Презентация, доклад по материаловедению на тему: Термическая обработка материалов

нагреве и охлаждении;



ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ИХ СУЩНОСТЬ И НАЗНАЧЕНИЕ;


РЕЖИМЫ ТЕРМООБРАБОТКИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ.

ТЕМА УРОКА: « ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ»

свойства металлов и сплавов.

ТЕРМООБРАБОТКА

РЕЖИМЫ ТЕРМООБРАБОТКИ:

температура нагрева;
скорость нагрева;
длительность выдержки;
скорость охлаждения.

структурных составляющих сталей от температуры: аустенита (FA), мартенсита (FM), перлита (FП)

нагреве выше критической температуры А1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.
2. Превращение аустенита в перлит, происходит при охлаждении ниже А1, минимальной свободной энергией обладает перлит
3. Превращение аустенита в мартенсит, происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия
4. Превращение мартенсита в перлит – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

параметры а и с решетки мартенсита (б)

превращения от содержания углерода в стали

такая структура выглядит как игольчатая. Образуясь мгновенно пластины растут либо до границы зерна аустенита, либо до дефекта. Следующие пластины расположены к первым под углами 60 o или 120 o, их размеры ограничены участками между первыми пластинами

конец преобразования перлита в аустенит; 3 - полное растворение цементита.

Механизм превращения перлита в аустенит

нормализации (4)

нагрева);
характер среды, где осуществляется нагрев и ее влияние на материал стали;
условия охлаждения.

СН4);
обезуглероживающее (О2, Н2);
науглероживающее (СО, СН4);
нейтральное (N2, инертные газы).

Применительно к углеродистым сталям отжиг для снятия напряжений производится при 400-600 °С. Рекристаллизационный отжиг осуществляется при 680-700 °С, т.е. ниже превращения Ас1. Гомогенизационный отжиг для устранения дендритной ликвации в литой стали производится в аустенитной области при температуре 1100-1200 °С в течение 10 – 20 ч. За это время в металле может заметно вырасти аустенитное зерно, что приводит к пониженным механическим свойствам. Поэтому после гомогенизационного отжига сталь всегда подвергают отжигу второго рода - фазовой перекристаллизации с целью измельчения аустенитного зерна.
Для отжига с полной фазовой перекристаллизацией стали (отжига второго рода) необходимо выполнить два условия.
Во-первых, необходимо нагреть сталь до такой температуры, при которой она находится в аустенитном состоянии, и выдержать при этой температуре до полной аустенизации. Из-за очень сильного развитой поверхности кристаллов феррита и цементита количество зародышей аустенита столь велико, что сразу же по окончании фазового превращения выше Ас3 сталь имеет мелкозернистое строение. Однако зерна аустенита могут быстро укрупняться. Одна из причин этого заключается в том, что превращение феррит – аустенит происходит с уменьшением объема на 1 %, которое вызывает пластическую деформацию. Пластическая деформация обуславливает рост зерна в твердом металле. Температура нагрева должна быть выше точки Ас3 для доэвтектоидной стали и выше Асm для заэвтектоидной.
Во-вторых, необходимо охладить сталь с относительно небольшой скоростью, чтобы произошло фазовое превращение с образованием из аустенита феррито-цементитной смеси. Для обсуждения явлений, происходящих в структуре сталей при отжиге второго рода и при закалке, необходимо обратиться к диаграмме изотермического распада аустенита.

– уменьшение дендритной (внутрикристаллической) ликвации. Температура нагрева 1100-1200 ̊ С

Рекристаллизационный отжиг
Цель – устранение наклепа, созданного холодной пластической деформацией. Нагрев производится выше температурного порога рекристаллизации (до 600-720 ̊ С)

Отжиг для уменьшения внутренних напряжений
Нагрев до 450 - 650 ̊ С

равновесной мелкозернистой структуры;
улучшает обрабатываемость заготовок давлением и резанием;
исправляет структуру сварных швов, перегретой при обработке давлением и литье стали;
подготовливает структуру к последующей термической обработке.

этой температуре и быстрое
охлаждение.

Нагрев заэвтектоидной стали
выше АС1 на 30-50оС, выдержка
при этой температуре и быстрое
охлаждение.

