ШВЕДОВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧОтжиг 2 рода основан на процессах фазовых превращений при нагреве и охлаждении. При отжиге 2 рода сталь нагревается до температур выше точек Асз или Ас!, выдерживается при этой температуре до полного завершения структурно-фазовых превращений и охлаждается, как правило, с очень малой скоростью «100 ОС/ч) в камере выключенной печи. Различают полный, изотермический, неполный, сфероидизирующий и нормализационный отжиги (рис. 2.5).
Полный отжuг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30...50 ос выше температуры Асз, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. При этом отжиге происходит полная фазовая и структурная перекристаллизация: нагрев до температур Асз + 30...50 ос приводит к образованию мелкозернистого аустенита, а при последующем охлаждении образуется ферритоперлитная структура. Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, Т.е. от состава стали. Чем более устойчив аустенит в области перлитного превращения, тем меньше должна быть скорость охлаждения. Легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждают значительно медленнее (1 О... 100 ОС/ч), чем углеродистые(150...2000С/ч).
Полному отжигу подвергают только доэвтектоидные стали. Выделение при таком отжиге вторичного цементита в виде сетки пограницам зерен в заэвтектоидных сталях охрупчивает сталь. Поэтомудля заэвтектоидных сталей полный отжиг не применяют. Чрезмерное повышение температуры нагрева (перегрев на 200...300 ос выше точки Асз) вызывает рост зерна аустенита, а при охлаждении такого аустенита формируется грубая структура с выделением избыточных фаз - феррита (в доэвтектоидных сталях) и цементита (в заэвтектоидных сталях) - по границам зерен. При сильном перегреве формируется так называемая «видманштеттова структура» с выделением избыточных фаз в виде игл. Это приводит К охрупчиванию стали: низкая ударная вязкость и хрупкий крупнокристаллический излом. Если после охлаждения с температур перегрева получена кристаллографически неупорядоченная структура ферритно-карбидной смеси, то для исправления такой структуры перегрева достаточно нагреть сталь выше температуры перекристаллизации (Асз + 30...50 ОС) (нагрев с любой скоростью). При переходе через критическую точку образуется мелкое зерно аустенита, которое при дальнейшем нагреве ваустенитной области будет расти. Если полученная после перегрева структура кристаллографически упорядочена (мартенсит, бейнит, видманштеттова структура), то при нагреве несколько выше Асз размер, форма и кристаллографическая ориентировка новых зерен аустенита сохранится, Т.е. перегрев не исправится. Такое явление называется структурной наследственностью. Возможность устранения крупного зерна при нагреве до Асз + 30...50 ОС в данном случае определяется скоростью нагрева. При умеренных скоростях нагрева (100...150 ОС/мин) полный распад мартенсита успевает пройти до начала а.~у-перехода, структурная наследственность не проявляется, структура перегрева исправляется при нагреве до Асз + 30...50 ОС. При достаточно быстром (сотни градусов в секунду) или достаточно медленном (1...2 град/мин) нагреве реализуется кристаллографически упорядоченный механизм а. ~ у-превращения, Т.е. проявляется структурная наследственность, и зерно при температурахнесколько выше Асз остается крупным. В этом случае измельчениезерна, особенно в легированных сталях, про изойдет при температурах значительно выше Асз (Асз + 100...150 ОС). В высоколегированных сталях структурная наследственность проявляется в широком диапазоне скоростей нагрева, Т.е. не только при быстром и медленном нагреве, но и при умеренных скоростях нагрева. Полный отжиг применяется обычно как промежуточная термическая обработка для получения по всему объему однородной, мелкозернистой структуры, обеспечивающей высокую вязкость и пластичность, пониженную прочность и твердость. Этому отжигу подвергаются имеющие неблагоприятную грубозернистую структуру литые заготовки, а также заготовки, прошедшие ковку, штамповку и другие виды обработки давлением, также нуждающиеся в исправлении структуры. Изотермический отжиг - сталь нагревают до температур Асз + 50...70 ОС, сравнительно быстро охлаждают до температуры изотермической выдержки (обычно на 100...150 ос ниже Ас!), выдерживают до полного распада аустенита и охлаждают на воздухе. Преимущества изотермического отжига: уменьшение длительности процесса и получение более однородной структуры (вследствие выравнивания температуры по всему сечению изделия превращение происходит при одинаковой степени переохлаждения). Изотермический отжиг применяют для штамповок, заготовок инструмента и других изделий небольшого размера из легированной стали. Для больших садок обычно не применяют. Одной из разновидностей изотермического отжига является патентирование. Патентирование - проволоку из углеродистых сталей с 0,45...0,85 % С нагревают в проходной печи до температур Асз + 150...200 ОС, пропускают через свинцовую или соляную ванну (450...550 ОС) и наматывают на приводной барабан. После патентирования про волока имеет феррито-цементитную структуру с очень малым межпластиносным расстоянием - сорбит патентирования илитроостит. Избыточный феррит или вторичный цементит при такойобработке не успевает образоваться. После патентирования проволоку подвергают многократному холодному волочению с большим суммарным обжатием, что обеспечивает ее высокую прочность (ав = 1500...2000 МПа). Такую обработку применяют для получения высокопрочной канатной, пружинной и рояльной проволоки. Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводят при температурах Асl + 10...30 ОС. При этих температурах происходит переходперлита в аустенит, но избыточный феррит превращается в аустенитлишь частично, значительная его часть не подвергается перекристаллизации. Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяют только при отсутствии перегрева и ферритной полосчатости длясмягчения стали перед обработкой резанием. 3аэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу, так как при очень медленном охлаждении из аустенитной области (полный отжиг) по границам аустенитных зерен образуется грубая цементитная сетка, охрупчивающая сталь и затрудняющая механическую обработку заготовки резанием. Сфероидизирующий отжиг - к заэвтектоидным сталям применяют отжиг с нагревом до температур Ас! + 10...30 ОС, вызывающим практически полную пере кристаллизацию металлической матрицы. После такого нагрева в аустените остается большое число нерастворившихся включений вторичного цементита, которые служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении и выдержке ниже точки Ас!. В результате образуется зернистая форма перлита вместо пластинчатой. Стали, близкие к эвтектоидному составу, нагревают до 750... 760 ОС, дЛЯ заэвтектоидных углеродистых сталей интервал температур отжига - «интервал отжигаемостю>, расширяется до770...790 ОС. ДЛЯ легированных заэвтектоидных сталей этот интервал составляет 770...820 ОС. При нагреве выше «интервала отжигаемости» значительная часть цементита растворится и при последующем охлаждении ниже температуры Ас! выделится пластинчатый перлит. Охлаждение при сфероидизации медленное, оно должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов при охлаждении вперлитной области. Чаще применяют изотермическую выдержку притемпературах перлитного распада (620...680 ОС) дЛЯ завершения всехпроцессов распада и сфероидизации с последующим охлаждением навоздухе. Сталь со структурой зернистого перлита имеет низкую твердость и временное сопротивление, хорошую пластичность и обрабатываемость резанием. Такая структура - оптимальная перед закалкой, так как обеспечивает мелкое зерно, расширяет интервал закалочных температур, снижает растрескивание при закалке, повышает прочность и вязкость закаленной стали. Нормализационный отжиг (нормализация) предполагает нагрев на 30...500 С выше линии GSE, непродолжительную выдержку для прогрева садки и завершения превращений и охлаждение на воздухе, обеспечивающее перлитный распад аустенита. Применительно к доэвтектоидным сталям, особенно низкоуглеродистым (0,05...0,25 % С), нормализация за более короткое время и при большей простоте режима охлаждения позволяет получить те же результаты, что и при полном отжиге, т. е. измельчение зерна у литых и кованых заготовок. Так как охлаждение на воздухе обеспечивает более высокую степень переохлаждения аустенита, чем при отжиге, то продукты его распада оказываются более дисперсными, а плотность дислокаций приближается к 108 см-2. При нормализации, в отличие от полного отжига, в структуре стали количество избыточных фаз (Ф или Ц) меньше, а перлита больше. Сам же перлит более дисперсный -размер его колоний меньше, пластины Ф и Ц тоньше. Вследствие этого нормализацией можно получить более благоприятную мелкозернистую структуру стали, обладающую повышенными прочностными свойствами. Поэтому в ряде случаев, когда от материала изделия не требуется повышенных прочностных свойств, нормализация заменяет закалку. Особенно это касается деталей из низкоуглеродистой стали, для которых применение закалки исключается из-за очень высокой критической скорости закалки. При нормализации заэвтектоидных сталей из-за ускоренного охлаждения выделение из аустенита избыточного (вторичного) цементита (в интервале температур Аст-Ас!) частично подавляется и нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не образуется. В связи с этим одной из целей нормализации является устранение цементитной сетки у заэвтектоидных сталей.
2.9. Какие виды отжига можно применить для сплавов 1 и 2 (рис. 2.6)? Почему? Решение Характерной особенностью сплава 1 является то, что при нагреве и охлаждении в нем происходят фазовые превращения (~ н а). В сплаве 2 - при всех температурах стабильна фаза а и превращений в твердом состоянии нет. Отсюда следует, что для обоих сплавов можно применять все виды отжига 1 рода, так как процессы гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений не основаны на фазовых превращениях. Отжиги 11 рода целесообразно применять только для сплава 1, так как в их основе лежат процессы фазовых превращений (фазовая перекристаллизация) в твердом состоянии, а в сплаве 2 фазовых превращений нет.
