Технология термической обработки
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Машиностроение. Приборостроение
Издательство:
Издательский Дом ФОРУМ
Автор:
Овчинников Виктор Васильевич
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 320
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-8199-0913-3
ISBN-онлайн: 978-5-16-109111-1
Артикул: 736477.01.01
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти
Рассмотрены базовые понятия теории и технологии термической обработки металлов и сплавов, вопросы классификации методов термической обработки металлов, изменение основных механических свойств металлов после термообработки.
Предназначен для бакалавров, обучающихся по направлению термической обработки конструкционных материалов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В.В. ОВЧИННИКОВ Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального образования в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», 22.03.02 «Металлургия» (квалификация (степень) «бакалавр») (протокол № 19 от 09.12.2019) Москва ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М 2020 УЧЕБНИК
УДК 669(075.32) ББК 34.3я723 О35 Овчинников В.В. О35 Технология термической обработки : учебник / В.В. Овчинников. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2020. — 320 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). ISBN 978-5-8199-0913-3 (ИД «ФОРУМ») ISBN 978-5-16-016208-9 (ИНФРА-М) Рассмотрены базовые понятия теории и технологии термической обработки металлов и сплавов, вопросы классификации методов термической обработки металлов, изменение основных механических свойств металлов после термообработки. Предназначен для бакалавров, обучающихся по направлению термической обработки конструкционных материалов. УДК 669(075.32) ББК 34.3я723 Р е ц е н з е н т ы: Феклистов С.И., доктор технических наук, главный научный сотрудник ОАО «НПО “ЦНИИТМАШ”»; Грушко О.Е., доктор технических наук, главный научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов ISBN 978-5-8199-0913-3 (ИД «ФОРУМ») ISBN 978-5-16-016208-9 (ИНФРА-М) © Овчинников В.В., 2020 © ИД «ФОРУМ», 2020
ВВЕДЕНИЕ Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями. Термическая обработка — самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных заводах термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов и деталей машин. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательную операцию для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей. Теория термической обработки является частью металловедения. Главное в металловедении — это учение о связи между строением и технически важными свойствами металлов и сплавов. При нагреве и охлаждении изменяется структура металлического материала, что обусловливает изменение механических, физических и химических свойств и влияет на его поведение при обработке и эксплуатации. Теорию термической обработки составляет учение об изменениях строения и свойств металлов или сплавов при тепловом воздействии, не исчезающих после его прекращения. По глубине и разнообразию структурных изменений, возникающих в результате термообработки, с ней не могут сравниться ни механические, ни какие-либо другие виды воздействия на металлы. Любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени. По такому графику можно определить температуру нагрева, время нагрева и охлаждения, средние и истинные скорости нагрева и охлаждения, время выдержки при температуре нагрева и общую продолжительность производственного цикла. Но по форме этого графика ничего нельзя сказать о том, с каким видом термообработки мы имеем дело. Вид термообработки определяется не характером из
Введение менения температуры во времени, а типом фазовых и структурных изменений в металле. Основываясь на последнем признаке, А.А. Бочвар разработал классификацию, охватывающую многочисленные разновидности термической обработки черных и цветных металлов и сплавов. На основе классификации А.А. Бочвара были разработаны классификация видов и разновидностей термической обработки сталей и цветных металлов и сплавов, а также соответствующая терминология. На рис. В.1 приведена схема классификации основных видов термической обработки металлов и сплавов. Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую. Собственно термическая обработка заключается только в термическом воз Термическая обработка Термомеханическая Закалка без полиморфного превращения Закалка с полиморфным превращением Закалка с плавлением поверхности Старение Отпуск Собственно термическая Химикотермическая Отжиг 1го рода Отжиг 2го рода Рис. В1. Схема классификации основных видов термической обработки металлов и сплавов
