Тег «кристалл»

ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Нагрев стали при термической обработке в большинстве случаев имеет целью перевод ее структуры в аустенит. Для получения однородного аустенита необходимо нагреть сталь на 30—50° С выше критических точек (Лсх или Ас3, рис. 17) и выдержать при этой температуре нужное время. Для легированных сталей для получения однородного аустенита требуется более высокая температура нагрева и большая выдержка при нагреве под закалку. Отжиг. Отжиг бывает полный, неполный, гомогенизирующий и низкий. Отжиг стальных изделий или заготовок применяют для снятия внутренних напряжений, устранения структурной неоднородности, улучшения Рис. 17. Схема изменения обрабатываемости резанием структуры стали при нагреве и подготовки к последующей термической обработке. Полному отжигу подвергают обычно доэвтектоидные стали, нагреваяих выше линии 05 на 20—30°С(рис. 18), выдерживая при этой температуре в течение 1/4 продолжительности нагрева и медленно охлаждая вместе с печью до 600—400° С. Углеродистые стали охлаждают со скоростью 100—150° С в час, легированные — со скоростью 30—50° С в час. Отжиг сопровождается фазовой перекристаллизацией, в результате чего крупнозернистая сталь получает мелкозернистую структуру, освобождается от внутренних напряжений, становится мягкой и вязкой. Неполный отжиг является разновидностью отжига неполной перекристаллизации. При неполном отжиге сталь нагревается до температуры, на 30—40° С превышающей нижнюю критическую точку Асг (рис. 18), т. е. до температуры порядка 750—760° С. Для инстру-• ментальных сталей, особенно заэвтектоидных, неполный отжиг является единственным видом отжига. Он способствует снятию внутренних напряжений и улучшению обрабатываемости резанием. Гомогенизация (диффузионный отжиг) применяется для слитков и крупных отливок с целью выравнивания (путем диффузии) химического состава стали, имеющей внутрикристаллическую ликвацию. Сталь нагревают до 1000—1100° С, выдерживают при этой температуре 10—15 ч и затем медленно охлаждают до 600 — 550° С. Диффузионный отжиг приводит к росту зерна стали; этот дефект устраняется повторным отжигом на мелкое зерно (полный отжиг). Сталь, прошедшая гомогенизацию, обладает более высокими механическими свойствами; особенно повышается ударная вязкость. Низкий отжиг выполняют в тех случаях, когда полученная в результате литья или другой обработки структура стали удовлетворительна и нет необходимости ее изменять, нужно только снять возникшие внутренние напряжения. В этом случае сталь нагревают до температуры несколько ниже точки Асх (рис. 18), выдерживают при ней и охлаждают, как правило, на воздухе. Низкий отжиг часто называют сфероидизацией потому, что при этой температуре цементитные пластинки перлита разбиваются на отдельные участки, каждый из которых принимает округленную, сферообразную форму, получается структура зернистого перлита. Эта структура придает стали большую пластичность в условиях статических и, главное, динамических нагрузок. Нормализация стали. Нормализацией называют нагрев стали выше линии ОЗЕ на 30—50° С (рис. 18), с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Нормализацию применяют для устранения внутренних напряжений и наклепа, повышения механических свойств стали. Само слово «нормализация» указывает на то, что сталь после этой операции получает нормальную, однородную, мелкозернистую структуру; перлит приобретает тонкое строение. Нормализации подвергают отливки и поковки. В настоящее время нормализация распространена в машиностроении больше, чем отжиг, так как она является более производительной операцией и дает лучшие результаты.

