Методы упрочнения материалов

    Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты[1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.   Основы теории термической обработки.

Термическая (тепловая) обработка  состоит в изменении структуры  металлов и сплавов путем нагревания их и последующего охлаждения с той  или иной скоростью; при этом достигаются  существенные изменения свойств при том же химическом составе сплава.

Рис. 1. Диаграммы состояния  системы Fe – Fe3C

Термическая обработка стали  и чугуна основана на явлениях вторичной  кристаллизации применительно к  линиям (см. рис.1) GOS(A₃), SE(A_ст) и РК (А₁).

Изменения структуры  при разных скоростях охлаждения аустенита.

При медленном охлаждении эвтектоидной стали по линии РК (в точке Ar₁) произойдет полное распадение аустенита с образованием перлита. Распадение состоит из следующих этапов:

1)   превращение g-железа в a-железо, т.е. перегруппировка атомов из решетки гранецентрированного куба g-железа в решетку центрированного куба a-железа с одновременным смещением атомов углерода, находящихся в твердом растворе g-железа;

2)   выделение из твердого раствора (аустенита) мельчайших частиц цементита (Fe₃C);

3)   укрупнение частиц цементита в пластинки, размеры которых измеряются от малых долей микрона до нескольких микронов, и более или менее полное распадение аустенита.

При ускорении охлаждения до 50 град/сек распадение аустенита не успевает закончиться, размеры пластинок цементита достигают лишь десятых долей микрона и различимы только при очень больших увеличениях. Такая структура называется сорбитом (в честь Г.В. Сорби – английского естествоиспытателя).

При ускорении охлаждения до 100 град/сек полностью успевает завершиться лишь второй этап распадения аустенита, а третий этап останавливается в самом начале. В результате размеры пластинок цементита измеряются стотысячными и миллионными долями миллиметра. Такая структура носит название троостита (по имени Л. Трооста – французского химика). Наличие тончайших пластинок цементита можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.

Рис. 2. Зависимость положения  критических точек эвтектоиднной стали от скорости охлаждения.

При скорости охлаждения 150-200 град/сек успевает завершиться лишь перегруппировка атомов железа, поэтому углерод остается в виде твердого раствора в a-железе. Эта структура называется мартенситом (в честь А. Мартенса – немецкого металловеда).

Подводя итог сказанному, заметим, что перлит, сорбит и троостит по структуре представляют собой двухфазную смесь (феррита и цементита) и  отличаются друг от друга дисперсностью  цементита; мартенсит же однофазен, это твердый раствор углерода в a-железе.

Структура перлита, получающаяся при медленном охлаждении сплавов, называетсяравновесной, как и другие структуры. В отличие от равновесной, структуры сорбита, троостита и мартенсита, получающиеся при ускоренных охлаждениях, называютсянеравновесными.

Сдвиг критических  точек при охлаждении.

Увеличение скорости охлаждения вызывает понижение критических  точек (по отношению к их положению  на диаграмме равновесия, см. рис. 66). Сдвиг температур увеличивается  с ускорением охлаждения, что видно  на рис. 2. Кривая A’r показывает, что переохлаждение аустенита растет при ускорении охлаждения.

При медленном охлаждении переохлаждение невелико (верхние точки  кривой A’r), и структура стали остается перлитной. Пластинки цементита в перлите тем меньше, чем больше скорость охлаждения, и при дальнейшем ускорении охлаждения структура все больше приближается к сорбиту. При скорости охлаждения, необходимой для получения структуры сорбита (»50 град/сек), аустенит переохлаждается более чем на 100° и фазовое превращение его в сорбит произойдет при температуре около 600° (точка C на кривойA’r). Превращение в троостит произойдет при переохлаждении аустенита на »180° (точкаТ).

Скорость охлаждения V₁ (150 град/сек) соответствует началу появления мартенсита в структуре стали. Часть линии A”r, характеризующая превращение “аустенит - мартенсит”, - прямая. Это указывает на постоянство температуры при превращении (около 240° для эвтектоидной стали) независимо от дальнейшего увеличения скорости охлаждения.

