці не задовольняють умовам виготовлення або експлуатації деталей (виробів) продукції машинобудування. Щоб змінити вказані властивості в бажаному напрямі, застосовують термічну обробку.

 Термічною обробкою називають сукупність послідовних технологічних процесів нагрівання, витримки і охолодження металевих виробів з метою зміни їх фізико-механічних властивостей шляхом керованих структурних перетворень.

 Під дією теплової енергії при термічній обробці в металах і сплавах відбуваються внутрішні перетворення, які призводять до зміни мікроструктури в цілому, а саме будови і кількості фаз та розмірів зерен. Причому, після припинення теплової дії структурні зміни не зникають.

Академік Андрій Анатолійович Бочвар запропонував визначати види термічної обробки за структурними перетвореннями.

Класифікація видів термічної обробки

А. А. Бочвар визначив такі види термічної обробки металів та сплавів залежно від характеру теплової дії:

  •  Власне термічна обробка (ТО) без зміни хімічного складу;
  •  Термомеханічна обробка (ТМО), яка об’єднує термічну дію і пластичне деформування;
  •  Термо-хімічна обробка (ТХО), при якій під дією високих температур і дифузійних процесів досягають зміни хімічного складу поверхневих шарів з подальшою їх термообробкою.

Режим термічної обробки включає стадії нагрівання до певної температури, витримки при заданій температурі протягом певного часу і охолодження із заданою швидкістю.

Термо-механічна обробка є розвитком ТО, коли на метал (сплав) накладаються ще й деформації.

Термо-хімічна обробка передбачає комбінацію термічного та хімічного впливу на метали (сплави) для зміни хімічного складу та властивостей у поверхневих шарах.

Основні положення теорії термічної обробки

Метою термічної обробки металів (сплавів) є зменшення залишкових механічних, термічних або деформаційних напруг у виробах, зменшення внутришньокристалічної ліквації у відливках, часткове або максимально можливе підвищення твердості та міцності.

Залежно від поставленої задачі застосовують різні методи термічної обробки.

Графічно режим термічної обробки може бути представлений в координатах „температура – час” (рис. 1.1).

 Режим термічноъ обробки характеризується такими основними параметрами:

τн – час нагрівання;

τв – час витримки;

τох – час охолодження;

Ткр – критична температура;

Тн – температура нагрывання;

Vн – швидкість нагрівання;

Vох – швидкість охолодження.

Це найпростіший вид термічної обробки. Більш складні процеси включають декілька нагрівань, ступінчасте нагрівання, охолодження до низьких температур.

Всі види термічної обробки залежно від характеру впливу на властивості сплавів поділяються на 4 групи:

Перша група – відпали першого роду без фазових перетворень. Цей вид термообробки полягає в нагріванні металу, або сплаву, який знаходиться в нерівноважному стані, з метою приведення його в рівноважний стан. (Причинами попереднього нерівноважного стану можуть бути деформування або  неоднорідність зеренного складу.).

Друга група – відпали другого роду, при проведенні яких відбувається фазова перекристалізація. Якщо в сплавах при нагріванні проходить фазове перетворення, то нагрівання вище певної (критичної) температури викликає зміну структурної будови сплаву. (При повільному охолодженні проходить зворотнє перетворення – утворюється рівноважний і стабільний фазовий склад).

Третя група – гартування – вид термічної обробки, при якому (також як і для другої групи) нагрівання викликає фазову перекристалізацію, але в результаті штучного швидкого охолодження зворотнє фазове перетворення не встигає пройти. Отримана при цьому структура являється зафіксованим високотемпературним станом. Такий стан є нерівноважним і нестійким.

Четверта група – відпуски – види термообробки, в результаті проведення яких знімається нерівноважний стан в попередньо загартованих сплавах. Досягається це нагріванням нижче температури фазових перетворень. Якщо відпуск відбувається при кімнатній температурі або при невисокому нагріванні (до 50 – 150 °С), його називають старінням. Старіння – це різновид відпуску. Відпуск і старіння є вторинними операціями, які проводять після гартування.

Теоретичною основою для вивчення і проведення процесів термічної обробки є діаграми стану. За їх допомогою з’ясовують принципову можливість проведення процесу термообробки, визначають температурні режими їх проведення.

Виділяють 3 основні групи сплавів:

  1.  Сплави, в яких не відбуваються фазові перетворення в твердому стані (рис. 1.2).
  2.  Сплави, в яких розчинність компонентів змінюється в твердому стані
  3.  Сплави, в яких відбуваються евтектоїдні перетворення.

