Металловедение и сварка

I Термическая обработка, её суть и назначение. Факторы, которые влияют на результаты термической обработки. Классификация видов термической обработки.

Отжиг I рода - это термообработка, которая устраняет  частично (или полностью) всякого  рода неоднородности и неравновесности, которые были внесены в металл при предшествующих операциях ( мех. обработка , обработка давлением , литье , сварка ).

В зависимости  от исходного состояния стали  отжиг может включать процессы гомогенизации , рекристаллизации и снятия остаточных напряжений. Эти процессы происходят независимо от того , протекают ли в сплавах при такой обработке фазовые превращения или нет . Поэтому отжиг I рода можно проводить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений . 

2.Гомогенизационный отжиг.

Основной  целью гомогенизационного отжига являются - устранение последствий дендритной или внутрикристаллитной ликвации , которая может привести к :

1.Снижению  пластичности , за счет выделения  неравновесных хрупких фаз.

2.Уменьшению  коррозионной стойкости и развитии электрохимической коррозии

внутри сплава.

3.Анизотропии  мех. свойств.

4.Снижению  температуры солидуса.

5.Уменьшению  температуры плавления , из-за  которого происходит оплавление  дендритов при дальнейшей обработке.

6.Отсутствию  стабильности свойств.

Физико-химической основой гомогенизационного отжига является диффузия в твердом состоянии , по этому отжиг желательно проводить  при более высоких температурах , чтобы диффузионные процессы , необходимые  для выравнивания состава стали , проходили более полно.

Температура нагрева под отжиг колеблется в пределах (0.85-0.90)Tпл .

Выдержка  будет определяться природой ликвирующих  элементов. Так как гомогенизация  интенсивно протекает в начальный  период отжига ( по мере выравнивания состава  сплава градиент концентрации dC/dX уменьшается ) , то большие времена выдержки не применяются. Однако для некоторых металлов это время составляет десятки или сотни часов.

Для уменьшения времени отжига нужно 

1. Увеличить  температуру

2. Изменить dC/dX , а для этого нужно изменить условия кристаллизации.

3. Загрузить  в печь уже нагретые слитки.

Гомогенизирующий  отжиг может вызвать ряд негативных побочных явлений:

1. Рост зерна  аустенита,следовательно ухудшение  мех. свойств .

2. Вторичная  пористость и неоднородность  . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Коагуляция  избыточных фаз.

Поэтому гомогенизирующий отжиг является предварительной  обработкой , после которой поводят  полный отжиг, или обработку давлением , или отпуск при 670-680 градусах ,или нормализацию.

Для устранения неоднородностей , вызванных холодной пластической деформацией применяют дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиг

При холодной деформации происходит:

1.Изменение  формы и размеров кристаллов

2.Накопление  в металле большого количества  избыточной энергии ,что в конечном итоге приводит к росту напряжений 1 и 2 родов.

Из-за этого : уменьшаются пластические характеристики, появляется анизотропия механических свойств, увеличивается электросопротивление и уменьшается коррозионная стойкость.

Все это можно  попытаться устранить отжигом.

Дорекристаллизационный  отжиг бывает смягчающим и упрочняющим.

Смягчающий  отжиг используют для повышения  пластичности при частичном сохранении деформационного упрочнения. Чаще всего  его применяют в качестве окончательной  операции , придающей изделию требуемое сочетание прочности и пластичности. Кроме того , можно уменьшить остаточные напряжения ,стабилизировать свойства и повысить стойкость к коррозии. Для выбора режима дорекристаллизационного смягчающего отжига необходимо знать температуру начала рекристаллизации, при данной степени деформации.

Дорекристаллизационный  упрочняющий отжиг применяют  для повышения упругих свойств  пружин и мембран. Оптимальную температуру подбирают опытным путем.

Рекристаллизационный  отжиг используют в промышленности как предварительную операцию перед холодной обработкой давлением, для придания материалу наибольшей пластичности; как промежуточный процесс между операциями холодногодеформирования, для снятия наклепа ; и как окончательную термообработку, для придания материалу необходимых свойств.

