Основные виды термической обработки стали

Лабораторная работа № 2

«Термическая обработка сталей»

Цель работы - ознакомиться с методиками термической обработки сталей.

Задачи:

1. Изучить теоретические сведения термической обработки сталей.

2. Определить режим закалки образца стали в соответствии с заданием.

3. Определить режим низкого, среднего и высокого отпуска образцов стали в соответствии с заданием.

4. Указать твердость образцов после закалки.

5. Указать твердость образцов после отпуска.

6. Охарактеризовать структуру стали после выполненных различных видов термической обработки.

7. Сделать анализ влияния термической обработки стали на ее механические свойства.

Краткие теоретические сведения

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Свойства сплава зависят от его структуры (внутреннего строения). Основным способом, позволяющим изменять структуру, а, следовательно, и свойства, является термическая обработка.

Основы термической обработки были разработаны великим русским ученым Д. К. Черновым. Дальнейшее развитие теория и практика термической обработки получила в работах С. С. Штейнберга, А. А. Бочвара, Г. В. Курдюмова, Н. А. Минкевича, А. П. Гуляева, Э. Бейна, Э. Давенпорта и других ученых.

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств. Любой вид термической обработки может быть представлен графиком в координатах температура—время (рис. 1 а).

основные виды термической обработки стали

По классификации А. А. Бочвара различают четыре основных вида термической обработки: I) отжиг I рода;2) отжиг II рода; 3) закалка; 4) отпуск.

Отжиг I рода. Этот вид термической обработки возможен для любых металлов и сплавов. Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии. Нагрев при отжиге I рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутренние напряжения, т. е. способствует получению более равновесного состояния. Основное значение при проведении такого отжига имеют температуры нагрева и время выдержки при этой температуре, так как именно эти параметры

Рис. 1. Графики различных видов термической обработки: а — общая схема; б — отжиг II рода; в — закалка; г — отпуск

определяют скорость процессов, устраняющих отклонения от равновесного состояния. Скорость нагрева и охлаждения для отжига I рода имеет второстепенное значение.

Различают следующие разновидности отжига I рода:

Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) используют для устранения химической неоднородности, возникающей при кристаллизации сплава (дендритной ликвации).

Выравнивание химического состава происходит благодаря диффузионным процессам, скорость которых зависит от температуры. Поэтому обычно температура такого отжига составляет 0,8—0,9Т_пл. Время выдержки при этой температуре должно обеспечить выравнивание состава и растворение избыточных фаз.

Рекристаллизационный отжиг применяют после холодной пластической деформации (холодной обработки давлением) для снятия наклепа и получения равновесного состояния сплава. В результате рекристаллизации в деформированном металле образуются новые зерна, снимаются напряжения и восстанавливается пластичность металла.

Отжиг для снятия напряжений, возникающих при ковке, сварке, литье и т. п., которые могут вызвать коробление, т. е. изменение формы, размеров и даже разрушение изделий.

Отжиг II рода. Так называют отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения при нагреве и охлаждении. Графически такая термическая обработка представлена на рис. 1 б. При нагреве происходит фазовое превращение α→β, а при охлаждении обратное: β→α.

Весь процесс можно записать так:

	нагрев		охлаждение
α	→	β	→	α

Такую термическую обработку проводят для сплавов, в которых имеются полиморфные, эвтектоидные или перитектоидные превращения, а также может быть переменной растворимость в твердом состоянии. Практическая целесообразность фазовой перекристаллизации определяется тем, каково влияние структурных изменений на свойства сплава.

Закалка. Закалка, как и отжиг II рода, осуществляется только для металлов и сплавов, имеющих фазовые превращения в твердом состоянии. Главное различие этих видов термической обработки — скорость охлаждения. Все виды отжига проводят с медленным охлаждением, а закалку — с быстрым.

Графически закалка представлена на рис. 1 в. При закалке возможны два варианта структурных изменений: 1) α→β, т. е. быстрым охлаждением фиксируется высокотемпературное состояние; 2) α→β→α', где α' — метастабильная фаза, состав которой одинаков с составом исходной β фазы. В этом случае при охлаждении происходит бездиффузионное превращение, имеющее мартенситную кинетику. Для закалки основными параметрами являются температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения.

Отпуск. Этот вид термической обработки применим лишь к закаленным сплавам. При этом закаленные изделия нагревают ниже температуры фазового превращения (рис. 1 г).

Основные параметры отпуска — температура нагрева и время выдержки. В результате отпуска уменьшаются внутренние напряжения, сплавы переходят в более равновесное состояние.

Кроме этих основных видов термической обработки, имеются еще два принципиально различающихся способа обработки, представляющих сочетание термической обработки с металлургией или механической технологией.

Химико-термическая обработка (ХТО). При этом виде обработки обязательно изменяется химический состав поверхностных слоев изделия. При ХТО обрабатываемые изделия нагревают в каких-либо химически активных средах.

В результате диффузии происходит насыщение поверхностных слоев тем или иным элементом (обычно на небольшую глубину). Изменяя химический состав поверхностных слоев, тем самым изменяют их свойства (твердость, износоустойчивость, антикоррозионные свойства и т. д.).

Поскольку диффузионные процессы в твердом состоянии протекают медленно, ХТО обычно осуществляется за длительное время. Температуру процесса выбирают конкретно для каждого вида ХТО.

Термомеханическая обработка (ТМО). Этот вид обработки появился сравнительно недавно. При ТМО сочетают пластическую деформацию с термической обработкой таким образом, чтобы наклеп оказывал влияние на кинетику фазовых и структурных превращений, происходящих при термической обработке.