Термическая обработка металлов и сплавов

Рекристаллизационный отжиг применяют для титана и сплавов для снятия наклепа после холодной обработки давлением. Температура рекристаллизационного отжига 520 – 850ºС в зависимости от химического состава сплава и вида полуфабриката.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют с целью снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности. Применяют простой, изотермический и двойной отжиг; температура нагрева при отжиге 750 – 950ºС в зависимости от сплава.

При изотермическом отжиге после выдержки при температуре отжига детали охлаждают до 500 – 650ºС (в зависимости от сплава) в той же печи иди переносят в другую печь и выдерживают определенное время, и охлаждают на воздухе. При изотермическом отжиге сокращается продолжительность отжига, а пластичность получается более высокой.

При двойном отжиге детали нагревают до температуры отжига, выдерживают и охлаждают на воздухе. Затем повторно нагреваю до 500 – 650ºС, выдерживают и охлаждают на воздухе. Двойной отжиг по сравнению с изотермическим повышает предел прочности при незначительном снижении пластичности и сокращает длительность обработки.

Из всех видов химико-термической обработки титановых сплавов наибольшее распространение получило азотирование, осуществляемое в среде азота или в смеси азота и аргона при температурах 850 – 950 С в течении 10 – 50 часов. Детали из титановых сплавов после азотирования обладают хорошими антифрикционными свойствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

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 .

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.

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.

Факторы,влияющие на перлитно-аустенитное превращение.

Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом и подчиняется основным положениям теории кристаллизации. Процесс сводится к полиморфному превращению и растворению в образовавшемся аустените цементита.Из этого вытекают факторы ,влияющие на перлитно-аустенитное превращение.

1. 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.

2. 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.

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

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

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

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.

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 прцесса 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 .

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 .