Рисунок 1.2 – діаграми стану сплавів, в яких не відбуваються перетворення в твердому стані

Метою термообробки є підвищення пластичності і отримання структури, близької до рівноважної або, навпаки, отримання нерівноважної структури з високою міцністю і твердістю.

Аналіз діаграм стану дозволяє зробити висновок про можливість термічної обробки сплавів.

  1.  Для сплавів, в яких не відбуваються фазові перетворення в твердому стані (рис. 1.2), застосовують лише термообробку першого роду (відпал без фазових перетворень).

Стан таких сплавів після теплової дії стає більш рівноважним, підвищується пластичність, зменшується неоднорідність складу.

2.    В сплавах зі змінною розчинністю компонентів в твердому стані і в сплавах з евтектичними перетвореннями при нагріванні виникають необхідні умови для створення в подальшому, в процесі охолодження, нерівноважної структури, здатної до зміцнення.


Тема 2. Аналіз діаграм стану сплавів

  1.  Типи взаємодії між компонентами сплаву.
  2.  Типові діаграми стану сплавів.
  3.  Звязок діаграм стану з властивостями сплавів.

  1.  Типи взаємодії між компонентами сплаву

Сплав – це речовина, яку отримують сплавленням двох чи більшої кількості компонентів.

Компоненти – речовини, з яких складається сплав. Компонентом може бути хімічний елемент або хімічна сполука.

Залежно від фізико-хімічної взаємодії компонентів у твердому стані можуть утворюватися наступні фази: тверді розчини і хімічні сполуки (фаза – це однорідна частина сплаву, відділена від інших частин поверхнею поділу, при переході через яку властивості змінюються стрімко).

Твердий розчин – це фаза, при утворенні якої всі компоненти взаємно розчиняються один в одному у твердому стані, і атоми одного з них певним чином розміщуються у кристалічній решітці іншого. Компонент, що є основою твердого розчину і зберігає свою кристалічну решітку, називається розчинником. Компонент, атоми якого певним чином розміщуються у кристалічній решітці розчинника, називається розчиненою речовиною.

Залежно від способу розміщення атомів розчиненої речовини у решітці розчинника розрізняють два основні види твердих розчинів: заміщення        (рис. 2.1 а) і втілення (рис. 2.1 б).

Тверді розчини втілення утворюють з металами компоненти, що мають малий розмір атомів (С, N, B, H). Тверді розчини заміщення утворюють метали, у яких близькі розміри атомів.

За кількістю розчиненої речовини тверді розчини поділяються на тверді розчини обмеженої і необмеженої розчинності.

Тверді розчини з необмеженою розчинністю – це сплави, де в одному компоненті (розчиннику) може розчинитися необмежена кількість розчиненої речовини.

Ті сплави, для яких характерна обмежена розчинність речовини у розчиннику, відносяться до твердих розчинів з обмеженою розчинністю.

Тверді розчини втілення бувають тільки обмеженої розчинності, а тверді розчини заміщення можуть бути обмеженої та необмеженої розчинності.

Хімічна сполука – це фаза, при утворенні якої атоми одного компонента при певному кількісному співвідношенні вступають в хімічну взаємодію з атомами другого компонента, при цьому утворюється новий тип кристалічної решітки. Кожній хімічній сполуці притаманна певна хімічна формула.

Коли компоненти сплаву у твердому стані не взаємодіють один з одним, вони утворюють механічну суміш.

Механічна суміш – це сплав, що складається з кристалів компонентів, які не взаємодіють між собою.

Кристалічну решітку і мікроструктуру механічної суміші можна представити як показано на рис. 2.2.

  1.  Типові діаграми стану сплавів

Описані в п. 1 різні типи взаємодії між компонентами сплавів породжують різноманітність сплавів. Для їх систематизації використовують діаграми стану.

Діаграма стану – це графічне зображення стану сплавів (із заданих компонентів) при різних температурах.

Для побудови діаграм стану використовують метод термічного аналізу. Для цього будуються криві охолодження, по яких визначають критичні точки (рис. 2.3).      

Збільшення температури вище критичних значень призводить до переходу речовини в рідинний стан і навпаки, при охолодженні рідини нижче Ткр переводить її в кристалічний стан.