Теги: , , ,

СВЕДЕНИЯ 0 КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Кристаллизация металлов. Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при его переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, имеют важное значение, так как в значительной степени определяют свойства металла. Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Д. К. Черновым. Кри- сталлизация состоит в следующем. В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоеди»яются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллиза- Рис. 2. Схема процесса кристаллизации металла ция состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров. На рис. 2 показан механизм кристаллизации. Сначала рост кристаллов не встречает препятствий (рис. 2, а), и растущие кристаллы сохраняют правильность строения кристаллической решетки. При дальнейшем движении кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся группы имеют уже неправильную форму, но сохраняют правильность строения внутри каждого кристалла. Такие группы кристаллов называют зернами (рис.2, б, в, г и д). На рис. 2, е показаны границы зерен различных размеров, что влияет на эксплуатационные свойства металла. Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару, при обработке мешает получению требуемого класса шероховатости поверхности. Размеры зерен зависят от различных факторов: природы самого металла и условий кристаллизации. Так как процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, то кривые охлаждения (рис. 3) строятся в координатах температура — время. На кривой 1 показан идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения. Сначала температура понижается равномерно — кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания падение температуры прекращается — на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что груп- Рис. 3. Кривые охлаждения при кристаллизации: / — теоретическая кривая кристаллизации металла; 2 — кривая кристаллизации металла с переохлаждением; 3 — кривая кристаллизации неметалла ,пировка атомов идет с выделением тепла. По окончании затвердевания температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре. Практически кристаллизация протекает несколько иначе, так как часто имеет место переохлаждение, т. е. металл при температуре затвердевания остается жидким, и кристаллизация начинается при более низкой температуре. Разница между идеальной и истинной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения. Кривая 2 соответствует процессу кристаллизации с переохлаждением. Кривая 3 характерна для кристаллизации неметаллов: нет четко выраженной температуры кристаллизации, затвердевание происходит постепенно. Степень переохлаждения является важнейшим фактором, определяющим величину зерна. При большой скорости охлаждения степень переохлаждения больше и зёрна мельче. Так, при отливке тонкостенных изделий получается мелкозернистая структура, при отливке толстостенных — крупнозернистая. Вторичная кристаллизация (аллотропия). Некоторые металлы: железо, кобальт, оково и др. — имеют в твердом состоянии две и более кристаллических решеток при неодинаковых температурах. Существование одною Рис. 4. Аллотропические превращения в железе и того же металла в разных кристаллических формах называют аллотропией, а процесс перестройки одного вида атомов кристаллической решетки в другой — аллотропическим превращением. Аллотропные формы, в которые кристаллизуется металл, обозначают буквами а, р, у, 8 и т. д. Так, при температуре 1539° С железо из жидкого состояния переходит в твердое и образуется б-железо с объемно-центрированной кубической решеткой (рис. 4); между 1390 и 910° С устойчиво у-железо немагнитное с гранецентрированной кубической решеткой, которая при дальнейшем охлаждении не перестраивается. При температуре 768° С железо из немагнитного р-железа становится магнитным а-железом. Эти модификации имеют важное практическое значение для термической обраб
отки и подробно рассматриваются в гл. 4. Методы изучения структуры металлов. Исследование структур металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновского, спектрального, термического, а также дефектоскопии (рентгеновской, магнитной, ультразвуковой). Методом макроанализа изучается макроструктура, т. е. структура, видимая невооруженным глазом или с помощью лупы, при этом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри и т. д., а также неравномерность распределения примесей в металле, и расположение волокна в поковках, прокате и т. д. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам. Макрошлиф — это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, протравлена и рассматривается при помощи лупы. Микроанализ выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, рассматриваемым под микроскопом при увеличении до 2000х, а в электронных микроскопах — до 25 000х. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, микродефекты, лежащие под поверхностью, качество термической обработки. Зная микроструктуру, можно объяснить причины неудовлетворительности свойств металла, не производя их исследование. С помощью рентгеновского анализа изучают структуру кристаллов, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ позволяет обнаружить дефекты, не разрушая металла. Широко применяют для исследования структуры металла гамма-лучи, проникающие в изделие на значительно большую глубину, чем рентгеновские. Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (стали, никеле и др.) на глубине до 2 мм (непровар в сварных швах, трещины и т. д.). Ультразвуковым методом осуществляются эффективный контроль качества изделий и заготовок любых металлов на большой глубине. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поковок, проката и других изделий при необходимости сохранения целостности изделий.