При выборе режима отжига нужно избегать получения  очень крупного зерна и разнозернистости. Скорость нагрева чаще всего не имеет значения. 

2.Отжиг, уменьшающий напряжения.

При обработке  давлением, литье, сварке, термообработке в изделиях могут возникать внутренние напряжения. В большинстве случаев, они полностью или частично сохраняются в металле после окончания технологического процесса. Поэтому основная цель отжига - полная или частичная релаксация остаточных напряжений.

Причинами возникновения остаточных напряжений являются неодинаковая пластическая деформация или разное изменение удельного объема в различных точках тела, из-за наличия градиента температур по сечению тела.

Напряжения  при отжиге уменьшаются двумя путями: вследствии пластической деформации в условиях когда эти напряжения превысят предел текучести и в результате ползучести при напряжениях меньше предела текучести.

Продолжительность отжига устанавливают опытным путем. Определенной температуре отжига в каждом конкретном изделии соответствует свой конечный уровень остаточных напряжений, по достижении которого увеличивать продолжительность отжига практически бесполезно.

Температуру подбирают обычно несколько ниже критической точки Ас1 .

Скорости  нагрева и особенно охлаждения при отжиге должны быть небольшими, чтобы не возникли новые внутренние термические напряжения.

Использование отжига лимитируется теми нежелательными структурными и фазовыми изменениями , которые могут произойти при  нагреве. Поэтому приходится либо мириться с недостаточно полным снятием остаточных напряжений при низких температурах ,либо идти на компромис, достигая более полного снятия напряжений при некотором ухудшении механических и других свойств. 

3.Факторы,влияющие на перлитно-аустенитное превращение.

превращению и растворению в образовавшемся аустените цементита. Из этого вытекают факторы ,влияющие на перлитно-аустенитное превращение.

При повышении  температуры превращение перлита  в аустенит резко ускоряется. Это  объясняется , с одной стороны ,ускорением диффузионных процессов, а с другой - увеличением градиента концентрации в аустените.

Скорость  превращения будет зависеть и  от исходного состояния ферритно-цементитной  структуры. Чем тоньше структура ,тем  больше возникает зародышей аустенита  и быстрее протекает процесс аустенизации. Предварительная сфероидизация цементита замедляет прцесс образования аустенита.

Чем больше в  стали углерода , тем быстрее протекает  аустенизация, что объясняется увеличением количества цементита, и ростом суммарной поверхности раздела феррита и цементита.

Введение  в сталь хрома, молибдена, вольфрама ,ванадия и других карбидообразующих элементов задерживает аустенизацию из-за образования легированного цементита или трудно растворимых в аустените карбидов легирующих элементов.

Чем больше скорость нагрева ,тем выше температура ,при  которой происходит превращение  перлита в аустенит , а продолжительность  превращения меньше. 

4.Влияние величины зерна аустенита на свойства стали.

Чем мельче зерно ,тем выше прочность ( (в ,(0.2) ,пластичность(( , ( ) и вязкость и ниже порог хладноломкости( t ). Уменьшая размер зерна аустенита, можно компенсировать отрицательное влияние других механизмов на порог хладноломкости. Чем мельче зерно , тем выше предел выносливости. Поэтому все методы , вызывающие измельчение зерна аустенита повышают конструктивную прочность стали. Крупное зерно нужно только в трансформаторных сталях , чтобы улучшить их магнитные свойства. При укрупнении зерна до 10-15 мкм трещиностойкость уменьшается , а при дальнейшем росте зерна - возрастает. Это может быть связано с очищением границ зерна аустенита от вредных примесей благодаря большему их расворению в объеме зерна при высокотемпературном нагреве. 

5.Изотермический распад переохлажденного аустенита .

Если сталь  со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше Ас3 -для доэвтектоидной стали или выше Асm - для заэвтектоидной, переохладить до температуры ниже Аr1 , то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение .

Рассмотрим кинетику этого процесса ( см. рис. 1)

Вначале объем  новой составляющей , испытавший превращение , растет с ускорением, а к концу  превращения прибыль этого объема резко замедляется .Это объясняется  тем , что в начальный период образуется лишь небольшое количество центров превращения с малой поверхностью новой структурной составляющей ; по мере изотермической выдержки число центров возрастает , увеличиваются размеры новой составляющей , но вскоре наступает замедление процесса из-за того , что растущие кристаллы соприкасаются между собой и в местах стыка рост их прекращается , т.е. поверхность фронта превращения уменьшается .

Период о-а  называется инкубационным периодом. В инкубационный период количество образовавшихся новых кристаллов настолько  мало , что превращение не фиксируется обычными методами исследования . Конец инкубационного периода - точка а на рис. 1 - фиксируемое данным методом начало превращения .

По истечении  этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более  стабильных структур .Скорость распада сначала быстро увеличивается , а потом постепенно убывает . Через какое-то время процесс полностью заканчивается ( точка в ) на рис. 1 .

Строя такие  кривые при различных температурах можно получить диаграмму изотермического  превращения переохлажденного аустенита , см. рис. 2 .

Для этого  нужно отрезки времени , соответствующие  началу ( точки а ) и концу ( точки  в ) распада аустенита или какой - то степени превращения для каждой из исследуемых температур перенести  на график температура - время , и одноименные точки соединить плавными кривыми . На диаграмме кривая 1 соответствует началу превращения , а кривая 2 характеризует конец превращения . 

6.Построение термокинетической диаграммы .

Термокинетические диаграммы используются для разработки технологии термической обработки . По этим диаграммам можно получить данные о температурных интервалах протекания фазовых превращений при непрерывном охлаждении и об образующихся при этом структурных составляющих .

Существует  два способа построения таких диаграмм.

1 способ. При  непрерывном охлаждении образцов  фиксируем их температуру осциллографом  .Можно измерять какую-либо характеристику  образца в процессе его охлаждения ( например , его длину при дилатометрическом  методе ) и по отклонению этой  характеристики от плавного изменения определить начало превращения .

2 способ . Охлаждаем  серии образцов по одинаковому  режиму , которые в разные моменты  времени закаливаем в воде , а  затем исследуем их структуру  или свойства ,определяя по ним  начало и конец превращения или степень оного ,при одном режиме непрерывного охлаждения .

Если исследуем  фазовые превращения при распаде  переохлажденного аустенита , то термокинетическую  диаграмму строим в координатах  температура - время на основе анализа  серии кривых охлаждения , на которых отмечаем температуры начала и конца перлитного и промежуточного превращений и соответственно области этих превращений .

Из этих диаграмм можно увидеть , что при малых  скоростях охлаждения в углеродистых сталях протекает только перлитный  распад аустенита с образованием феррито-цементитной структуры с различной степенью дисперсности - перлит , сорбит , троостит .При высоких скоростях охлаждения - выше Vк - перлитный распад аустенита подавляется и аустенит претерпевает только мартенситное превращение .В легированных сталях существует и область промежуточного превращения , в которой аустенит претерпевает распад с образованием бейнита . 

7.Отжиг II рода.

Отжиг второго  рода - это термообработка , которая  заключается в нагреве стали  до температур выше точек Ас3 или Ас1 ,выдержке и последующем охлаждении. В результате мы получаем почти равновесное структурное состояние стали; в доэвтектоидных сталях - феррит + перлит , в эвтектоидных - перлит и в заэвтектоидных - перлит + вторичный цементит .

После отжига получаем : мелкое зерно, частично или полностью устраненные строчечность , видманштеттову структуру и другие неблагоприятные структуры .

Сталь получается снизкой прочностью и твердостью при достаточном уровне пластичности.

В промышленности отжиг II рода часто используется в качестве подготовительной и окончательной обработки.

Разновидности отжига II рода различаются способами  охлаждения и степенью переохлаждения аустенита , а так же положением температур нагрева относительно критических  точек .

7.1 Полный отжиг.

Основные  цели полного отжига - устранение пороков  структуры , возникших при предыдущей обработке ( лить , горячей деформации или сварке ) , смягчение стали  перед обработкой резанием и уменьшение напряжений , для придания стали  определенных характеристик. Вцелом отжиг II рода проводят для приближения системя к равновесию.

Полный отжиг  заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур на 30-50 С выше температуры Ас3 (чрезмерное повышение  температуры выше этой точки приведет к росту зерна аустенита , что вызовет ухудшение свойств стали), выдержке для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении . Для заэвтектоидных сталей такой отжиг с нагревом выше Аcm не пойдет потому что при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита , ухудшающая механические свойства . Для доэвтектоидных сталей время нагрева и продолжительность обработки зависят типа печи ,способа укладки , типа отжигаемого материала (лист,прокат , ...).Наиболее распространенная скорость нагрева составляет ~ 100 C / ч ,а продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа на тонну изделия. Медленное охлаждение обусловленно необходимостью избежать образования слишком дисперсной ферритно-цементитной структуры и следовательно более высокой твердости. Скоростьохлаждения зависит от устойчивости переохлажденного аустенита ,а следовательно , от состава стали . Ее регулируют проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей , с полностью или частично выключенным обогревом.

При полном отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали. При нагреве выше точки Ас3 образуется аустенит , характеризующийся мелким зерном ,который при охлаждении дает мелкозернистую структуру , обеспечивающую высокую вязкость , пластичность и получение высоких свойств после окончательной обработки.

Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит  из избыточного феррита и перлита.

Существует  отжиг противоположный по целям  обычному отжигу .Это отжиг на крупное зерно с нагревом до 950-1100 С , который применяют для улучшения обработки резанием мягких низкоуглеродистых сталей .

7.2 Неплный отжиг .

Неполный  отжиг доэвтектоидной стали проводят при нагреве до температур выше Ас1 , но ниже Ас3 . При таких температурах происходит частичная перекристаллизация стали , а именно лишь переход перлита  в аустенит . избыточный феррит частично превращается в аустенит и значительная часть его не подвергается перерекристаллизации. Поэтому неполный отжиг не устраняет пороки стали связанные с нежелательными размерами и формой избыточного феррита . Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется лишь тогда , когда отсутствует перегрев , ферритная полосчатость, и требуется только снижение твердости и смягчения перед обработкой резанием .

7.3 Сфероидизирующий отжиг .

Сфероидизирующий  отжиг с нагревом несколько выше температуры Ас1 и несколько ниже точки Аr1 (740 -780 C ) и последующем медленном охлаждением применяют к заэвтектоидным сталям , что позволяет получить зернистую форму перлита вместо пластинчатой .

Для режима сфероидизирующего  отжига заэвтектоидных сталей характерен узкий температурный интервал отжигаемости. Верхняя граница не должна быть выше слишком высокой , т.к. иначе при растворении центров карбидного выделения при охлаждении образуется пластинчатый перлит . а для сталей близких к эвтектоидному составу этот интервал особенно узок т.к. точки Асm и А1 сходятся при эвтектоидной концентрации .

Выдержка  при постоянной температуре необходима для окончательного распада переохлажденного аустенита и коагуляции карбидов и составляет 4-6 часов в зависимости  от массы отжигаемого металла .

Скорость  охлаждения очень сильно влияет на конечную структуру . чем меньше скорость , тем до больших размеров вырастают глобули карбида при распаде аустенита. Регулируя скорость охлаждения , можно получать структуры глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого . Более мелкозернистый перлит обладает повышенной твердостью .

На твердость  будет оказывать влияние и  повышение температуры отжига до 800-820 С .Твердость будет снижаться  из-за развития сфероидизации , а при  дальнейшем повышении температуры  отжига твердость растет из-за появления все в большем количестве пластинчатого перлита .

II Характеристика сплава железа с содержанием углерода 5,0 %. 
 

      В системе железо — углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

1. Жидкая фаза. В  жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит — твердый раствор внедрения углерода в α-железе с ОЦК (объемно-центрированой кубической) решеткой.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 727 °C (точка P). Атомы углерода располагается в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине ребер куба, а также в дефектах решетки.

При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка I)

Свойства феррита  близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость — 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсуствии углерода) до 770 °C.

3. Аустенит (γ) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решеткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,8 % при температуре 727 °C (точка S), максимальную — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е).

Аустенит имеет  твердость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.