На кривих охолодження при температурах Ткр утворюються горизонтальні ділянки, які свідчать про те, що теплота, розсіювана в процесі охолодження компенсується схованою теплотою кристалізації, яку віддають утворювані кристали решітки. Це та частина енергії, яка раніше (при нагріванні)була витрачена на руйнування решітки.

Таким чином, критичні точки – це температури переходу речовини (сплаву) з одного фазового стану до іншого.

Розглянемо типові діаграми стану, побудовані за допомогою кривих охолодження.

Найбільш поширеними для сплавів є такі типи  стану:

  1.  Діаграма стану сплавів, компоненти яких зовсім не розчиняються в твердому стані і утворюють механічну суміш (рис. 2.4 а);
  2.  Діаграма стану сплавів, компоненти яких повністю розчиняються в твердому стані (рис. 2.4 б);
  3.  Діаграма стану сплавів, компоненти яких обмежено розчиняються в твердому стані (рис. 2.4 в);
  4.  Діаграма стану сплавів, компоненти яких утворюють при кристалізації хімічні сполуки (рис. 2.4 г).

На рис. 2.4 показані ці типи діаграм стану і відповідні графіки зміни механічних властивостей сплавів.

Перший тип діаграми стану (рис. 2.4 а) можна розглянути для сплаву     PbSb. При певній концентрації (13 % Sb) утворюється евтектика (точка С) з елементами А і В. Компонентами А і В, які складають сплав, можуть бути як чисті елементи, так і хімічні сполуки.

Всі сплави, на відміну від чистих компонентів, кристалізуються в інтервалі температур. Причому спочатку кристалізується один з компонентів. Тільки при певній концентрації елемента В відбувається сумісна кристалізація компонентів А і В і при цьому утворюється механічна суміш.

Діаграми стану другого типу (рис. 2.4 б) характерні для сплавів Cu-Ni, Co-Ni, Fe-Ni. У випадку повної розчинності компонентів в твердому стані кожний кристал будується одночасно атомами обох елементів і отримується сплав з кристалів твердого розчину. Температура кристалізації таких сплавів лежить між температурами кристалізації складових компонентів. Нахил ліній діаграми показує, що в процесі кристалізації відбувається зміна складу як рідкої, так і твердої фаз. Нижче лінії солідус розташовані кристали твердого розчину різної концентрації.

Діаграми стану сплавів третього типу (найбільш поширених) характерні для найважливіших промислових сплавів (Fe-C, Ni-Al, Fl-Cu). При кристалізації компонент В розміщується в решітці А з утворенням твердого розчину.

За діаграмами стану четвертого типу кристалізуються сплави Mg-Pb, Co-Sb, Mn-Si. В сплавах цієї системи після кристалізації при чітко визначеному співвідношенні компонентів утворюється хімічна сполука AnBm. Це відображується на діаграмі вертикальною лінією. Утворені хімічні сполуки відіграють роль самостійного компонента, який поділяє діаграму на ряд окремих діаграм.

  1.  Звязок діаграм стану з властивостями сплавів

Звязок між властивостями сплавів і типом діаграми встановлюється основними положеннями фізико-хімічного закону М. С. Курнакова. Згідно з цим законом існує відповідність між фазовим станом сплавів після кристалізації за характером зміни властивостей. Так, при утворенні необмежених твердих розчинів (рис. 2.4 б) властивості змінюються по криволінійному закону з максимумом або мінімумом. При утворенні механічної суміші (рис. 2.4 а) властивості змінюються по адитивному закону. Для сплавів, які розчиняються обмежено і утворюють евтектику (рис. 2.4 в), характер зміни властивостей у відповідності з фазовим станом у різних частинах діаграми має криволінійний і адитивний закони. В разі утворення при кристалізації хімічної сполуки (рис. 2.4 г) її складу відповідає максимум чи мінімум на графіках зміни властивостей.

Оскільки структура сплаву визначає його механічні та технологічні властивості, знання діаграми стану полегшує вибір конструкційного матеріалу для виконання конкретних деталей і допомагає застосувати раціональні методи їх обробки.

Беручи за основу діаграму стану можливо досить легко вирішити такі практичні задачі, як підбір сплавів для виготовлення деталей методом лиття чи штампування, визначити зварюваність матеріалів і т. ін..

Діаграми стану можуть бути також використані при виборі режимів термічної обробки.


Тема 3. Структура основних промислових сплавів

  1.  Залізовуглецеві сплави.
  2.  Структура сталей.
  3.  Структура чавунів.

