Закалка без полиморфного превращения

Нижегородский государственный  технический университет им. Р. Е. Алексеева.

 

Кафедра «Материаловедение  и технологии новых материалов»

 

 

Курсовая работа

по дисциплине: «Теория термической и химико-термической обработки»

Тема: «Закалка без полиморфного превращения»

 

 

 

 

 

 

 

                                                          

 

                                                                                                    

                                                                                        Выполнил :

                                                                                         студент ФМВТ гр.

                                                                                         09-ММ                                                                                                                                                                                                                 

                                                                                         Барышникова   О.И                          

                                                                                         Принял :

                                                                                         проф, д.т.н. Гаврилов Г.Н                                                                                                

                                                                                                 

                                                                                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Н.Новгород.2012

 

Содержание.

Введение

1. Отжиг с фазовой перекристаллизацией
2. Закалка без полиморфного превращения.
3. Изменение свойств, при закалке без полиморфного превращения
4. Нагрев при закалке без полиморфного превращения.
5. Охлаждение при закалке без полиморфного превращения
6. Нагрев при закалке
7. Охлаждение при закалке
1. Кинетика распада переохлажденного аустенита
2. Критическая скорость охлаждения при закалке
3. Факторы влияющие на устойчивость переохлажденного раствора

  Заключение

  Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

        Термической  обработкой называется процесс  обработки металлов и сплавов,  а также изделий из них при  помощи теплового или теплового  в сочетании с химическим , деформационным , магнитным воздействием для изменения структуры и свойств в заданном направлении. Термическая обработка заключается в нагреве до определенной температуры, регламентированной выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Её основными параметрами являются температура нагрева длительность выдержки ,скорости нагрева и охлаждения.

      Термическая обработка включает в себя очень важный вид : закалку без полиморфного превращения или истинная закалка ,при которой быстрым охлаждением фиксируют состояние сплава, характерное для высоких температур. Она применима к сплавам , отличающимся значительной температурной зависимостью растворимости компонентов в твердом состоянии. При такой закалке возникает пересыщенный твердый раствор.

      Структура  и свойства сталей и сплавов  определяются химическим составом  и температурно-временными параметрами  нагрева и охлаждения. Нагрев  и охлаждение, несмотря на то, что мы постоянно применяем  их в своей практике, изучены  недостаточно. Наиболее слабое место  в технологии термической обработки  — технология охлаждения. А именно  в ней кроются большие резервы  управления структурой и свойствами  металла в готовых изделиях. В  зависимости от условий работы  деталей мы можем получить например однородную структуру. Кроме химического состава важными данными являются положения критических точек и кинетика распада переохлажденного аустенита, о чувствительности к перегреву , росту зерна и механических свойствах сталей и сплавов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Отжиг с фазовой перекристаллизацией.

 

      Отжиг II рода — термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температур выше критических точек А_с1  или А_с3 выдержке и, как правило, в последующем медленном охлаждении. Отжиг II рода основан на прохождении фазовых превращений в твердом состоянии - превращении у - и поэтому часто называется фазовой перекристаллизацией. При фазовой перекристаллизации измельчается зерно и устраняется видманштеттова структура, строчечность и другие виды неблагоприятных структур стали.

       В большинстве случаев отжиг II рода является подготовительной термической обработкой - в процессе отжига снижается твердость и прочность, что облегчает обработку резанием средне- и высокоуглеродистых сталей. [1, с. 265]

      Существуют  следующие разновидности отжига  стали: полный , изотермический, неполный, сфероидизирующий и низкий.

      -Полный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей и состоит в нагреве стали на 30-50°С выше точки А_с3, выдержке при этой температуре до полной перекристаллизации металла и медленном охлаждении ( рис. 1).

 

Рис. 1  Схема полного  отжига доэвтектойдной легированой стали (а) и термокинетическая  (б) диаграмма, на которой указана скорость охлаждения при отжиге и нормализации (жирные лини). Ломаные линии интервал температур, при котором происходит фазовое превращение (1-отжиг, 2-нормализация).