4. Цементит (Fe₃C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Он твердый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может  выделяться при различных услових:  

• — цементит первичный (выделяется из жидкости), 
• — цементит вторичный (выделяется из аустенита), 
• — цементит третичный (из феррита), 
• — цементит эвтектический и 
• — эвтектоидный цементит.

Цементит первичный  выделяется из жидкой фазы в виде крупных  пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный  выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зернами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.

Цементит может  при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким  отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твердости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.

III Описание сплава 18ХГТ. 
 

18ХГТ –  конструкционная легированная сталь с содержанием углерода 0,18 %, хрома, марганца и титана менее 1% каждого. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

IV Устройство кислородного и ацетиленового баллонов.

Кислородные баллоны (рис. 4.1). Газообразный кислород хранят и транспортируют в стальных баллонах под давлением 150 кгс/см².

Рис. 4.1. Кислородный баллон:

• 1- опорный башмак, 2 -корпус, 3 - кольцо, 4 - запорный вентиль, 5 - предохранительный

Для приближенного  определения количества кислорода в баллоне можно пользоваться формулой V_к=V_бP_к,

где V_к - количество кислорода в баллоне, л;

V_б - водяная емкость баллона, л;

Р_к -давление кислорода в баллоне по манометру, кгс/см².

Так, в полном кислородном  баллоне количество кислорода равно: 40X150=6000 л, или 6 м³ (при атмосферном давлении).

Ацетиленовые баллоны (рис. 4.2). Ацетилен в отличие от сжатых газов хранят и транспортируют в растворенном состоянии. Ацетиленовые баллоны выпускаются по ГОСТ 5948-60 и имеют те же размеры, что и кислородные. Кроме цельнотянутых баллонов из бесшовных труб применяются также сварные баллоны типа БАС-1-58, изготовляемые из углеродистой или низколегированной стали.

Рис.4.2. Ацетиленовые баллоны:

а - бесшовный, б - сварной БАС-1-58; 1 - корпус, 2 - запорный вентиль, 3 - предохранительный колпак, 4 -газовая подушка, 5 - пористая масса с ацетоном, 6 - опорный башмак

Внутри ацетиленового  баллона находится пористая масса  с ацетоном 5. Пористая масса представляет собой зернистый активированный древесный уголь с размером зерен 1-3,5 мм марки БАУ (ГОСТ 6217- 74). На 1 л емкости баллона вводится 290-320 г активированного Угля. Ацетон (СН₃СОСН₃) вводится в баллон в количестве 225-300 г на 1 л емкости баллона. Он пропитывает пористую массу и при наполнении баллонов ацетиленом хорошо растворяет его.

Количество  ацетилена в баллоне на заводах-наполнителях определяется взвешиванием его до и  после наполнения. Для приближенного  определения количества ацетилена  в баллоне можно пользоваться формулой V_a = 7V_бP_a,

где V_а - количество ацетилена в баллоне, л; 7 - коэффициент, учитывающий количество ацетона и растворимость ацетилена; V_б - водяная емкость баллона, л; P_а - давление ацетилена в баллоне по манометру, кгс/см².

Так, в полном ацетиленовом баллоне количество газообразного  ацетилена равно: 7X40X19=5320 или 5,32 м³ (при нормальных условиях). 
 
 

V Классификация способов резки.

Плазменная  резка металлов. 

Термическую резку металлов и сплавов можно  классифицировать по следующим основным признакам:

по способу  нагрева разрезаемого металла (газовый или электрический);

в зависимости  от места и среды, где происходит резка металла (резка на земле  и под водой);

по способу  механизации (ручная и механизированная резка);

с применением  флюса, и без него, (газовая и  кислородно-флюсовая резка);

по характеру удаления металла (разделительная и поверхностная резка);

по положению, в котором выполняется резка (нижнем,  вертикальном, а иногда в монтажных условиях, потолочном положениях).

Газовая, резка, в свою очередь подразделяется на бесфлюсовую — обычную газовую резку и кислородно-флюсовую резку. К. газовой резке относятся: резка с применением ацетилена и его заменителей, кислородно-флюсовая, подводная и копьевая резка.