  1.  Залізовуглецеві сплави

Залізовуглецеві сплави – сталі і чавуни – є найбільш розповсюдженими у сучасній промисловості. У рівноважному стані структури цих сплавів визначаються вмістом вуглецю та температурою і можуть бути описані діаграмою стану.

Довідка

Залізо (Fe) знаходиться у періодичній системі елементів в VI періоді, у восьмій групі під номером 26. Розповсюдженість у земній корі – 5,1 %. Перехідний метал. Температура плавлення чистого заліза (99,992 %) дорівнює 1539 °С, кипіння – 3200 °С. густина заліза – 7,874 г/см3, атомна маса – 55,85. Твердість технічного заліза близько 80 НВ, міцність σВ – 250 МПа. Залізо – пластичний метал.

Перетворення у твердому стані, що відбуваються у сплавах системи Fe-C, обумовлені поліморфізмом заліза. (в результаті поліморфного перетворення атоми кристалічного тіла, що мають решітку одного типу, перебудовуються таким чином, що утворюється кристалічна решітка іншого типу).

Залізо має поліморфні перетворення при 911 та 1392 °С. нижче температури 911 °С  залізо має об’ємноцентровану кубічну решітку (ОЦК) і існує в α модифікації (Feα).

В інтервалі температур 911 – 1392 °С залізу притаманна гранецентрована кубічна решітка (ГЦК) і воно існує у γ модифікації (Feγ).

При температурі 1392 °С відбувається γ → α перетворення. Високотемпературна модифікація α-заліза називається δ-залізом.

Схема структурних перетворень заліза

Температура, °С

модифікація

позначення

структура решітки

до 911

α

Feα

ОЦК

911 – 1392

γ

Feγ

ГЦК

вище 1392

α

Feδ

ОЦК

У твердому стані залізо з вуглецем утворює три фази: ферит, аустеніт, цементит.

Ферит – твердий розчин вуглецю в Feα. Розчинність вуглецю в Feα невелика і складає 0,025 % при температурі 727 °С. із пониженням температури розчинність вуглецю в Feα зменшується і при кімнатній температурі складає 0,006 %. Ферит – твердий розчин проникнення обмеженої розчинності.

Аустеніт – твердий розчин вуглецю в Feγ. Максимальна розчинність вуглецю в Feγ при температурі 1147 °С складає 2,14 %. Із пониженням температури розчинність вуглецю зменшується і при 727 °С складає 0,8 %. Аустеніт – твердий розчин проникнення обмеженої розчинності.

Довідка

Аустеніт отримав назву на честь англійського металурга W. Roberts Austen (1843 – 1902 р.р.)

 Цементит – хімічна сполука Fe3C (карбід заліза). При концентрації вуглецю 6,67 % залізо вступає в хімічну реакцію і утворюється Fe3C:

3Fe+C= Fe3C.

Властивості: ферит – мякий і пластичний, цементит – твердий і крихкий.

Три фази сплаву заліза з вуглецем

Фаза

Позначення

Вміст С, %

Температура, °С

Структура

Ферит

Feα

0,025-0,006

727-кімн.

твердий розчин обмеженої розчинності

Аустеніт

Feγ

2,14-0,8

1147-727

твердий розчин обмеженої розчинності

Цементит

Fe3C

6,67

1260-кімн.

хімічна сполука

Залізовуглецеві сплави із вмістом вуглецю ≤ 2,14 % називаються сталями. Залізовуглецеві сплави із вмістом вуглецю > 2,14 % називаються чавунами.

  1.  Структура сталей.

Сталі залежно від вмісту вуглецю поділяються на:

  •  доевтектоїдні (С < 0,8 %);
  •  евтектоїді (С = 0,8 %);
  •  заевтектоїдні (С > 0,8 %).

Це ілюструє діаграма стану Fe-Fe3C

Рисунок 3.1 – Діаграма стану Fe-Fe3C

А – аустеніт (твердий розчин С в Feγ);

Л – ледебурит (механічна суміш аустеніту і цементиту первинного);

П – перліт (механічна суміш фериту і цементиту);

Ф - ферит (твердий розчин С в Feα);

Ц – цементит (карбід заліза Fe3C).

Структура доевтектоїдної сталі при кімнатній температурі представляє ферит і перліт. При цьому чим більше в сталі вуглецю, тим більше перліту. На рис. 3.2 представлена мікроструктура доевтектоїдної сталі з різним відсотком вуглецю.  