Теги: , , , ,

НАГРЕВ МЕТАЛЛА ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ

Нагрев заготовок производится с целью уменьшения сопротивления деформированию. При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной. Это позволяет готовляемых изделии. Для каждого металла и сплава температура горячей обработки имеет свои верхний и нижний пределы, образующие область нагрева, называемую температурным интервалом обработки. На рис. 25 показана область нагрева углеродистой стали для горячей обработки давлением в зависимости от содержания углерода. Ее верхние пределы лежат на 100—150°С ниже температуры начала пллвления (т. е. линии солидуса). Нижние пределы—на 60—75°С выше температур превращения перлита и цементита в аустенит (т. е. линии перлитных превращений). Выше линии верхних температурных пределов находится зона пережога, ниже линии нижних температурных пределов — зона упрочнения (наклепа). Пережженный металл годен только на переплавку. Зона перегрева является зоной наиболее интенсивного роста зерна и дает крупно- зернистую структуру металла, непрочную и хрупкую, которая может быть исправлена последующим отжигом на мелкое зерно. Обработка металлов давлением при температурах зоны наклепа дает напряженный и хрупкий (наклепанный) металл и может привести к разрушению его. Наклеп можно устранить последующей термообработкой (отжигом). Температуры зоны горячей обработки значительно превышают температуру рекристаллизации, и поэтому получаемый от механического воздействия наклеп немедленно уничтожается вследствие рекристаллизации и образования новых зерен. При правильно проведенном режиме горячей обработки давлением зерна металла получаются тем мельче, чем ближе температура конца обработки к нижнему пределу. В процессе горячей обработки давлением происходит образование мелких зерен, уменьшаются или уничтожаются пороки литого металла (например, газовые раковины, пустоты с неокисленными поверхностями завариваются), кристаллы стали вытягиваются и ориентируются в направлении течения металла, создается волокнистая макроструктура, вследствие чего механические свойства стали вдоль волокон становятся выше, чем поперек волокон. Это свойство используют при изготовлении деталей; заготовку деформируют так, чтобы направление возникающих в детали максимальных растягивающих напряжений чсов-падало с направлением волокон, причем волокна должны огибать контур изделий и не должны пересекать их. Нагрев заготовок в печи начинается с их поверхности, в дальнейшем тепло проникает внутрь заготовок за счет их теплопроводности. Для нагрева используются различные нагревательные устройства. Нагрев металла для горячей обработки производится в пламенных и электрических печах, с помощьй контактных и индукционных нагревателей. По распределению температуры в рабочем пространстве пламенных печей они делятся на камерные и методические. Ё камерных печах температура одинакова на всем рабочем пространстве. В методических печах нагрев заготовок осуществляется постепенно, по заданному режиму. В про1 катном производстве для нагрева слитков применяются также колодцевые печи со съемным или сдвигаемым сводом. Электрические печи для безокислительного нагрева металлов бывают также камерные и методические. Контактные электронагреватели применяются для нагрева током большой силы (при малом напряжении), проходящим через нагреваемую заготовку, которая в данном случае служит сопротивлением. Заготовка нагревается очень быстро, что обеспечивает высокую производительность и небольшую потерю тепла (к. п. д. установки 70—80%). Индукционный нагрев производится с помощью индукционного электронагревателя, состоящего из закрытого общим кожухом индуктора, в котором нагреваются заготовки, и монтируемой под ним батареи конденсаторов. Помещенный внутри индуктора металл нагревается под действием магнитного гистерезиса и возбуждаемых в нем вихревых токов. Высокий к. п. д. (60—70%) индукционного нагревателя достигается подбором тока соответствующей частоты. По сравнению с нагревом заготовок в других печах или индукционном нагреве резко сокращается (в 15 — 20 раз) время (при подборе соответствующих частот стальная заготовка диаметром 40 мм нагревается до ковочной температуры за 30—35 с), слой окалины уменьшается в 4—5 раз, обезуглероженный слой практически отсутствует, уменьшается угар металла, улучшаются условия труда (отсутствие облучения от нагревательных печей, бесшумность нагрева и др.). При контактном и и

