Виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, старение;их назначение. Связь диаграмм состояния двойных сплавов и возможных видов их термической обработки.

Виды термической обработки.

1) Отжиг – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше критической температуры (структура аустенит), выдержки и медленном охлаждении. Задача отжига – получение более или менее равновесной структуры металла. Существует отжиг первого и второго рода.

Отжиг первого рода направлен на возвращение в равновесное состояние металла, подвергнутого предварительной пластической деформации.

Отжиг первого рода проходит в две стадии: 1) возврат 2) рекристаллизация. В результате пластической деформации в металле возникает особая структура, при которой большинство кристаллов оказывается деформированными в одном направлении.

Металл, свойства которого были одинаковы во всех направлениях из-за произвольной хаотической ориентации кристаллов приобретает преимущественные направления распределения свойств. Устранить влияние пластической деформации на структуру металла можно двумя способами.

1) Возврат – нагрев металла до относительно низких температур. Результат – искаженная форма кристаллов сохраняется, снимаются внутренние напряжения в структуре. В результате твердость и прочность незначительно уменьшаются, уменьшается склонность к хрупкому разрушению.

2) Рекристаллизация – нагрев до высоких температур: чистые металлы – до t_р = 0,2-0,3t_пл; чистые сплавы – до t_p = 0,5-0,6t_пл; технические сплавы – до t_р = 0,8-0,9t_пл. Под действием высоких температур происходит полная перестройка кристаллической структуры металла. Вместо деформированных кристаллов в твердом состоянии происходит зарождение и рост новых равновесных кристаллов. Свойства металла возвращаются к исходным – бывшим до деформации.

Отжиг второго рода заключается в нагревании стали выше критической температуры аустенита, выдержки и охлаждении. Направлен на перевод стали, находящейся в неравновесном состоянии после предварительной термической обработки в равновесное состояние.

Левый нижний угол диаграммы железо-цементит.

I. Полный отжиг. Нагрев до температуры 900–1000° C. Как результат: происходит выравнивание химического состояния (исчезновение ликваций); образуется полностью равновесная структура. Следы предварительной термообработки полностью исчезают. Происходит рост зерна аустенита (гомогенизация).

II. Полный отжиг. Структура металла переходит в более равновесное состояние. Ликвации сохраняются, роста зерна не происходит.

III, IV. Неполный отжиг. Происходит уменьшение степени неравновесности, частично сохраняются следы предварительной термообработки.

V. Сорероидизация, применяется для заэвтектоидных сталей (С>0,8%). Цель – образование сферического цементита. Исчезает цементный скелет. Кристаллы цементита приобретают правильную сферическую форму. Результат – улучшение механических свойств металла, уменьшение хрупкости, увеличение вязкости.

2) Закалка – вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали выше критической температуры (структура аустенит), выдержки при этой температуре и охлаждении со скоростью выше критической (структура мартенсит). Цель: повышение твердости и прочности стали.

Критическая скорость охлаждения – минимальная скорость охлаждения стали, при которой не происходит распада аустенита с образованием перлита (t = 727° C).

При охлаждении со скоростью v_кр кривая охлаждения касательна к линии начала распада А. При скорости v₁<v_кр – низкая скорость охлаждения – идет процесс распада А, закалки не происходит. При v₂>v_кр – происходит закалка с образованием мартенсита. При v₃<v_кр происходит неполная закалка, часть кристаллов А распадается, часть – превращается в мартенсит.

Выбор температуры нагрева стали под закалку.

Условия выбора:

1) Образование аустенитной структуры должно пройти полностью за относительно непродолжительное время.

2) Не должно происходить увеличения размеров зерна аустенита вследствие нагрева.

Результаты закалки при разных условиях:

1) Температура выше оптимальной: превращение происходит быстро, увеличиваются размеры кристаллов аустенита, следовательно возможно ухудшение свойств закаленной стали.

2) Температура оптимальная: превращение происходит быстро, результат качественный.

3) Температура ниже оптимальной: Закалка возможна, но недопустимо сильно увеличивается время выдержки.

4) Температура ниже критической: Аустенит образуется частично. Результат – неполная закалка.

Интервал температур определен экспериментально. Для заэвтектоидных сталей температура нагрева на 20–50° C выше линии SK. Причина: углерод как легирующий элемент способствует повышению устойчивости аустенита.

Для заэвтектоидных сталей закалка с температурой выше линии SK приводит к высокому содержанию углерода в аустените. После закалки при низких температурах в структуре находится много остаточного аустенита, как следствие уменьшается твердость. После закалки при температуре на 20–50° C выше линии SK, избыточный углерод остается в виде цементита, содержание углерода в аустените пониженное, аустенит практически полностью превращается в мартенсит. Влияние остаточного аустенита компенсируется высокой прочностью и твердостью вторичного цементита.

Способность стали к закалке.

1) Закаливаемость – способность стали существенно изменять свои свойства после закалки. Зависит от содержания углерода в стали (С > 0,25%).