   а         б                          в

Рисунок 3.2 – Мікроструктура доевтектоїдних сталей:

а- сталь 20 (0,2 % С); б – сталь 40 (0,4 % С); в – сталь 60 (0,6 % С).

       

    а    б

Рисунок 3.3 – Мікроструктура сталі:

а – евтектоїдної У8 (0,8 % С); б – заевтектоїдної У10 (1,0 % С).

На рис. 3.3 а показана структура евтектоїдної сталі, що має структуру перліту, а на рис. 3.3 б – структура заевтектоїдної сталі, що складається із зерен перліту, по границях яких розміщена цементитна сітка.

З підвищенням концентрації вуглецю в сталі зменшується кількість м’якого фериту і зростає частка твердого і крихкого цементиту, який або входить до складу перліту, або існує самостійно у вигляді структурної складової (у випадку заевтектоїдної сталі). Це призводить до того, що з підвищенням вмісту вуглецю збільшується твердість і міцність сталі, але зменшується її пластичність.

Така закономірність спостерігається при підвищенні вмісту вуглецю до 0,8 %. Якщо вуглецю більше 0,8 %, то твердість сталі буде зростати, а міцність почне знижуватися, тому що більша кількість цементиту збільшує крихкість сталі.

Таким чином доевтектоїдні сталі мають достатньо високу пластичність, але невисоку твердість. Тому доевтектоїдні сталі застосовують для виготовлення деталей машин і металоконструкцій, де необхідне сполучення високої пластичності і високої міцності.

Заевтектоїдні сталі відрізняються високою твердістю і невисокою пластичністю, тому їх застосовують для виготовлення інструментів.

  1.  Структура чавунів.

До чавунів відносяться сплави заліза з вуглецем, що вміщують більше 2,14 % вуглецю. Розрізняють білі та графітизовані чавуни.

У білих чавунах вуглець повністю знаходиться у звязаному стані у вигляді цементиту. У графітизованих чавунах вуглець знаходиться у вільному стані у вигляді графіту.

За вмістом вуглецю білі чавуни поділяються на:

  •  Доевтектичні (С < 4,3 %);
  •  Евтектичні (С = 4,3 %);
  •  Заевтектичні (С > 4,3 %).

Білі чавуни внаслідок присутності великої кількості цементиту відрізняються високою твердістю, крихкістю і практично не піддаються обробці різанням, тому мають обмежене застосування.

У графітизованих чавунах присутні графітові включення і металічна основа. Залежно від форми цих включень розрізняють чавуни:

  •  сірий (з пластинчастим графітом);
  •  високоміцний (з кулястою формою графіту);
  •  ковкий (з пластівчастим графітом);
  •  з вермикулярним графітом (з покрученою формою графіту).

Мікроструктура різних видів чавунів показана на рис. 3.4, 3.5, 3.6.

Рисунок 3.4 – Мікроструктура сірих чавунів (з пластинчастим графітом):

а – феритного; б – перліто-феритного; в – перлітного

Рисунок 3.5 – Мікроструктура ферито-перлітного високоміцного чавуну

Рисунок 3.6 – Мікроструктура ковкого феритного чавуну

Чавуни з пластинчастим графітом називають сірими (СЧ). Структура металічної основи може бути феритною, ферито-перлітною, перлітною.

Чавун, у якого графіт має кулясту форму називають високоміцним (ВЧ), структура металічної основи ферито-перлітна.

Ковкий чавун (КЧ) має пластівчасту форму графітових включень. Ковкий чавун міцніше і пластичніше ніж сірий чавун. Він має феритну або перлітну структуру металічної основи.

Чавун з вермикулярним графітом (ЧВГ)має графітові включення покрученої форми. У металічній основі знаходиться велика кількість фериту (до 70 – 90 %).


Тема 4. Технологія і режими термічної обробки

  1.  Загальні положення
  2.  Гартівні середовища
  3.  Загартовуваність і прогартовуваність

  1.  Загальні положення

Для забезпечення технологічної послідовності процесів і додержання необхідних режимів термічної застовуються нагрівальні пристрої, в яких використовуються різні охолоджувачі середовища як рідкі, так і газоподібні.

Останнім часом для термічної обробки використовують джерела висококонцентрованої енергії – електронні і лазерні промені. Регулювання режимів нагрівання, витримки і охолодження в серійному і масовому виробництві забезпечується на базі сучасної мікропроцесорної техніки.