Введение 5 действии на металл или сплав, термомеханическая — в сочетании термического воздействия и пластической деформации, химикотермическая — в сочетании термического и химического воздействия. Собственно термическая обработка включает следующие основные виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку с полиморфным превращением, закалку без полиморфного превращения, закалку с плавлением поверхности, отпуск и старение. Эти виды термической обработки относятся и к сталям, и к цветным металлам и сплавам. Каждый из видов термообработки подразделяется на разновидности, специфические для сплавов на разных основах. С отдельными видами термообработки приходится сталкиваться как с побочными процессами при горячей обработке давлением, литье, сварке и других технологических операциях. Например, частичная или полная закалка встречается при ускоренном охлаждении отливок после их затвердевания. При шлифовании деталей изза разогрева поверхности может произойти отпуск. При сварке в зоне термического влияния сварного шва можно наблюдать рекристаллизационный отжиг и т.п. Побочные процессы термообработки бывают полезными, а могут вызывать и нежелательные изменения структуры и свойств изделий. Производственные названия отдельных процессов термообработки складывались исторически и основывались не на характере внутренних превращений в металле или сплаве, а на чисто внешних признаках. Поэтому один и тот же термин иногда используют для обозначения разновидностей термообработки, совершенно различных по своей физической сущности. Например, нагрев с переходом за критическую точку, выдержку и охлаждение на воздухе обычно называют нормализацией. При такой обработке в углеродистой стали происходят процессы, которые относятся к отжигу 2-го рода, в высоколегированных сталях может образоваться мартенсит, т.е. происходит закалка с полиморфным превращением, а некоторые цветные сплавы подвергаются закалке без полиморфного превращения. Примеров подобного рода можно привести множество. В связи с этим при употреблении некоторых производственных названий термической обработки иногда трудно понять, какова физическая сущность процессов, о которых идет речь. В таких случаях вместо устоявшихся производственных терминов или параллельно с ними необходимо использовать терминологию научной классификации разновидностей термической обработки.
Глава 1 ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ 1.1. Отжиг первого рода 1.1.1. Гомогенизационный отжиг Отжиг 1-го рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, возникшие при предыдущей обработке, причем его проведение не обусловлено фазовыми превращениями. Обработкой, предшествующей отжигу 1-го рода, могут быть литье, обработка давлением, сварка, термическая обработка и другие технологические процессы. В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают следующие разновидности отжига 1-го рода: гомогенизационный, дорекристаллизационный, рекристаллизационный и уменьшающий напряжения отжиг. Процессы, устраняющие отклонения от равновесного состояния, идут самопроизвольно, и нагрев при отжиге 1-го рода проводят лишь для ускорения этих процессов. Основные параметры отжига 1-го рода — температура нагрева и время выдержки. Скорости нагрева и охлаждения имеют подчиненное значение. Гомогенизационный отжиг — это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации. В результате дендритной ликвации возникает химическая микронеоднородность внутри кристаллов твердого раствора — основы сплава и могут появиться неравновесные избыточные фазы. Например, в сплаве Х1 на рис. 1.1 при равновесной кристаллизации состав во всем объеме α-раствора изменяется по кривой bs, и кристаллизация заканчивается в точке равновесного солидуса s без образования эвтектики. При неравновесной кристаллизации состав позднее образующихся слоев α-раствора, обогащенных компонентом В, и состав ранее образовавшихся слоев не успевают выровняться, средний состав первичных кристаллов в сплаве X1 изменяется по линии bс и кристаллизация его заканчивается при эвтектической температуре (точка m).
