Тема 1.4. Формирование структуры деформированных металлов и сплавов

Студент должен:

знать: особенности пластической деформациимоно- и поликристаллов;

диаграмму растяжения металлов; явления возврата и рекристаллизации.

Пластическая деформация моно- и поликристаллов. Диаграмма растяжения металлов,. Пластическая деформация поликристаллических металлов. Деформирование двухфазных сплавов; Свойства пластически деформированных металлов.

Возврат и рекристаллизация.

Литература: 3, с. 24...28: 4, с. 18...24: 7, с.53...63.

Методические указания

При изучении испытания на растяжение вычертите в конспекте диаграммы растяжения для пластичных и хрупких материалов и укажите характерные точки на них. Нужно знать, какие характеристики прочности и пластичности определяются при испытании на растяжение, все формулировки (пределов упругости, пропорциональности, физического и условного пределов текучести, предела прочности). Не путайте площадку текучести и предел текучести. Предел текучести - характеристика прочности материала, а площадка текучести - характеристика пластичности.

Вопросы для самоконтроля

1. Укажите характерные точки на диаграмме растяжения.

2. Какие характеристики пластичности определяются при испытании на растяжение?

3. Дайте определение понятиям возврат и рекристаллизация.

Тема 1.5 Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов

Студент должен:

иметь представление:

о перспективах развития термической и химико-термической обработки материалов; о возможных дефектах материалов при термической и химико-термической обработке материалов;

знать: основные виды и процессы термической и химико-термической

обработки материалов и сплавов; влияние термической и химико-термической обработки на структуру и свойства материалов и сплавов; основное оборудование для термической и химико-термической обработки;

уметь: обосновывать выбранный режим термической обработки;

проводить термическую обработку сталей и сплавов.

Определение и классификация видов термической обработки. Превращения в металлах и сплавах при нагреве и охлаждении. Основное оборудование для термической обработки. Виды термической обработки стали: отжиг, нормализация, закалка, отпуск закаленных сталей. Поверхностная закалка сталей. Дефекты термической обработки и методы их предупреждения и устранения. Термомеханическая обработка, виды, сущность, область применения.

Определение и классификация основных видов химико-термической обработки металлов и сплавов. Цементация стали. Азотирование стали. Ионное (плазменное) азотирование и цементация. Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами.

Лабораторные работы № 2.

Литература: 3, с, 91... 123; 4, с. 156...227; 7, с. 89... 107.

Методические указания

Современная техника предъявляет всевозрастающие требования к механическим свойствам металлов, которые в значительной степени можно улучшить путем термической и химико - термической обработки. Увеличение прочности деталей во многих случаях позволяет уменьшить их габариты и массу, что дает огромную экономию металла.

Изучение этой темы начните с процессов, протекающих при охлаждении аустенита с различной скоростью. Разберите диаграмму распада аустенита и изотермического распада аустенита при непрерывном охлаждении (С - образные кривые), а также структуры, получающиеся при разной скорости охлаждения аустенита. Запомните, что перлит, сорбит и троостит-это двухфазные структуры, представляющие собой ферритно - цементитную смесь различной степени дисперсности (размельченности), они имеют пластинчатое строение.

При большой скорости охлаждения диффузия углерода не успевает произойти, происходит только аллотропическое превращение железа, поэтому из аустенита получается однофазная структура - мартенсит, который представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в альфа - железе, он имеет игольчатое строение. Запомните, что чем больше скорость охлаждения аустенита, тем тверже получающиеся структуры. Нужно знать, какая температура называется мартенситной точкой. В углеродистых сталях начало мартенситного превращения происходит при температуре около 200°С

Любая термическая обработка состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки и охлаждения с заданной скоростью, поэтому термическую обработку обычно выражают графически в координатах температура — время. В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие основные виды термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Нужно знать цель и сущность каждого вида термической обработки, практику его проведения, а главное — какую структуру и свойства приобретает сталь в результате проведения каждого вида термической обработки.

При изучении процесса отжига разберите, в каких случаях какой метод отжига наиболее целесообразно применять, каким сталям дают полный отжиг, а каким неполный. Легированные стали и крупные поковки требуют очень медленного охлаждения, поэтому применение для них изотермического отжига разрешает значительно увеличить производительность.

Отжиг на зернистый перлит целесообразно применять для инструментальных и шарикоподшипниковых сталей, так как зернистые структуры имеют повышенную пластичность, и детали при последующей закалке менее склонны к короблению, меньше опасность появления трещин. Цель отжига - получение максимальной вязкости, пластичности. А так как у разных сталей время устойчивости аустенита разное (см. Со­образные кривые), то и скорость охлаждения при отжиге для разных сталей разная. Она зависит от устойчивости аустенита в области перлитного превращения. Разберите явления перегрева и пережога, разницу между ними, меры предупреждения и способы устранения этих видов брака.

При изучении процесса нормализации прежде всего отметьте разницу между

отжигом и нормализацией в их назначении и способе проведения процесса. При отжиге скорость охлаждения разная для разных сталей, при нормализации же скорость охлаждения для всех сталей одна и та же - на воздухе. Поэтому после нормализации у разных сталей получается разная структура, она зависит от критической скорости закалки. В углеродистой стали структура после нормализации получается практически такая же, как и после отжига, но более мелкая, поэтому прочность нормализованных сталей несколько выше, чем отожженных. В ряде случаев для углеродистых сталей вместо отжига можно производить нормализацию. В легированных сталях в зависимости от критической скорости закалки в структуре может быть сорбит, троостит или мартенсит.

Закалка - один из наиболее важных видов термической обработки. При изучении закалки прежде всего отметьте, как выбирается температура нагрева в зависимости от содержания углерода в стали. Нужно знать, что для доэвтектоидной стали всегда дают полную закалку, так как при неполной закалке остается феррит, который образует мягкие участки, а для заэвтектоидной стали можно давать неполную закалку, так как остающийся цементит твердость не снижает. Нужно знать охлаждающие среды и требования к ним. Следует иметь в виду, что при чрезмерном увеличении скорости охлаждения получаются большие внутренние напряжения, коробления и могут быть трещины. Поэтому, если мартенсит можно получить при охлаждении в масле, не нужно деталь охлаждать в воде. Запишите, что называется прокаливаемостью стали и как на нее влияет критическая скорость закалки. Разберите основные методы закалки, применяемые на практике, и в каких случаях какой метод целесообразно применять. Желательно кривые охлаждения при различных методах закалки нанести на диаграмму изотермического распада аустенита, тогда наглядно видна разница между ними. Изучая ступенчатую и изотермическую закалку, обратите внимание на то, что температура горячей среды, в которой происходит выдержка, может быть одинаковой (вблизи мартенситной точки), но при ступенчатой закалке время выдержки должно быть меньше времени устойчивости аустенита при данной температуре, поэтому окончательная структура - мартенсит, а при изотермической закалке время выдержки должно обеспечить полный распад аустенита на игольчатый троостит. Игольчатый троостит обладает значительно меньшей твердостью, чем мартенсит, поэтому изотермическую закалку нельзя применять для режущего инструмента, но она обеспечивает большую прочность при минимальных внутренних напряжениях, так как отсутствует мартенситное превращение. Ее наиболее целесообразно применять для тех деталей, которые работают с временными мгновенными перегрузками, и во время работы у которых отсутствует пластическая деформация, например для пружин.

В сталях, у которых мартенситная точка лежит ниже 0°С, после закалки может остаться большое количество остаточного аустенита. Для таких сталей, например легированных инструментальных или для постоянных магнитов, для уменьшения количества остаточного аустенита после закалки производят обработку холодом, то есть охлаждение ниже 0°С, разработанную А. П. Гуляевым.

В результате закалки в деталях всегда возникают внутренние напряжения в связи с резким охлаждением и фазовыми превращениями. Для уменьшения напряжений, повышения вязкости, иногда для снижения твердости после закалки всегда следует отпуск. Большей частью отпуск является окончательной термической обработкой, которая определяет конечную структуру, а значит, и свойства деталей. Сделайте график зависимости механических свойств стали в зависимости от температуры отпуска. Нужно хорошо знать температуры при различных видах отпуска, какая получается структура после каждого вида отпуска, и для каких деталей обычно применяется низкий, средний и высокий отпуск. Наилучшим сочетанием между прочностью и вязкостью обладает сорбит отпуска, поэтому термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением стали.