Відрізняють термічну обробку, призначену для підготовки структури для подальших технологічних операцій (наприклад, обробки різанням, пластичного деформування або завершувальної термообробки) і завершувальну, яка надає матеріалу деталі ту чи іншу структуру і відповідні властивості.

Послідовність і режим термообробки задаються, як правило, графіком  (рис. 1.1), який визначає тривалість і температуру нагрівання, час витримки і температуру охолодження. Загальний час нагрівання складається із часу досягнення необхідної температури – τн і часу ізотермічної витримки при цій температурі – τв для досягнення повноти перетворень, які відбуваються при нагріванні. Тобто загальний час нагрівання: τзаг = τн + τв.

Величина τн залежить від нагрівальних властивостей середовища, від розмірів, форми і матеріалу деталей, а також способу їх укладання в печі. Точно визначити час нагрівання можливо лише експериментально.

В реальних промислових умовах досить часто для визначення величини τн користуються даними з практичного досвіду. На 1 мм перетину або товщини виробів із доевтектоїдних сталей витривалість нагрівання приймають 45 – 75 с в електропечах і 15 – 20 с в соляних розчинах. Величина ізотермічної витримки повинна бути мінімальною, але необхідною для завершення фазових перетворень при нагріванні. Тривалість τв приймають 15 – 25 % від величини τн. для вуглецевих інструментальних сталей при нагріванні в електропечах τв ~ 50 ÷ 80 с на 1 мм мінімального перетину, а для легованих сталей 70 ÷ 90 с/мм. Відповідно при нагріванні в розчинах солей 20 ÷ 35 с/мм – для вуглецевих сталей і 25 ÷ 30 с/мм – для легованих.

Деталі складної конфігурації рекомендується для зменшення жолоблення перед нагріванням під термообробку попередньо розігрівати до 400 – 600 °С.

  1.  Гартівні середовища

Метою гартування є отримання високих механічних властивостей на необхідну глибину виробу. Це забезпечується при отриманні мартенситної структури.

В процесі гартування для переохолодження аустеніту до температури початку мартенситних перетворень необхідно створювати необхідну швидкість охолодження. Але для створення оптимальних умов гартування ця швидкість повинна змінюватись в області температурного інтервалу охолодження – від температури аустенізації до кімнатної температури.

Необхідна зміна швидкостей охолодження при гартуванні пояснюється різною стійкістю аустеніту при різних температурах, а також виникненням внутрішніх гартівних напруг.

Гартівні напруги складаються з термічних і структурних. Виникнення термічних напруг обумовлюється перепадом температур по перетину деталі і, відповідно, різним ступенем стиснення внутрішніх і зовнішніх шарів металу в період охолодження.

Структурні перетворення обумовлюються перебігом в часі мартенситних перетворень по перетину деталі. Поверхневі шари раніше досягають мартенситної точки. Оскільки мартенситне перетворення повязане із зміною обєму на декілька відсотків, то перебіг перетворень в часі по глибині призводить до виникнення структурних напруг. Загальні гартівні напруги збільшуються із зростанням температури нагрівання і ступеню переохолодження. Найбільш небезпечною для виникнення гартівних тріщин є температурна зона нижче температурної точки Мп, коли зявляються структурні напруги і утворюється крихка структура – мартенсит. Вище температури початку мартенситних перетворень існують лише термічні напруги. При цьому сталь ще зберігає аустенітну (більш пластичну) структуру.

Виходячи з цього і на основі аналізу С-подібної діаграми встановлено, що  найбільшу швидкість охолодження (рис. 4.1, крива 1) необхідно витримувати в області найменшої стійкості аустеніту – 400 – 650 °С. Вище і нижче цієї зони деталь можливо охолоджувати відносно повільно. Особливо повільно треба проводити охолодження починаючи з температур 300 – 200 °С, нижче яких в більшості сталей утворюється мартенсит. Графік – 1 на рис 4.1 є ідеалізованою кривою охолодження при гартуванні. На сьогоднішній день ще не створено такого охолоджуючого середовища, яке б забезпечувало швидке охолодження в перлітному інтервалі температур і повільне – в мартенситному. Найбільш поширеним охолоджуючим середовищем при гартуванні є вода при різних температурах, розчини NaOH і NaCl у воді, мінеральні і трансформаторні масла, розплавлені солі. В табл.. 4.1 наведені для прикладу швидкості охолодження невеликих стальних зразків в різних температурних інтервалах.