аустенита с образованием феррита и цементита – диффузионный процесс, связанный с перераспределением углерода, т.е. с диффузионным перемещением атомов на значительные расстояния, на много превышающие период решетки аустенита. При охлаждении углеродистой стали с достаточно большой скоростью, например в холодной воде (сотни градусов в секунду), аустенит настолько сильно переохлаждается ниже 727 °С, что не распадается на смесь двух стабильных фаз, т.к. подвижность атомов при сильном переохлаждении слишком мала.
При больших переохлаждениях в условиях малой подвижности атомов происходит бездиффузионное полиморфное превращение g ® a : аустенит - раствор внедрения углерода в g -Fe с ГЦК решеткой превращается в мартенсит – раствор внедрения углерода в a -Fe. Мартенсит - совершенно новая, метастабильная фаза. Он появляется в переохлажденном аустените при 230 °С.
Изотермическая закалка осуществляется по режиму 7 на рис. 1. Ее также проводят в соляной ванне, имеющей температуру 250-300 ° С. Изотермическая закалка позволяет получать сталь с меньшей твердостью, чем после обычной закалки, но с большей вязкостью.
Закалка с самоотпуском заключается в том, что изделие извлекают из охлаждающей среды прежде, чем температура в средних слоях достигла 400-500 °С. Наружные слои в это время успевают охладиться до 150-200 °С. В извлеченном из охлаждающей среды изделии за счет тепла центральных слоев наружные слои, где успел появиться мартенсит, прогреваются до 300-400 °С и в них происходит отпуск мартенсита. В результате изделие приобретает твердую корку с вязкой сердцевиной. Для закалки с самоотпуском решающее значение имеет определение температуры поверхности по цветам побежалости, появляющимся на чистой поверхность из-за возникновения слоя окислов разной толщины. Желтый цвет соответствует 220-240, оранжевый 240-260, красно-фиолетовый 260-280, синий 280-300 °С.

мм и соответствующего охлаждения. Нагрев осуществляется в индукторе токами высокой частоты. Таким образом обрабатывают шейки стальных коленчатых валов, шестерни. Нагрев поверхности больших изделий ( прокатных валов, крупных валов) осуществляется с помощью газовых или керосиновых горелок. Поверхностная закалка позволяет получить структуру мартенсита в поверхностном слое до 2-4 мм. Структура свойства сердцевины изделия при этом не меняются, они определяются предварительной общей термообработкой всего изделия.
Обработка холодом была предложена А.П. Гуляевым. По рис. 1 видно, что окончание мартенситного превращения происходит при -80 °С. Следовательно, при обычном охлаждении до комнатной температуры в структуре остается некоторое количество аустенита. Это значит, что не достигается наибольшее возможное значение твердости. Кроме того, остаточный аустенит с течением времени может постепенно превращаться в бейнит. Из-за этого возможно изменение размеров готовых изделий. Следовательно, для ответственных деталей прецизионного оборудования, шарикоподшипников, высокоточного мерительного инструмента и т.п. желательно наиболее полно перевести аустенит в мартенсит. Это достигается охлаждением до температуры Мк. Важно, чтобы охлаждение после обычной закалки происходило как можно быстрее, иначе сохранившийся аустенит становится устойчивым и не столь полно превращается в мартенсит.

охлаждение стали производят после нагрева её до температур, лежащих выше линии GSE. При этом сталь полностью переводится в аустенитное состояние.
Неполную при которой (главным образом инструментальных сталей) металл нагревают до температур выше линии PSK; после охлаждения в структуре могут сохраняться нерастворившиеся при нагреве т. н. избыточные фазы (феррит или цементит и более сложные карбиды)

температур выше линии GSE или выше PSK, затем быстро охлаждают до температур ниже линии PSK и дают изотермическую выдержку, при которой происходит превращение аустенита в др. структуры (перлит, бейнит);
При ступенчатой закалке охлаждение с большой скоростью производят до температуры, несколько превышающей температуру мартенситного превращения, и дают выдержку, необходимую для выравнивания этой температуры по всей толщине изделия, а затем охлаждение ведут медленно до образования в структуре мартенсита.
Внешние факторы, главным образом закалочная среда (вода, масло, расплавленная соль) и давление, также определяют результаты закалки.