Детали, которые должны иметь твердость только на поверхности, подвергаются поверхностной закалке. В результате поверхностной закалки увеличивается также общая прочность деталей, так как увеличивается предел усталости. Разберите основные методы поверхностной закалки. Основное внимание уделите закалке токами высокой частоты, так как она наиболее легко автоматизируется и дает наилучшие результаты. При изучении поверхностной закалки газовым пламенем нужно иметь в виду, что для крупных деталей это в ряде случаев единственный метод поверхностного упрочнения.

Нужно знать новые прогрессивные методы упрочнения деталей:

термомеханическую, ультразвуковую, термомагнитную обработки. Запишите, что высокотемпературной термомеханической обработке (В'ГМО) можно подвергать любые стали, а низкотемпературной (НТМО) - только те, у которых переохлажденный аустенит обладает повышенной устойчивостью, то есть легированные. Повышение механических свойств в результате ТМО объясняется тем, что при пластической деформации аустенита создается мелкоблочное строение. При закалке измельченный при наклепе аустенит превращается в мартенсит тонкого строения.

При изучении процессов химико-термической обработки нужно обращать внимание на температуру процесса, химический состав стали (особенно на процентное содержание углерода) для данного вида химико-термической обработки и на необходимость термической обработки до и после того или иного вида химико-термической обработки. Каждый вид химико-термической обработки имеет свою область применения, определенные достоинства и недостатки. Рассматривать их нужно именно с этой точки зрения и выписывать это в конспект.

При изучении цементации особое внимание уделите газовой цементации, как наиболее прогрессивному методу, который разрешает наиболее полно осуществить механизацию и автоматизацию процесса. Обязательно заломите, что твердость поверхностного слоя после цементации получается только при последующей закалке, сердцевина при этом остается вязкой, так как стали с малым содержанием углерода практически не калятся.

Достоинства азотирования - твердость не снижается при повторных нагревах до 500-600°С и увеличивается сопротивление коррозии в неэлектролитах. Но азотирование-процесс очень дорогой и непроизводительный, поэтому применять его следует только в тех случаях, когда никакая другая обработка не обеспечивает нужных свойств. Например, для деталей, которые подвергаются истиранию и работают в условиях коррозии, или для деталей, которые подвергаются истиранию и во время работы могут периодически нагреваться до 500-600°С (нельзя путать детали, которые периодически нагреваются во время работы, например штампы для горячей штамповки в момент соприкосновения с заготовкой, с деталями, которые постоянно нагреты во время работы, например лопатки газовых турбин).

При изучении цианирования обратите внимание на свойства цианированного слоя

в зависимости от температуры, при которой производится цианирование, и на область применения низко-, средне- и высокотемпературного цианирования. Высокотемпературное цианирование обычно производится в газовой среде. Этот процесс называется нитроцементацией.

Нужно иметь представление о диффузионной металлизации хромом, алюминием и другими элементами, понимать принципиальное отличие диффузионного насыщения поверхности металлами от гальванических покрытий, а главное - назначение каждого метода обработки.

Для изучения структуры стали после химической и термохимической обработки на лабораторных работах необходимо ознакомиться с металлографическими микроскопами, просмотреть и зарисовать структуры сталей до и после химической и термохимической обработки.

Вопросы для самоконтроля

1. Каково влияние скорости охлаждения на продукты распада аустенита?

2. Какая скорость охлаждения называется критической скоростью закалки?

3. Какая разница между мартенситной и перлитной точкой?

4. Какое практическое значение имеет термическая обработка для уменьшения размеров и массы деталей машин и механизмов и экономии металла?

5. Какая разница между отжигом первого и второго рода?

6. Пользуясь диаграммой железо-цементит, укажите до какой температуры нагревают сталь, содержащую 0,5% С при отжиге.

7. В чем принципиальное отличие изотермического отжига от обычного и в чем его преимущества?

8. Чем отличается процесс нормализации от отжига?

9. Как влияет критическая скорость закалки на выбор охлаждающей среды при закалке?

10. Какая структура получается в стали после ступенчатой и после изотермической закалки?

11. Зачем после закалки производится отпуск стали?

12. В каких случаях производят поверхностную закалку?

13. Перечислите основные виды химико - термической обработки деталей.

14. При каких условиях работы деталей целесообразно производить азотирование?

15. Какая химико-термическая обработка называется нитроцементацией? В чем ее преимущества перед цементацией.

16. Перечислите основные виды диффузионной металлизации.