Таблиця 4.1 – Приклади гартівних середовищ і відповідне Vох

Гартівне середовище

Швидкість охолодження в інтервалі температур, °С

650 – 550

300 – 200

Вода при 18 °С

Вода при 74 °С

10 % розчин NaOH в воді при 18 °С

Мінеральне масло

600

30

1200

100 – 150

270

200

300

20 – 50

Вода швидко охолоджує і в перлітному, і в мартенситному інтервалі температур. Домішки солей або лугів збільшують швидкість саме в перлітній зоні. Масло, навпаки, повільно охолоджує в обох випадках. Тому його застосовують для сталей з високою прогартовуваністю.

Розігріта вода не замінює масел, оскільки практично не змінює швидкість охолодження в мартенситній зоні.

Останнім часом застосовують в якості охолоджуючих середовищ розчини полімерів в воді, які займають проміжне положення між водою і маслом.

Різні гартівні середовища забезпечують проникнення структури мартенситу на різну глибину, тобто забезпечують різну ступінь прогартовуваності. Роздивимось детальніше це поняття.

3. Загартовуваність і прогартовуваність

В процесі гартування проявляються дві важливі характеристики сталей: загартовуваність і прогартовуваність.

Під загартовуваністю розуміють здатність сталей отримувати максимальну твердість в процесі гартування. Головним чинником, який визначає загартовуваність, є вміст вуглецю в сталі.

Під прогартовуваністю розуміють здатність сталі утворювати загартований шар на певну глибину. Як правило, структура цього шару – мартенсит. Прогартовуваність визначається хімічним складом сталей, критичною швидкістю охолодження і розміром деталей. В результаті гартування може утворюватись скрізна або нескрізна прогартовуваність. Це пояснюється зміною критичної швидкості охолодження по перетину деталі. Поверхневий об’єсм  деталі при гартуванні завжди охолоджується із швидкістю більшою, ніж критична і отримує мартенситну структуру.

Якщо умови процесу складаються таким чином, що по перетину деталі утворюється значний перепад швидкості охолодження і в серцевині величина швидкості буде меншою, ніж критична, то мартенситна структура в цих шарах утворюватись не зможе. Прогартовуваність буде нескрізною (рис. 4.2 а)

В масивних деталях великого перетину після гартування можливе утворення декількох структур: перехід від мартенситу на поверхні до перліту в центрі. Якщо центральна частина деталі охолоджується із швидкістю більше критичної (рис. 4.2 б), то по всьому перетину утворюється мартенсит.

Тобто, для збільшення прогартовуваності деталі певного перетину необхідно або підвищувати швидкість охолодження, або знижувати критичну швидкість гартування. Факторами, які підвищують прогартовуваність є підвищення температури нагрівання і часу витримки перед гартуванням, хімічний склад аустеніту. З підвищенням вмісту вуглецю ускладнюється розпад аустеніту, зменшується критична швидкість охолодження і покращується прогартовуваність. На прогартовуваність суттєво впливає також величина зерна.

Легування сприяє підвищенню прогартовуваності. Наприклад, при гартуванні у воді сталі 45 наскрізна прогартовуваність сягає 20 мм. В той же час деталь із сталі 40ХН2МА діаметром 120 мм прогартовується наскрізь в середовищі із набагато меншою швидкістю охолодження – в маслі. Виходячи із технічної ефективності і функціональної необхідності для кількісної оцінки ефекту прогартовуваності використовують такі характеристики, як глибина прогартовуваності і критичний діаметр – Dкр. Для відповідальних деталей машин, які працюють в умовах високого навантаження на розрив і, особливо, удар, для пружин, ресор, торс іонів, для більшості інструментів, необхідно, щоб після гартування весь перетин деталей складався із мартенситної структури, що забезпечить однорідну структуру після відпуску. Для деталей, які працюють в умовах менш жорсткого навантаження (на згин і скручування) за критерій прогартовуваності приймається мартенситна структура на глибину, яка дорівнює половині радіуса деталі. Таким чином, для конструктора, який вибирає матеріал для тієї чи іншої деталі, важливим є значення характеристик прогартовуваності і вміння їх визначити. За глибину прогартовуваності умовно приймають відстань від охолоджуваної поверхні до шару з напівмартенситною структурою (50 % мартенситу + 50 % троститу). Глибину прогартовуваності визначають вимірюючи твердість і користуючись довідниковими даними про твердість сталей різного складу. Для визначення прогартовуваності сталей використовують стандартний метод торцового гартування. Стандартний зразок довжиною 100 мм і діаметром 25 мм розігрітий до температури гартування в спеціальній установці піддають охолодженню з торца водою. В охолодженому зразку з двох боків по його довжині роблять лиски (плоскі поверхні) на глибину 0,5 мм (рис. 4.3 а). по довжині цих поверхонь через 1,5 – 3 мм вимірюють твердість по шкалі HRC/ На базі цих даних будують криву прогартовуваності в координатах „твердість – відстань від торца” (рис. 4.3 б). Оскільки для сталей з однієї і тієї ж марки, але отриманих з різних плавок, величина прогартовуваності може змінюватись, то сталі характеризуються полосою прогартовуваності.