Теги: , , , ,

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗО—УГЛЕРОД

В диаграмме состояния железо—углерод (цементит) рассматриваются процессы кристаллизации, протекающие в железоуглеродистых сплавах (стали и белом чугуне), и превращения в их структурах, полученные при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры (рис. 10). По вертикали откладывают температуру, по горизонтали — концентрацию углерода от 0 до 6,67% (более 6,67% углерода в железе не растворяется). Сплавы, содержащие углерода до 2,14%,—это сталь, а от 2,14 до 6,67% — чугун. Кристаллизация всех железоуглеродистых сплавов начинается при температурах, лежащих на линии АСБ (ликвидус). По линии АС кристаллизуется аустенит А, по линии СО — цементит первичный Ц1. Линия АЕСР является солидусом, ниже этой линии все сплавы железа с углеродом находятся в твердом состоянии. После затвердевания в железоуглеродистых сплавах образуются различные структуры. В чугуне образуется механическая смесь кристаллов аустенита и цементита Ц1. Чугун, содержащий 4,3% углерода, кристаллизуется при одной температуре 1147° С. Его структура представляет равномерную механическую смесь аустенита и цементита Ц1. Такой чугун называется эвтектическим или ледебуритным Л. Чугуны, содержащие менее 4,3% углерода, называются доэвтек-тическими, их кристаллизация начинается при температурах, лежащих на линии АС, с выделением аустенита, и кончается при температурах, лежащих на линии ЕР, при этом образуются структуры Л + А -+* 4- ЦП. ЦП при понижении температуры выделяется из аустенита. При дальнейшем понижении температуры из аустенита продолжает выделяться цементит ЦП и, когда его остается 0,8%, при температуре 727° С аустенит переходит в перлит П. Таким образом, в до-эвтектических чугунах при полном медленном охлаждении образуются структуры Л + П + ЦП. Чугуны, содержащие более 4,3% углерода, называются заэвтектическими. Их кристаллизация начинается на линии СО с выделением цементита первичного и заканчивается на линии СР. При полном медленном охлаждении в заэвтектических чугунах образуется структура Л + ЦР Следует отметить, что в составе ледебурита при температуре ниже 727° С аустенит переходит в перлит. В практике большое значение имеют доэвтектические чугуны. Они служат для получения ковкого чугуна, о котором будет коротко рассказано ниже. Главную роль в процессах термической обработки стали играют структурные превращения. В результате затвердевания в стали образуется аустенит. При понижении температуры аустенит претерпевает вторичную кристаллизацию, связанную с изменением формы кристаллической решетки и растворимостью углерода, т. е. с выделением из аустенита феррита и цементита вторичного. В точке 5, соответствующей содержанию углерода 0,8%, при 727° С аустенит распадается и образуется равномерная смесь феррита с цементитом — перлит П. Эта сталь называется эвтектоидной. Сталь, содержащая менее 0,8% углерода, называется доэвтек-тоидной, а более 0,8% — заэвтектоидной. Распад аустенита в доэвтектоидной стали начинается при температурах, лежащих на линии 0′5, с выделением феррита Ф. При дальнейшем понижении температуры концентрация углерода в оставшемся аустените возрастает, и когда она достигает 0,8%, при 727° С аустенит переходит в перлит. Таким образом, в доэвтектоидной стали при полном медленном охлаждении получают структуры Л + Ф. В заэвтектоидной стали начало распада аустенита идет по линии 55 с выделением ЦП. Когда остается 0,8% углерода, он при 727° С переходит в перлит. Таким образом, в заэвтектоидной стали при полном медленном охлаждении получаются структуры П -ь» 4- ЦП. Линия 08Е называется линией верхних критических точек или линией начала распада аустенита (при охлаждении). Эта линия на диаграмме обозна-, чается Лез при нагревании и Ан при охлаждении. Линия (727° С) называется линией нижних кри- тических точек, линией конца распада аустенита при охлаждении или линией перлитных превращений. На диаграмме она обозначается Ас\ при нагреве и Аг% при охлаждении. Диаграмма железо—углерод имеет важное практическое значение, так как на превращениях в структурах стали и чугуна основана термическая обработка, а термическая обработка изменяет и улучшает свойства сплавов. Подробно диаграмма железо—углерод рассматривается в гл. 4 (рис. 18).

Теги: , , , , , , ,