Таким образом, кривая A’r характеризует распадение аустенита на две фазы: феррит и цементит, а отрезок A”r – переход аустенита в мартенсит. При скоростях охлаждения V₁до V₂ охлажденная сталь содержит троостит и мартенсит (превращение происходит согласно линии A’r и линии A”r). При скоростях охлаждения, превышающих V₂ (ниже линии A”r), наряду с мартенситом будет немного остаточного (не распавшегося) аустенита.

Изотермическое  распадение аустенита.

Рис. 3. Диаграмма изотермического  распадения аустенита эвтектоидной стали

Наблюдениями установлено, что и скорость, и характер распадения аустенита зависят от степени  его переохлаждения.

На рис.3 приведена диаграмма  изотермического распадения аустенита  эвтектоидной углеродистой стали. Диаграмма построена в координатах “Температура – логарифм времени” (время откладывается на абсциссе по логарифмической шкале), что дает возможность проследить за временем превращения от долей секунды до суток и более.

Предположим для простоты, что за время 0,5 сек удается охладить образец из состояния аустенита до любой температуры: от точки Ar₁ до 0° и ниже. Охлаждая образец до 700° и выдерживая его при этой температуре, заметим, что в течение времени до точки _H1 в аустените никаких превращений не происходит. Со времени, соответствующего точке _H1, начинается распадение аустенита. Период времени до точки H1 называется инкубационным периодом. Распадение аустенита заканчивается полностью ко времени точки _К1, когда аустенит перешел в перлит. Скорость дальнейшего охлаждения не влияет на структуру образца, поэтому за точкой _К1 линия обрывается.

Наблюдая за образцом, охлажденным  из состояния аустенита до температуры 650° и нанося на диаграмму точки  начала _H2 и конца _K2 распадения аустенита, заметим, что как инкубационный период, так и период распада аустенита уменьшились, а в результате распада получился сорбит.

Для образца, охлажденного до температуры около 500°, получим на диаграмме соответственно точки _Н3 и _К3 распадения аустенита, а структура стали будет представлять троостит. При увеличении  количества подобных опытов определится ряд точек начала и окончания превращения аустенита. Соединяя эти точки, получим две кривые превращения аустенита; кривую I – начала превращения при разных температурах и кривуюII – конца превращения при тех же температурах.

При охлаждении образцов со скоростью выше критической при  температуре 240° (линияM_Н) начинается превращение аустенита в мартенсит; превращение всего аустенита в мартенсит происходит только при дальнейшем понижении температуры, и окончание этого превращения для эвтектоидной углеродистой стали наступит лишь при температуре -50°.

Рассмотрев диаграмму (рис. 3), отметим в итоге следующее. Верхняя часть диаграммы характеризует  изотермическое распадение аустенита  в смесь феррита и цементита. Левее кривой I находится поле, отвечающее переохлажденному аустениту, область между кривымиI и II определяет время распада переохлажденного аустенита, правее кривой II находится полле продуктов распада аустенита: перлита, сорбита и троостита. Инкубационный период распада аустенита изменяется в зависимости от степени переохлаждения последнего: сначала уменьшается до некоторой критической величины, а затем вновь увеличивается. Этот период для каждой температуры определяется абсциссой кривой I – начала распадения аустенита. Кривая II показывает, что длительность превращения также зависит от температуры переохлаждения. Прямая M_н является границей между верхней и нижней частями диаграммы. Эта прямая характеризует начало мартенситного превращения аустенита и соответствует прямому участку кривой A”r (см. рис. 2).

Нижняя часть диаграммы  показывает, что для перевода всего  остаточного аустенита в мартенсит  необходимо понижать температуру стали  до линии M_к (конец  мартенситного превращения). Кривые изотермического распадения аустенита имеют форму буквы С и называют С-образными кривыми. Форма этих кривых установлена профессором С.С. Штейнбергом и другими советскими учеными.