1.1. Отжиг первого рода 7 По окончании кристаллизации сплава Х1 в дендритных ячейках — сечениях ветвей дендритов — концентрация легирующего элемента минимальна в середине, а в поверхностном слое соответствует точке предельной растворимости при эвтектической температуре (точка а на рис. 1.1), В этом сплаве, который в равновесных условиях должен быть однофазным, в результате дендритной ликвации кристаллизуется неравновесная эвтектика, количество которой равно cm/се. Очень часто неравновесная эвтектика вырождается в β-фазу эвтектического происхождения, расположенную по границам дендритных ячеек (α-фаза состава точки а из эвтектики кристаллизуется, как на подкладке, на первичных α-кристаллах и структурно не выявляется). Точка k на диаграмме состояния (см. рис. 1.1) — это концентрационная граница появления неравновесной эвтектики в данных условиях. В диапазоне скоростей охлаждения при кристаллизации, которые реализуются в производственных условиях, выравнивающая диффузия в твердом растворе сильно подавлена, и неравновесная избыточная фаза кристаллизуется при весьма малых концентрациях легирующего элемента. В однофазных сплавах главный процесс при гомогенизационном отжиге — выравнивание состава зерен твердого раствора, т.е. устранение внутрикристаллитной ликвации. В сплавах, содержащих неравновесную избыточную фазу, например в сплаве Х1 на рис. 1.1, при гомогенизационном отжиге протекают два основных A α+β B, X1 β Ж b k r m s A′ α Ж+α a e c tг Рис. 1.1. Неравновесный солидус А′ka в системе эвтектического типа и кривая изменения среднего состава твердого раствора bc при дендритной ликвации сплава Х1 (схема)
Глава 1. Теория термической обработки сплавов процесса: выравнивание концентрации внутри зерен твердого раствора и растворение неравновесных избыточных фаз. В основе этих процессов лежит диффузия, и поэтому гомогенизационный отжиг также называют диффузионным. Слитки из углеродистых сталей обычно не подвергают гомогенизационному отжигу, так как в них при нагреве под горячую обработку давлением из-за быстрой диффузии углерода в аустените дендритная ликвация успевает исчезнуть. Легированные стали для устранения внутрикристаллитной ликвации и растворения неравновесного избытка карбидов эвтектического происхождения приходится подвергать специальному нагреву — гомогенизационному отжигу при 1050…1250 °С. Можно использовать два пути ускорения гомогенизации, регулируя микроструктуру. Первый путь — увеличение скорости кристаллизации сплава. Чем выше скорость кристаллизации, тем меньше размер дендритных ячеек и тоньше частицы избыточных фаз, кристаллизующихся по их границам. Поэтому слитки и фасонные отливки, затвердевавшие при большой скорости охлаждения, быстрее и полнее гомогенизируются, так как они отличаются более тонким строением. Например, слитки непрерывного литья малого сечения гомогенизируются быстрее, чем слитки большого сечения; кокильные отливки быстрее гомогенизируются, чем детали, отлитые в земляные формы. Другой путь ускорения гомогенизации — измельчение структуры слитка обработкой давлением. Так, вместо длительного гомогенизационного отжига слитков легированной стали увеличивают продолжительность нагрева деформированной заготовки перед последним переделом. Главное изменение свойств при гомогенизационном отжиге — повышение пластичности литого сплава. При выборе режима отжига слитка показатели пластичности следует измерять не при комнатной температуре, а при температуре первой операции горячей обработки давлением. Механические свойства фасонной отливки следует измерять при температуре эксплуатации детали, например комнатной. По мере растворения хрупких фаз пластичность растет и после окончания их растворения перестает изменяться. Относительное удлинение и сужение слитков алюминиевых сплавов при температурах горячей деформации возрастают в результате гомогенизации в 1,5…3 раза.