или прерывистая (V2).
3. Ступенчатая закалка (V3).
4. Изотермическая закалка (V4). 5. Закалка с самоотпуском.

250 - 20 С

–
троостит отпуска
Твердость снижается,
повышается вязкость
и пластичность.
450-500 НВ

Высокий отпуск

500-650 оС
Структура –
сорбит отпуска
Твердость снижается,
повышается вязкость
и пластичность.
300 НВ

состоянии сталь слишком тверда и хрупка.
При отпуске закаленную на мартенсит сталь нагревают до температуры ниже 727 ° С. Основное превращение при отпуске стали – распад мартенсита. Выделение карбида из пересыщенного раствора и уменьшение концентрации углерода до равновесной концентрации феррите происходит при нагревании закаленной стали до 400 ° С. (При нагреве до 100 °С происходит собирание атомов углерода в отдельных участках решетки мартенсита. Затем в интервале 100-200 °С наблюдается образование промежуточного карбида железа, отличного от устойчивого карбида Fe3C. При 150-250 °С тетрагональная ячейка мартенсита становится кубической. Выше 200 ° С начинается образование частиц Fe3C, которые затем постепенно укрупняются и сфероидизируются. Остаточный аустенит интенсивно распадается при 200-300 ° С на феррит и промежуточные карбиды. После нагрева ниже 300 ° С видимых изменений структуры не наблюдается. Отпуск при 300-450 ° С приводит к исчезновению мартенсита и появлению игольчатого троостита, в котором полностью обособляются частицы цементита. Выше 400 °С наблюдается укрупнение частиц цементита. Карбид образуется в пределах исходных мартенситных игл. Поэтому микроструктура отпущенной стали сохраняет игольчатый характер и похожа на мартенсит. Этим двухфазная феррито-карбидная смесь, получающаяся при распаде мартенсита, отличается от феррито-цементитной смеси, образующийся при распаде переохлажденного аустенита. Нагрев до 500-600 °С приводит к образованию сорбита отпуска, в котором частицы цементита приобретают округлую форму и размер около 0,1 мкм. При нагреве до 650-700 ° С возникает перлит отпуска с глобулярными частицами цементита размером около 0,5 мкм. Перечисленные изменения структуры сопровождаются соответствующими изменениями механических свойств.

она отличается от мартенсита закалки большей травимостью из-за дисперсных выделений карбида. После отпуска в интервале 300 – 450 °С обнаруживается особенно сильно травящаяся игольчатая структура, которую называют трооститом отпуска. Сильная травимость троостита отпуска обусловлена высокой дисперсностью этой двухфазной смеси. При отпуске в интервале 450 – 650 °С получается сорбит отпуска. Цементит в нем находится в виде сферических частиц (в отличие от пластинчатого цементита, образующегося при распаде переохлажденного аустенита при нормализации стали). Двухфазное строение сорбита отпуска отчетливо выявляется при небольших увеличениях.
На практике применяют низкотемпературный, среднетемпературный и высокий отпуски. Низкотемпературный отпуск осуществляется при 150 – 250 °С в течение 1 – 2 ч. Такой отпуск иногда вызывает прирост твердости на HRC 1-2 в результате распада остаточного аустенита. Низкотемпературный отпуск применяют для инструментальных сталей, изделий после цементации и поверхностной закалки. Среднему отпуску при 350 – 400 °С подвергают пружинную и рессорную сталь и получают структуру троостита с твердостью HRC 40-45 при достаточной вязкости. Высокий отпуск проводят при 450 – 650 ° С. В этом случае при соответствующей выдержке в структуре образуется зернистый сорбит в отличие от пластинчатого сорбита, получаемого при нормализации. Стали со структурой зернистого сорбита имеют значительно большую ударную вязкость, чем стали с пластинчатым сорбитом. Поэтому высокий отпуск после закалки проводят для деталей, испытывающих при работе знакопеременные и ударные нагрузки. Закалку с высоким отпуском называют также улучшением.