Для доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей С-образные кривые смещениы влево по сравнению с кривыми эвтектоидной стали; прямые М_к и М_к для первой расположены выше, а для второй – ниже, чем для эвтектоидной стали.

Свойства стали  со структурой мартенсита, троостита, сорбита или перлита.

Рассмотрим сначала свойства структур эвтектоидной стали.

Рис. 4. Диаграмма изменения  механических свойств эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита

Мартенсит – самая твердая и самая хрупкая структура.

Твердость мартенсита HB=600-650 (HRC=62-66), а пластические свойства при  растяжении (d и y) и ударная вязкость (а_н) близки к нулю. Плотность мартенсита меньше, чем плотность других структур, и составляет 7,75 г/см³. В связи с увеличением объема стали при мартенситном превращении возникают напряжения, особенно при неравномерном охлаждении детали. Мартенсит магнитен и обладает наибольшей способностью сохранять в себе остаточный магнетизм, поэтому заготовки магнитов заливают в мартенсит.

Тростит и сорбит – промежуточные  структуры между перлитом и мартенситом, поэтому их свойства будут средними между свойствами перлита и мартенсита. На рис. 4 приведены кривые изменения  твердости HB, предела прочности s_в и относительного удлинения d эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита.

Свойства структур неэвтактоидной стали отличаются от свойств тех же структур эвтектоидной стали в зависимости от содержания углерода, однако характер изменения свойств структур от перлита до мартенсита тот же, что и у эвтектоидной стали.

Изучив вопросы теории термической обработки стали, познакомимся с ее видами: отжигом и нормализацией, закалкой и отпуском.

2.   Отжиг и нормализация.

После отливки, прокатки и  ковки стальные заготовки охлаждаются неравномерно результатом чего является неоднородность структуры и свойств в различных местах заготовок, а также появление внутренних напряжений. Кроме того, при затвердевании отливки получаются неоднородными по составу вследствие ликвации.

Отжиг.

Отжигом называют нагревание и медленное охлаждение стали. Академик А.А. Бочвар дал определение структуры из неравновесного состояния в более равновесное (возврат, или отдых, рекристаллизационный отжиг, или рекристаллизация, отжиг для снятия внутренних напряжений и диффузионный отжиг, или гомогенизация); отжиг второго рода – изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур; к отжигу второго рода относится полный, неполный и изотермический отжиги.

Ниже рассмотрены перечисленные  виды отжига применительно к стали.

Возврат (отдых) стали – нагрев до 200 – 400°, для уменьшения или снятия наклепа. При возврате наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решетках у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств.

Рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация) стали происходит при температурах 500 – 550°; отжиг для снятия внутренних напряжений – при температурах 600 – 700°. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения в отливках от неравномерного охлаждения их частей, а также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) при температурах ниже критических. При рекристаллизационном отжиге из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, в результате твердость стали снижается, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются. Для полного снятия внутренних напряжений в стали нужна температура не менее 600°.

Охлаждение после выдержки при заданной  температуре должно быть достаточно медленным: при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.

Диффузионный  отжиг применяется в тех случаях, когда в стали наблюдается внутрикристаллическая ликвация. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. В результате сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией.

Температура гомогенизации  должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога и оплавления зерен. При пережоге кислород воздуха  окисляет железо, проникая в толщу  его, образуются кристаллиты, разобщенные  окисными оболочками. Пережог в металле  устранить нельзя, поэтому пережженные  заготовки являются окончательным  браком.

При диффузионном отжиге обычно зерна слишком укрупняются, что  следует исправлять последующим  полным отжигом (на мелкое зерно).

Полный отжиг связан с фазовой перекристаллизацией и измельчением зерна при температурах точек А_С1 и А_С2. Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры в готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50° выше температуры линии GSK и медленно охлаждают.