За критичний діаметр вважають такий максимальний діаметр стального зразка, який в даному охолоджуючому середовищі отримує прогартовуваність наскрізь і в центрі якого утворюється напівмартенситна структура.

На рис. 4.4 показана глибина прогартовуваності (не заштрихована зона) при гартуванні у маслі (а) і воді (б) зразків різного діаметру. Показаний розподіл загартованої і незагартованої зон свідчить про те, що для кожного охолоджуючого середовища існує максимальний перетин, який прогартовується наскрізь – Dкр. Для прикладу показано на рис. 4.4 б, що Dкр у воді більший, ніж Dкр у маслі.

Критичний діаметр можливо визначити експериментально. Для цього загартовують циліндричні зразки різних діаметрів і вимірюють твердість по перетину. Порівнюючи їх між собою, визначають найбільший наскрізний, який і є критичним. Такий метод досить трудомісткий і дорогий, оскільки пов’язаний з розрізанням досить твердої загартованої сталі.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63911. Трансформация морали в повседневной жизни 51 KB
  В данной статье мы рассмотрим как проходит трансформация морали в повседневной жизни. А кто создал все эти моральные нормы Нам навязало это общество или мы считаем что делать правильно именно так и не иначе исходя из своих собственных внутренних побуждений...
63912. «Одиночество в сети». Хикикомори в современном мире 52.5 KB
  Не выходи из комнаты не совершай ошибку. Это сокращение от Хикикомори японского термина впервые употреблённого психологом Тамаки Сайто в начале 90х годов прошлого века. Большинство хикикомори юноши. Самоизоляция демонстрируемая хикикомори является частым симптомом у людей страдающих от депрессии...
63913. Скрытая реклама как уникальная технология управления потребительским поведением в трансформирующемся обществе 42.5 KB
  Скрытая реклама как уникальная технология управления потребительским поведением в трансформирующемся обществе Наше общество общество потребления. Именно для такой удачной презентации товаров в обществе тотального потребления и существует реклама.
63914. Моральные и правовые трансформации общественного сознания на примере Беби-боксов 53 KB
  В переходный период углубляющийся кризис духовного мира личности сопровождающийся деформацией индивидуального сознания ценностной переориентацией личности столкновением сложившихся стереотипов с реалиями жизни требует переосмысления многих теоретических представлений о соотношении...
63915. Идолопоклонство в современном мире 37.27 KB
  Можно заметить и рост фанатизма и зависимости от различных обожествленных объектов и их проникновение в повседневную обыденную жизнь и также большее количество людей которые пребывают под влиянием идолов. Появление организованных религий привело к усилению религиозной власти над мирской...
63917. Различия в социально-психологической адаптации городской и сельской молодежи в период учебной деятельности в ВУЗе 47.5 KB
  Самой главной опасностью по признанию самих студентов является незнакомая среда в которой приезжий студент предоставлен сам себе. В студенческих общежитиях где проживает большинство приезжих студентов у ребят может отсутствовать место где они могут спокойно подготовиться к занятиям.
63918. Трансформация коммуникативных практик в контексте социокультурных изменений (на примере посткризисного региона Чечня) 76.5 KB
  Между тем изучение коммуникации посткризисного региона может помочь не только вникнуть в суть самого кризиса но и проникнуть в психологию общества ведь каждый человек и общество в целом отражает в коммуникации свое видение вещей. На сегодняшний день не существует ясности...
63919. Социальная солидарность и социальное отчуждение в перспективе общественного воспроизводства 69 KB
  Человек не способный понимать всего социально-экономического значения взаимной солидарности никогда не будет истинно свободным истинно честным и истинно благородным человеком. Такие понятия как социальная солидарность и социальное отчуждение достаточно знакомы нашему обществу...