2.10. Как исправить структуру перегрева в сталях 40 и 40ХНМА, если в образцах наблюдается а) слабый перегрев (2...3 балл зерна); б) сильный перегрев - видманштеттова структура? Чем отличаются режимы исправления перегрева для этих сталей? Решение Сталь 40 для исправления слабого перегрева необходимо отжечь (полный отжиг из аустенитной области (Асз + 30...50 ОС), охлаждение с печью; скорость нагрева - любая), либо провести нормализацию. Видманштеттова структура, полученная в этой стали, устраняется нагревом с умеренными скоростями нагрева до температурАсз + 30...50 ос и последующим охлаждением с печью (отжиг) или на воздухе (нормализация). Для стали 40ХНМА дЛЯ исправления структуры перегрева необходим нагрев до (Асз + 150...300 ОС) и медленное охлаждение.
2.11. К каким сталям применяют сфероидизирующий отжиг: сталь 45, У9, У12, ШХI5? У какой из них шире температурный интервал отжигаемости? Почему? Решение Сфероидизирующий отжиг применяют для заэвтектоидных сталей (У9, У12, ШХI5), дЛЯ стали 45 применяется полный отжиг с охлаждением из аустенитной области. Цель сфероидизирующего отжига - получить зернистую форму перлита вместо пластинчатой. Интервал отжигаемости выбирается таким образом, чтобы после нагрева в этом интервале температур в аустените осталось большое число нерастворившихся включений цементита, которые будут служить центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении ниже эвтектоидной температуры. Нижняя граница интервала отжигаемости находится выше температуры Асl (для обеспечения достаточного количества включений цементита), верхняя - несколько ниже Аст (если температура превышена, то из-за растворения карбидных частиц, после охлаждения вновь образуется пластинчатый перлит). Таким образом, самый узкий интервал отжигаемости - для стали У9 (из-за близости температур Ас 1 И Аст), самый широкий - у легированной стали ШХ 15.
2.12. После какой обработки в стали 40Л выше прочность и вязкость: нормализация 850 ос или полный отжиг 850 ОС? Почему? Решение Сталь 40Л - литая доэвтектоидная конструкционная сталь. Для этой стали при нормализации и отжиге охлаждение про водится из аустенитной области (850 ОС). Повышенная по сравнению с отжигом скорость охлаждения при нормализации обеспечивает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), размер перлитных колоний и зерен также мельче. Такая структура обеспечивает более высокую прочность, твердость и ударную вязкость стали.
2. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА 2.1. Фазовые превращения в твердом состоянии. Изотермические и термодинамические диаграммы превращений 2.1.1. Диаграмма фазового состояния системыFe - FезС 2.1. Определить марку углеродистой стали, если известно, что после отжига в ее структуре 1О % перлита и 90 % феррита. Факторы, определяющие превращение перлита в аустенит. Факторы, влияющие на размер зерна аустенита: 2.2. В какой стали 40 или 40Х, превращение аустенита в перлит при охлаждении закончится быстрее? Почему? 2.3. Сталь 20 выплавлена: а) обычной плавкой в мартене; б) с введением в ковш добавок (0,01...0,03 %) Ti, Zr. Как это повлияет на склонность зерна аустенита к росту и на структуру стали после нормализации? 2.1.3. Диаграмма изотермических превращений аустенита Перлитное превращение Бейнитное превращение 2.1.4. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении 2.4. Предложить термическую обработку для получения в стали 45 твердости 300 НВ. Рекристаллизационный отжиг Отжиг для снятия остаточных напряжений 2.5. Отливку из стали 30ХГСЛ подвергли гомогенизации при 1200 ос более 10 часов. Описать полученную структуру. Обосновать необходимость последующей термообработки. 2.6. Определить время, необходимое для гомогенизации заготовок из стали Х12, если расстояние между осями дендритов 1,0 мм. Коэффициент диффузии хрома в аустените при температуре гомогенизации Dcr = 2.10-9 см2/с. 2.7. Образцы из стали 20 подвергли холодной деформации на 25, 50 и 75 %. Предложить обработку для разупрочнения стали после деформации. В каком случае процесс заметного разупрочнения при нагреве начнется раньше? 2.8. Когда время отжига для снятия внутренних напряжений играет существенную роль и в каких случаях им можно пренебречь? 2.2.3. Отжиг 2 рода Полный отжuг Изотермический отжиг Патентирование Неполный отжиг Сфероидизирующий отжиг Нормализационный отжиг 2.9. Какие виды отжига можно применить для сплавов 1 и 2 (рис. 2.6)? Почему? 2.10. Как исправить структуру перегрева в сталях 40 и 40ХНМА, если в образцах наблюдается а) слабый пере грев (2...3 балл зерна); б) сильный перегрев - видманштеттова структура? Чем отличаются режимы исправления перегрева для этих сталей? 2.11. К каким сталям применяют сфероидизирующий отжиг: сталь 45, У9, У12, ШХI5? У какой из них шире температурный интервал отжигаем ости? Почему? 2.12. После какой обработки в стали 40Л выше прочность и вязкость: нормализация 850 ос или полный отжиг 850 ОС? Почему?
ШВЕДОВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ
|