1.1. Отжиг первого рода 9 Если цель гомогенизационного отжига — повысить пластичность, то за оптимальное время гомогенизации можно принять время полного растворения неравновесного избытка фаз. Повышение пластичности слитков легированных сталей, алюминиевых и других сплавов уменьшает брак по трещинам при первой операции горячей обработки давлением, позволяет увеличить степень деформации, особенно на первых обжатиях, повысить скорость деформирования, улучшает состояние кромки (уменьшает рванины горячекатаных полос). Значение гомогенизации особенно велико для фасонных отливок, так как их не подвергают пластической деформации, измельчающей структуру. К фасонным отливкам из алюминиевых и магниевых сплавов гомогенизационный отжиг как самостоятельную операцию не применяют. Гомогенизация органически входит в операцию нагрева под закалку фасонных отливок. Этот нагрев проводят при таких высоких температурах и длительных выдержках, чтобы в твердый раствор перешло максимально возможное в производственных условиях количество избыточных фаз. Хотя при горячей обработке давлением и происходит коренное изменение строения сплава, но оно все же недостаточно, чтобы полностью устранить влияние литой структуры на его технологичность при последующей холодной обработке давлением. «Наследственность» литой структуры с неустраненной дендритной ликвацией проявляется в снижении пластичности холоднодеформированного сплава. Объясняется это тем, что при горячей обработке давлением, несмотря на сильное измельчение и «перемешивание» структуры, полностью не устраняется микронеоднородность сплава, вызванная дендритной ликвацией. Гомогенизация слитка, повышая пластичность холоднодеформированного сплава, улучшает состояние кромки холоднокатаных полос, позволяет сократить промежуточные отжиги и увеличить степень обжатия при холодной прокатке, улучшает штампуемость листов при глубокой вытяжке. Наследственность литой структуры бывает весьма устойчивой и сказывается на служебных свойствах изделий, несмотря на то, что в технологическом цикле структура сплава испытывает такие мощные воздействия, как обработка давлением, закалка, отпуск и другие виды обработки. Так, в высокоуглеродистых сталях, легированных хромом и вольфрамом, в результате дендритной ликвации может появиться карбидная эвтектика. Это явление называют карбидной ликвацией. В изделиях, несмотря на горячую прокатку и
Глава 1. Теория термической обработки сплавов закалку, сохраняются грубые скопления эвтектических карбидов. В этих местах выкрашиваются лезвие инструмента и трущаяся поверхность шарикоподшипника. Гомогенизация слитка может не только улучшить, но и ухудшить некоторые свойства готовой продукции. Например, гомогенизация при 490 °С в течение суток слитка из дуралюмина марки Д16 повышает на несколько процентов относительное удлинение закаленных и состаренных листов, но одновременно снижает их временное сопротивление на 10…15 МПа. Причиной некоторого снижения прочности является особое поведение марганца при гомогенизации слитка. Как уже отмечалось, при температурах около 500 °С растворимость марганца в алюминии сравнительно невелика и пересыщенный марганцем раствор, образовавшийся при кристаллизации, распадается. Выход марганца из раствора при гомогенизации слитка и коагуляция выделившихся частиц марганцевого интерметаллида несколько снижают прочность рекристаллизованных листов дуралюмина, прошедших полную термическую обработку (закалку и старение). Наиболее заметное и практически очень важное влияние гомогенизационный отжиг оказывает на показатели пластичности, ударную вязкость и усталостные характеристики изделий (прессованных полос, профилей, поковок и др.) поперек волокна, так как избыточные хрупкие фазы вытягиваются вдоль направления главной деформации. Гомогенизационный отжиг сталей, требующий большого расхода топлива и сопровождающийся значительными потерями металла на окалину, применяют лишь к высококачественным легированным сталям ответственного назначения (температуру отжига выбирают в интервале 1050…1250 °С). Из углеродистых сталей только автоматные подвергают гомогенизационному отжигу. Автоматные стали содержат повышенное количество серы, улучшающей обрабатываемость резанием (до 0,2…0,3 % вместо обычных 0,04…0,06 %). Сера сильно ликвирует к границам зерен при кристаллизации и вызывает красноломкость при прокатке. Гомогенизационный отжиг при 1150 °С устраняет красноломкость автоматной стали. Слитки большинства деформируемых алюминиевых сплавов подвергают гомогенизационному отжигу для улучшения обрабатываемости давлением и повышения механических свойств полуфабрикатов. Температуру отжига, обычно находящуюся в интервале 450…550 °С, выбирают в зависимости от марки сплава и вида полуфабрикатов.
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти