Материаловедение. Шпаргалка - Елена Буслаева

Основные виды термической обработки: объемная, поверхностная, местная закалки; нормализованный, гомогенизирующий, рекристаллизационный отжиг, химико-термическая обработка и обработка лазерным нагревом; закалка электроимпульсным полем; термообработка при применении пластической деформации, а также обработка холодом.

Конструкционные стали – это стали, которые используются в производстве различных деталей машин и любых конструкций. Те стали, которые используются при возведении сооружений или конструкций, называют строительными. К конструкционным сталям можно отнести и легированные, и углеродистые стали.

В машиностроении широкое распространение получили конструкционные легированные стали ГОСТ 4543-71, которые бывают: хромистыми, марганцовистыми, хромокремнистыми, хромокремне-марганцевыми, хромоникелевыми и т. д. В зависимости от технических характеристик данные стали делятся на цементируемые стали, стали для азотирования, улучшаемые стали при помощи термической обработки, воздушнозакаливающиеся стали и т. д.

32. Отжиг 1-го рода. Неравновесная кристаллизация

Этот вид термической обработки возможен для любых металлов и сплавов. Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии. Нагрев при отжиге 1 рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутренние напряжения, т. е. способствует получению более равновесного состояния. Основное значение при проведения такого отжига имеют температура нагрева и время выдержки при этой температуре, так как именно эти параметры определяют скорость процессов, устраняющих отклонения от равновесного состояния. Скорость нагрева и охлаждения для отжига 1 рода имеет второстепенное значение.

Различают следующие разновидности отжига 1 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.

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, которые могут вызвать коробление, т. е. изменение формы, размеров и даже разрушение изделий.

Неравновесная кристаллизация. Процесс диффузии протекает медленно, поэтому в реальных условиях охлаждения состав в пределах каждого кристалла и разных кристаллов не успевает выравниваться и будет неодинаковым.

Если в процессе охлаждения возможен распад твердого раствора, то диаграмма состояния показывает начало этого процесса при самом медленном охлаждении.

С увеличением скорости охлаждения температура начала выделения избыточной фазы снижается, количество выделившейся фазы уменьшается, и при определении большей скорости охлаждения твердый раствор без выделений полностью переохлаждается до комнатной температуры.

Регулируя скорость охлаждения, можно добиться разной степени распада вплоть до полного его подавления.

Такие пересыщенные растворы неустойчивы.

Если тепловая подвижность атомов переохлажденного раствора недостаточна, то состояние пересыщения может сохраняться неопределенно долгое время.

В противном случае с течением времени будет происходить постепенный распад пересыщенного раствора с выделением избыточной фазы. Этот процесс будет ускоряться при повышении температуры.

Вторичные фазы, которые образуются при высокой температуре, при медленном охлаждении твердого раствора или высоком вторичном нагреве закаленного (пересыщенного) твердого раствора не только крупнее по размерам, но ориентационно не связаны с маточной фазой. Слой атомов, относящийся к старой фазе, граничит со слоем атомов, которые принадлежат решетке новой фазы.

Для случая выделения при низкой температуре новая в-фаза определенным образом ориентирована относительно исходной, так что пограничный слой атомов в равной степени принадлежит обеим решеткам.

Подобное сочленение кристаллических решеток называется когерентным. На границе раздела при когерентной связи возникают и сохраняются напряжения тем большие, чем больше отличие в строении (в плоскости раздела) сопряженных решеток.

Если, температуру сплава повышать, то вследствие увеличения тепловой подвижности атомов и наличия напряжений на границах раздела фаз когерентная связь разрывается (явление срыва когерентности), метастабильные фазы переходят в устойчивую в-фазу, пластинчатые кристаллики в-фазы растут, стремясь принять округлую форму. Когда эти процессы пройдут полностью, структура и фазовый состав станут такими же, как и в случае медленного охлаждения.

Процесс фиксирования быстрым охлаждением неустойчивого состояния носит название закалки, а последующий процесс постепенного приближения к равновесному состоянию (путем нагрева или длительной выдержки) называется отпуском и старением. Столь разнообразное изменение структуры, достигаемое разной степенью приближения сплава к равновесному состоянию, приводит к разнообразному изменению свойств, чем и обусловлено широкое применение термической обработки, в основе которой заложены процессы неравновесной кристаллизации.

Сплавы – это вещества, состоящие из двух или более элементов периодической системы. Получают их с помощью спекания или сплавлением. Компонент – вещество, образующее сплав.

Фаза – пространственно ограниченная и отличная от других часть системы, имеющая свою кристаллическую решетку и свои свойства. Гомогенные вещества имеют одну фазу, а гетерогенные – несколько фаз.

Структура – строение металла, в котором можно различать отдельные фазы, их форму, размеры и взаимное расположение. Структура влияет на свойства.

Равновесное состояние – когда в сплаве все фазы, присущие этой системе оформлены. Это состояние обеспечивается при медленном охлаждении, можно различать размеры и формы фаз.

Неравновесное состояние – процесс образования и обособления фаз не закончился, образуется при быстром охлаждении.

33. Гомогенизационный отжиг, изменение структуры и свойств при гомогенизационном отжиге. Закалка с полиморфным превращением. Закалка без полиморфного превращения

Отжиг – операции нагрева и медленного охлаждения стали с целью выравнивания химического состава, получения равновесной структуры, снятия напряжений.

Применяют отжиг для получения равновесной структуры, поэтому при отжиге детали охлаждают медленно. Углеродистые стали – со скоростью 200 °C/ч, легированные стали – 30-100 °C/ч.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг применяют для устранения ликвации (выравнивание химического состава). В его основе – диффузия. При этом выравнивается состав и растворяются избыточные карбиды. Такой отжиг проводят при высокой температуре с длительной выдержкой. Гомогенизирующему отжигу подвергают легированные стали. Это объясняется тем, что скорость диффузии углерода, растворенного в аустените по способу внедрения, на несколько порядков больше скорости диффузии легирующих элементов, которые растворяются в аустените по способу замещения. Гомогенизация углеродистых сталей происходит практически в процессе их нагрева. Режим гомогенизирующего отжига: нагрев до температуры 1050–1200 °C, время выдержки составляет 8-10 ч. Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, но нельзя допускать пережога и оплавления зерен. При пережоге кислород воздуха соединяется с частицами металла, образуются окисные оболочки, разобщающие зерна. Пережог в металле устранить нельзя. Пережженный металл является окончательным браком. При диффузионном отжиге обычно получается крупное зерно, которое следует исправлять последующим полным отжигом.

Полный отжиг связан с фазовой перекристаллизацией и измельчением зерна. Сталь в равновесном состоянии содержит перлит и наиболее пластична. Назначение полного отжига – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, получение мелкозернистой равновесной структуры в готовой детали.

Виды (способы) полного отжига: отжиг (обычный и изотермический) на пластинчатый перлит (включения цементита в виде пластинок) и отжиг на зернистый перлит (включения цементита в виде зерен).

При отжиге на пластинчатый перлит охлаждение заготовок производят вместе с печью, чаще всего при частичной подаче топлива, чтобы скорость охлаждения находилась в пределах 10–20 °C в час.

Отжигом достигается измельчение зерна. Крупнозернистая структура получается при затвердевании стали вследствие свободного роста зерен, в результате перегрева стали; такая структура вызывает понижение механических свойств деталей.