2) Прокаливаемость – способность стали образовывать мартенсит при низких критических скоростях охлаждения. Чем ниже скорость, тем выше прокаливаемость, тем толще поверхностный слой закаленного металла.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

1. Вычертите диаграмму состояния с нерастворимостью компонентов в твердом состоянии эвтектикой

	Тпл, °С	Плотность, г/см	Тэвт, °С	Точка эвт.
А		2,7		В=23% вес.
В		5,5

3. Вычертите диаграмму состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой

	Тпл, °С	р, г/см3	Тэвт, °С	Точка эвтектики	Растворимость ТЭВТ ТК
А				В=35% вес.
В

Определите массу компонентов в твердом растворе а состава (5%), если масса сплава 500 г.

5. Вычертите диаграмму состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии иперитектикой

	Тпл, °С	р, г/см3	Тп,°С	Точка эвтектики	Растворимость Тп ТК
А		2,7		В=35% вес.
В		5,5

7. Определите массу железа и углерода в сером чугуне эвтектического состава, если масса сплава 2000 г. Плотность Fe - 7,8 г/см³, С - 2,5 г/см³

9. Определите массу аустенита и цементита в белом чугуне эвтектического состава при температуре эвтектики, если масса сплава 1000 г. Плотность Fe - 7,8 г/см³, С - 2,5 г/см³

11.Определите массу цементита и феррита в стали эвтектоидного состава, если масса сплава 200 г. Плотность Fe 7,8 г/см³, С - 2,5 г/см³. Считать, что в феррите углерод не содержится.

13.Определите плотность ледебурита в белом чугуне эвтектического состава, если масса сплава 1000г. Плотность Fe - 7,8 г/см³, С - 2,5 г/см³.

15.Вычертите диаграмму состояния с нерастворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой

	Тпл, °С	р, г/см	Тэвт, °С	Точка эвтектики
А		3,7		В=25%вес.
В		5,3

Определите массу компонентов в сплаве состава 10% В, если масса сплава 500 г.

17.Вычертите диаграмму состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой

	Тпл, °С	, г/см	Тэвт, °С	Точка эвтектики	Растворимость ТЭВТ ТК
А		8,7		В=25% вес.
В		5,3

Определите плотность твердых растворов при комнатной температуре.

19.Определить массу компонентов и плотность сплава Al-Si эвтектического состава (12% вес. Si),. если плотность А1 - 2,7 г/см³, Si - 5 г/см³

21.Вычертите диаграмму состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой

	Тпл, °С	, г/см3	Тэвт, °С	Точка эвтектики	Растворимость ТЭВТ ТК
А	800,	7,7		В=45% вес.
В		10,3

Определите плотность твердых растворов при комнатной температуре.

23.Вычертите диаграмму состояния с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Определите плотность сплава состава 45% В при комнатной температуре. Масса сплава 1000 г. _А=78,7 г/см³, _В=9,8 г/см³

25.Определить массу цементита и аустенита в 1 кг белого чугуна, содержащего 5% С. Плотность Fe =7,8 г/см³, С =2,5 г/см³

27.Определить массу цементита и аустенита в 2 кг белого чугуна, содержащего 3% С. Плотность Fe =7,8 r/см³, С =2,5 г/см³

29.Определить массу ледебурита и аустенита при температуре 1147°С в 1 кг белого чугуна, содержащего 2,5% С. Плотность Fe =7,8 г/см³, С =2,5 г/см³

31.Определить массу цементита в 500 г белого чугуна, содержащего 6% С. Плотность Fe =7,8 г/см³, С =2,5 г/см³

33.Определить массу аустенита в 1 кг белого чугуна, содержащего 5% С. Плотность Fe =7,8 г/см³, С =2,5 г/см³

35.Определить массу цементита в 1 кг стали У10. Плотность Fe =7,8 г/см³, С =2,5 г/см³

37.Определить массу цементита в 1 кг стали У7. Плотность Fe =7,8 г/см³, С =2,5 г/см³

39.Определить массу феррита в 1 кг стали 55. Плотность Fe =7,8 г/см³, С =2,5 г/см³

41.Определить массу цементита в 1 кг стали У8. Плотность Fe =7,8 г/см³, С =2,5 г/см³

43.Вычертите диаграмму состояния с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Определить массу компонентов в 1 кг сплава, содержащего 55% В. Плотность А =8,1 г/см³, В =7,8 г/см³

49.Расшифруйте состав стали ШХ20 (среднее содержание элементов), укажите, к какому классу она относится.

47.Определить массу цементита в 1 кг белого чугуна, содержащего 3% С. Плотность Fe =7,8 г/см³, С =2,5г/см³

45.Определить массу титана и алюминия в 1 кг сплава (твердого раствора), содержащего 5% А1. Плотность Ti =4,5 г/см³, Аl =2,7 г/см³