 

        При таком отжиге образуется мелкое аустенитное зерно, из которого при охлаждении формируется равномерная мелкозернистая ферритно-перлитная структура. (рис.2)

      Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки Ac₃ вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Если исходная структура кристаллографически упорядочена (мартенсит, видманштеттова структура, бейнит), при нагреве несколько выше Ас₃ размер, форма и кристаллографическая ориентировка новых зерен аустенита будет такой же, как и у исходного зерна аустенита. Если исходное зерно было крупным (сталь была перегрета), то и после повторного нагрева несколько выше Ас₃,

 т. е. после полного отжига, оно также будет крупным. Однако при продолжении нагрева в аустенитной области зерно аустенита вместо того чтобы укрупняться, будет измельчаться. Измельчение зерна, особенно в легированной стали, может быть достигнуто нагревом на 100— 300 °С выше Ас₃ вследствие рекристаллизации аустенита, получившего наклеп в процессе фазового у а-превращения. В некоторых случаях требуется выполнение двух и даже трехкратного нагрева для накопления этого фазового наклепа в такой степени, чтобы прошла рекристаллизация. В результате рекристаллизации образуются новые зерна аустенита, не связанные по ориентации с исходной структурой. Если после такого высокого нагрева зерно получается все же увеличенных размеров, то проводят еще нормальный отжиг для получения мелкого зерна. Такое наследование размера, формы и ориентировки аустенитного зерна называют структурной наследственностью.

 

Рис 2. Изменение размера зерна при фазовой перекристаллизации доэвтектойдной стали. При нагреве до высоких температур зерно крупное (1), после охлаждения размер его сохраняется (2). Повторный нагрев несколько выше А₃ (отжиг) позволяет измельчить зерно аустенита (3),а после охлаждения сохранить его (4).

 

        Время нагрева и продолжительность выдержки при заданной температуре зависят от типа нагревательной печи, способа укладки изделий в печь, от высоты садки, типа полуфабриката (лист, сортовой прокат и т. д.).На металлургических заводах скорость нагрева не ограничивают, а обычно принимают —100 °С/ч, а продолжительность выдержки может колебаться от 0,5 до 1,0 ч на 1,0 т нагреваемого металла.

Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при  малых степенях переохлаждения (рис. 1, б), чтобы избежать образования излишне дисперсной феррито-карбидной структуры и свойственной ей более высокой твердости.

      Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение. Поэтому легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждают значительно медленнее (10— 100 °С/ч), чем углеродистые (150— 200 °С/ч). Скорость охлаждения при отжиге можно регулировать, проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом.

         После распада аустенита в перлитной области дальнейшее охлаждение для многих сталей можно ускорить и выполнять даже на воздухе.

Если отжиг предназначается  и для снятия напряжений (например, в отливках сложной конфигурации), медленное охлаждение с печью проводят почти до комнатной температуры.

          Охлаждение деформированных легированных сталей, склонных к образованию флокенов, следует проводить особенно медленно и часто по сложным (ступенчатым) режимам. Полному отжигу подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки. [2, с.193-195]

       -Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (выше А_с1, но ниже А_с3). Этот вид отжига для доэвтектоидных сталей применяют ограниченно и в основном для улучшения их обрабатываемости резанием, так как в результате частичной перекристаллизации стали (избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит) образуется мягкий перлит. Неполный смягчающий отжиг позволяет сэкономить время и снизить стоимость обработки.

       Неполный отжиг широко применяется для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. При неполном отжиге проводится нагрев до температур немного выше (на 10-30 °С) точки А₁ что приводит к практически полной перекристаллизации стали и получению зернистой (сфероидальной) формы перлита вместо обычной пластинчатой. Поэтому такой отжиг называется сфероидизирующим.

        Для сфероидизирующего отжига характерен узкий температурный "интервал отжигаемости" (750-780 °С); у сталей, близких к эвтектоидному составу, интервал отжигаемости особенно узок (740-750 °С). Легированные заэвтектоидные стали для получения зернистых карбидов можно нагревать до более высоких температур и в более широком интервале (770-820 °С). Конечная структура стали зависит от скорости охлаждения и температуры сфероидизирующего отжига. Чем меньше скорость охлаждения, тем до больших размеров возрастают глобулы карбида при распаде аустенита. Регулируя скорость охлаждения, можно получать структуры глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого. Более мелкозернистый перлит обладает повышенной твердостью.

 

 

 

Рис. 3 Микроструктура заэвтектойдной стали, х500, а-пластинчатый перлит и цементитная сетка, б-зернистый цементит.[2, c.197]

 

      Сфероидизирующему отжигу подвергают углеродистые и легированные инструментальные и шарикоподшипниковые стали.

      Отжигу  на зернистый перлит подвергают  также тонкие листы и прутки  из низко- и среднеуглеродистой  стали перед холодной штамповкой  или волочением для повышения  пластичности. После отжига на  зернистый перлит эвтектоидные и заэвтектоидные стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием.

       - Изотермический отжиг применяют для улучшения обрабатываемости легированных сталей. Он состоит в нагреве на 30-50 °С выше А_с3 (как и при полном отжиге) и сравнительно быстром охлаждении до температуры ниже А_с1 (обычно 660-680 °С), изотермической выдержке при этой температуре для получения равновесной перлитной структуры и последующем охлаждении на воздухе (рис. 4).Такой изотермический отжиг позволяет значительно сократить длительность процесса перекристаллизации, особенно для легированных сталей, которые для требуемого снижения твердости приходится охлаждать очень медленно при полном отжиге. Кроме того, при изотермическом отжиге обеспечивается получение более однородной ферритно-перлитной структуры стали.

         Изотермический отжиг - более  стабильный процесс, при его  проведении легче поддерживать  температуру на заданном уровне, чем регулировать скорость охлаждения  при проведении полного отжига.

       Изотермическому отжигу чаще всего подвергают поковки (штамповки) и сортовой прокат небольших размеров из легированной цементуемой стали. Пружинную (канатную) проволоку из стали, содержащей 0,65-0,9 % С, перед холодным волочением подвергают изотермической обработке, которая называется патентированием. При патентировании проволоку подвергают высокотемпературной аустенизации (нагрев до температуры на 150-200 выше А_с3) для получения однородного аустенита, а затем пропускают через

 

 

     время выдержки

Рис.4 . Схема изотермического отжига [2, c. 196]

 

расплавленную соль с температурой 450-550 С. В результате изотермического распада аустенита образуется тонкопластинчатый троостит или сорбит. Такая структура позволяет при холодной протяжке получать большие обжатия (более 75 %) без обрывов. После заключительного холодного волочения получается проволока с высокой прочностью ( от 2000 до 2250 МПа).

        Если  при проведении отжига охлаждение  после нагрева и выдержки проводится на воздухе, то такой процесс называется нормализационным отжигом или нормализацией (normalization).

 

 

Рис. 5 Микроструктура стали 20Л после нормализации, х750, феррито-перлитная структура. [3]

 

         При нормализации сталь нагревают  до температуры на 30- 50 °С выше  линии GSE ( рис. 1) и охлаждают на воздухе. Ускоренное по сравнению с обычным отжигом охлаждение обусловливает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно. Кроме того, при нормализации частично подавляется выделение избыточных фаз (феррита в доэвтектоидной стали и цементита в заэвтектоидной стали), и, следовательно, образуется квазиэвтектоид. В результате прочность стали после нормализации становится больше прочности после отжига.

Нормализацию применяют  чаще всего в следующих случаях: как промежуточную операцию для  смягчения стали перед обработкой резанием; для устранения пороков и общего улучшения структуры стали перед закалкой.

         Таким образом, назначение нормализации как промежуточной операции аналогично назначению отжига. Но так как нормализация выгоднее отжига, то ее всегда следует предпочесть отжигу, если оба эти вида обработки дают одинаковые результаты.

Но нормализация как операция смягчения стали не всегда может заменить отжиг. Так как склонность аустенита к переохлаждению растет с увеличением содержания в нем углерода и легирующих элементов, то разница в свойствах после отжига и после нормализации будет существенно зависеть от состава стали. Поэтому нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига для малоуглеродистых сталей, в которых аустенит слабо переохлаждается, но она не может применяться для смягчения высокоуглеродистых сталей, которые весьма ощутимо упрочняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита.

          В заэвтектоидных сталях нормализация позволяет устранить грубую сетку вторичного цементита за счет того, что растворившийся при нагреве выше А_ст цементит при последующем ускоренном охлаждении в процессе нормализации стали не успевает вновь образовать грубую сетку цементита. Это заметно улучшает свойства. Нормализацию используют и как окончательную термическую обработку средне- и высокоуглеродистых доэвтектоидных сталей, если требования к свойствам этих сталей умеренные и для них не обязательна закалка с высоким отпуском. [2, c. 266-268]

 

2. Закалка без полиморфного превращения

 

      Закалка без полиморфного превращения — это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре

        Закалку без полиморфных превращений можно применять к сплавам, имеющим переменную температурную растворимость одной фазы в другой. Последующее старение может привести к значительному упрочнению. Поэтому стареющие сплавы широко применяют в качестве конструкционных сплавов с высокой прочностью. К ним относятся сплавы на основе железа, никеля,- кобальта, алюминия, титана и др. Наибольшее упрочнение сплавов достигается, когда переменную растворимость имеют химические соединения. [4, c. 104]

      Закалка без полиморфного превращения применима к любым сплавам, в которых одна фаза полностью или частично растворяется в другой. Например, в сплаве С₀ на( рис. 6 ) при нагреве до Т_зак -фаза растворяется в матричной -фаэе. При обратном медленном охлаждении β -фаза выделяется из α -фазы, в которой концентрация компонента В уменьшается в соответствии с ходом сольвуса nb .

     Так как  составы α - и β -фаз различны, то выделение β -фазы связано с диффузионным перераспределением компонентов. При достаточно быстром охлаждении диффузионное перераспределение, необходимое для зарождения и. роста кристаллов β -фазы, не успевает пройти и α -фаза не выделяется из α -раствора. После такой термообработки (закалки) сплав при комнатной температуре состоит из одной а-фазы, как и при температуре нагрева под закалку.

        При  температуре нагрева под закалку  в сплаве С₀ твердый раствор ненасыщенный. После закалки α -раствор при комнатной температуре имеет такой же состав, как и при температуре закалки, но он уже пересыщенный, так как состав насыщенного раствора соответствует точке б.

Рис. 6  Схема к объяснению закалки без полиморфного превращения

 

     Таким образом, при закалке без полиморфного превращения образуется пересыщенный твердый раствор. Такая закалка к чистым металлам принципиально неприменима. Рассмотренную на примере сплава С₀ закалку без полиморфного превращения широко применяют к алюминиевым, магниевым, никелевым, медным н другим сплавам, а также к некоторым. легированным сталям. Закалкой далеко не всегда фиксируют однофазное состояние. Например, в сплаве С₂ (рис. 6) при любых температурах, вплоть до эвтектической, содержится β -фаза. При температуре закалки Т_зак в этом сплаве находятся насыщенный твердый раствор состава точки m и нерастворенный избыток β -фазы. При достаточно медленном охлаждении из-за выделения β -фазы из а-раствора его состав должен изменяться по линии mb. При быстром охлаждении происходит закалка: β -фаза не успевает выделиться из а-раствора и состав его при комнатной температуре так же, как и при температуре закалки, определяется точкой т. Следовательно, закаленный сплав C₂ содержит пересыщенный а-раствор состава точки m и избыточную β -фазу, не растворившуюся при нагреве под закалку. Закалкой сплава  С₂ зафиксировано состояние, которое было стабильным при температуре нагрева под закалку.

Начинающие изучать термическую  обработку иногда ошибочно считают, что закалка применима лишь к  такому сплаву, ордината которого на диаграмме  состояния пересекает линию фазового равновесия в твердом состоянии, например к сплаву С₀ на (рис. 6). Но, как было показано на примере сплава C₂, это совсем не обязательно. Принципиально закалка без полиморфного превращения возможна всегда, когда в равновесном состоянии при разных температурах имеется различие в химическом составе фаз. [5, c. 171-172]

 

3. Изменение свойств при закалке без полиморфного превращения.

 

       Изменение  свойств при закалке зависит от фазового состава и особенностей структуры сплава в исходном и закаленном состояниях, от условий закалки, предыдущей обработки и других факторов. Направление и величина изменения свойств в разных сплавах весьма различны.

       Встречается  ошибочное утверждение, что закалка  всегда приводит к упрочнению, причем термины «закалка» и  «упрочнение» часто неверно считают  синонимами. В действительности  же закалка может и упрочнять,  и разупрочнять сплав. У одних сплавов закалка повышает прочность, но снижает пластичность, у других, наоборот, снижает прочностные характеристики и повышает показатели пластичности, а у третьих повышает н прочность, и пластичность. Наконец, у очень многих сплавов, к которым в принципе можно применить закалку, она практически не изменяет свойств. Сильное упрочнение с одновременным резким снижением пластичности в промышленных сплавах, подвергаемых закалке без полиморфного превращения, не наблюдается.

       При  закалке без полиморфного превращения  деформируемых сплавов наиболее  частый случай — повышение  прочности при сохранении высокой  пластичности, которая может мало  отличаться от пластичности отожженного  сплава. Типичный пример — дуралюмин  Д16 (табл. 1).

       Реже  встречаются сплавы, у которых  при закалке снижается прочность  и сильно возрастает пластичность  по сравнению с отожженным  состоянием. Типичный пример —  бериллиевая бронза Бр. Б2 (табл. 1). У нержавеющей хромоникелевой стали Х18Н9 относительное удлинение при закалке после горячей прокатки возрастает с 20 до 45%. Полуфабрикаты из таких сплавов, как бериллиевая бронза и сталь XI8H9, для повышения пластичности перед холодной деформацией не отжигают, а закаливают. Повышение или снижение прочности при закалке зависит от следующего. С увеличением концентрации легирующего элемента в твердом растворе прочность его возрастает. Поэтому пересыщенный раствор в закаленном сплаве прочнее менее легированного раствора в отожженном сплаве. Прочность отожженного сплава определяется прочностью матричного раствора, а также размером и структурой частиц избыточной фазы и расстояниями между этими частицами. Если в отожженном сплаве торможение дислокаций избыточной фазой не вносит большого вклада в прочность двухфазной смеси (из-за большого расстояния между ее частицами), то при закалке упрочнение раствора благодаря увеличению его легированности перекомпенсирует разупрочнение, связанное с растворением избыточной фазы, и прочность сплава возрастает. Если же растворение избыточной фазы приводит к сильному разупрочнению, перекрывающему рост прочности, связанный с повышением концентрации матричного раствора, то сплав при закалке разупрочняется. На суммарном эффекте сказываются величина изменения растворимости при нагреве под закалку и прирост прочности матричного раствора, приходящийся на каждый процент растворяющегося элемента.

Таблица 1

Механические свойства сплавов  в литом ,отожженном и закаленном состояниях.

 

Сплав	кгс/мм2			%			Сплав	σв кгс/мм2		δ %
	отжиг	закалка		отжиг	закалка			литье	закалка	литье	закалка
Д16     Бр.Б2	20     50	30     51	25     22		23     46	АЛ8   АЛ9   МЛ5		15   16   16	30   20   25	1   2   3	12   6   9

 

 

        При закалке литейных сплавов прочность и пластичность обычно растут по сравнению с литым состоянием сплавы АЛ8, АЛ9 и МЛ5 . В структуре литейиых промышленных сплавов избыточные фазы обычно находятся в форме сравнительно крупных частиц с большим межчастичным расстоянием. После их растворения прочность сплава становится выше из-за большей легированности матричного раствора.

По грубым и хрупким  включениям избыточной фазы, например интерметаллида, происходят отрыв и скол в литом сплаве. Поэтому пластичность сплава после закалки оказывается повышенной. Особенно сильно она возрастает при полном растворении избыточной фазы, как в алюминиевом сплаве АЛ8 (растворяется Al₃Mg₂) и магниевом сплаве МЛ5 (растворяется Mg₁₇ Al₁₂), которые после закалки практически однофазны (табл. 1). В силумине АЛ9 при закалке пластичность возрастает благодаря частичному растворению и коагуляции кремния и полному растворению силицида Mg₂ Si.

     Основное назначение закалки без полиморфного превращения— подготовка сплава к старению. Закалку некоторых сплавов (Бр.Б2, XI8H9) используют н как промежуточную смягчающую операцию (вместо отжига) перед холодной деформацией. Наконец, закалка служит окончательной термообработкой для придания изделию необходимого комплекса свойств. Однофазный закаленный сплав может обладать значительно большей пластичностью н более высокой стойкостью против коррозии, чем состаренный. Литейный алюминиевый сплав АЛ8 применяют только в закаленном состоянии именно по этим причинам. [5, c.172-174]

 

 

4. Нагрев при закалке без полиморфного превращения.

 

       Основное  исходное положение при выборе  температуры закалки — возможно более полное растворение избыточных фаз в матричной фазе.

    Если сплав расположен в той области диаграммы состояния, где он способен при нагреве полностью перейти в однофазное состояние (сплав С₀ на рис. 6), температура закалки должна находиться выше линии сольвуса двойной системы. При закалке сплава С₀ с температуры ниже Т₀ сохраняется не растворившаяся   -фаза и матричный α -раствор оказывается менее легированным, чем при закалке с температур выше Т₀.

     Верхнюю границу  интервала закалочных температур  во избежание пережога выбирают ниже точки солидуса сплава с учетом возможного перепада температур в садке и точности теплового контроля. При оплавлении границ связь между зернами нарушается и под действием закалочных напряжений возникают межкристаллитные трещины. Мелкие трещины можно не обнаружить, но они вызывают резкое снижение прочности и пластичности. Пережог может возникнуть также вследствие образования при закалке прослоек хрупкой фазы из-за неравновесной кристаллизации оплавленных участков, обогащенных легирующими элементами. Кроме того, причиной пережога служит быстрое проникновение по оплавленным участкам компонентов атмосферы печи, приводящее к образованию окислов и газовых пузырей. На шлифе небольшой пережог выявляется в виде утолщений границ зерен. Пережог — это неисправимый и самый опасный брак.

       Возможная ширина интервала закалочных температур в двойной системе определяется «вилкой» между точками солидуса и сольвуса. Из (рис. 6 ) видно, что у сплава Со¹  возможный интервал закалочных температур шире, чем у сплава С₀ .

       При закалке литейных сплавов, которые в отличие от деформируемых предварительно не подвергают гомогенизационному отжигу и технологическому нагреву для горячей обработки давлением , необходимо учитывать плавление неравновесной эвтектики. Если для более полного растворения избыточных фаз литейный сплав необходимо нагревать до температуры выше точки неравновесного солидуса, то проводят ступенчатый нагрев: при температуре первой ступени, которая должна быть ниже точки неравновесного солидуса, растворяется легкоплавкая составляющая и окончательную температуру закалки можно поднять, не опасаясь пережога. Например, отливки с массивным сечением из сплава МЛ5 перед нагревом под закалку до 415^е С следует выдерживать 3 ч при температуре 375° С.

 

 

Рис 7 Микроструктура магниевого сплава МЛ5 после закалки и двухкратной обработки при темплосменах-60 и +150 С,250 ч.[6]