Классификация и маркировка легированных сталей

В основу классификации легированных сталей заложены четыре признака:

− равновесная структура;

− структура охлаждения на воздухе;

− химсостав;

− назначение.

По равновесной структуре легированные стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные и, следоватнльно, ферритные, феррито – перлитные, перлитные, перлито-цементитные. В ледебуритных сталях присутствует эвтектика (ледебурит), которая характерна для чугунов. Стали, легированные сильными аустенизаторами (C, Mn, Ni, Co, Cu), имеют расширенную γ -область и относятся к аустенитному классу. Стали, легированные сильными ферритообразующими элементами, относятся к ферритному классу (Cr, Mo, W, Ti и др.)

После нормализации (нагрев выше Асз и охлаждение на воздухе) легированные стали имеют следующие основные классы: ферритный, перлитный, мартенситный и аустенитный. Перлит может иметь структуру сорбита, тростита, бейнита в малолегированных сталях, мартенсита в легированных и аустенита (в высоколегированных).

По химсоставу стали классифицируются в зависимости от легирующих элементов: хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и многие другие. Легированные стали могут быть низколегированные (до 3% легирующих элементов), среднелегированные (от 3 до 10%), высоколегированные (от 10 до 50%).

Легированные стали, как и углеродистые, делятся по качеству в зависимости от содержания вредных примесей (S и P), газов (H, N, O), неметаллических включений, способа выплавки, мехсвойств.

Стали обычного качества (общего назначения) содержат фосфора и серы ~ до 0,035 и 0,04 %; качественные до 0,025% каждого элемента, высококачественные (до 0,015% и до 0,025%) и особовысококачественные (до 0,01% каждого элемента).

По назначению стали классифицируются на:

а) конструкционные;

б) инструментальные;

в) стали и сплавы с особыми свойствами.

Маркировка легированных сталей осуществляется следующим образом. Первые одна, две, три цифры в начале марки обозначает содержание углерода (18Х2Н2 МФА, 110Г13ЧТЛА, 9ХВГСА). В конструкционных сталях углерод находится в сотых долях процента, в инструментальных – десятых долях про- центов. Буквы правее цифр углерода обозначают легирующие элементы: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р- бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ва- надий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные металлы, Ю – алюминий. Цифра стоящая после буквы указывает содержание элемента в процентах. Если цифры не стоит, то это говорит о том, что содержание соответствующего легирующего элемента составляет приблизительно 0,9 – 1,5 %. Если цифры не стоит после Mo, V, N, P3M, Ti, Ta, Nb, Zn, то это означает, что этого элемента содержится 0,2 – 0,5%; после перечисленных элементов в других случаях ставится цифра, в том числе «1». Высококачественные стали в конце марки обозначаются буквой «А» (т.е. содержание S, P, H, N, O – регламентировано). Особовысококачественные стали в конце обозначаются буквой «Ш», что говорит о выплавке стали электрошлаковым переплавом. Буква «А» в середине марки стали свидетельствует о легированности стали азотом. Если буква «А» стоит в начале марки, то это обозначает, что сталь «автоматная», с повышенным S и P, для лучшей обрабатываемости на автоматических станках.

Качество этих «так называемых автоматных» сталей низкое. Если сталь легирована свинцом, то ее обозначают, например, АС35Г2, где А – «автоматная», С – легирована Рb, 35 – содержание углерода 0,35%, 2% – марганца. Шарикоподшипниковые стали (ШХ9, ШХ12, ШХ15…) маркируются бук- вой «Ш», Х – хром, цифры обозначают содержание хрома в десятых долях про- цента, т.е. 0,9; 1,2; 1,5. Содержание углерода равно 0,9 – 1,1%. К ним предъяв- ляются высокие требования по количеству неметаллических включений. Быстрорежущие стали, содержащие большое количество вольфрама, молибдена, ванадия, обозначаются буквой «Р», следующая цифра отражает содержание вольфрама. Например: Р18 – быстрорез, содержащий 18% вольфрама, Р9М3Ф3Т3А – быстрорез, содержащий 9% W, 3% Mo, 3% V, 3% Ti, A – высококачественная сталь.

Некоторые стали, изготавливаемые на заводах «Электросталь» в г. Элек- тросталь, «Спецсталь» в г. Златоуст, «Днепроспецсталь» в г. Запорожье и неко- торых других, обозначаются ЭИ, ЭП с порядковым номером разработки (ЭИ 962 – 11Х11Н2В2МФА, ЭП 33 – 10Х11Н23Т3МР и т.д.) Данные по таким ста- лям можно найти только в технических условиях (ТУ) заводов, МРТУ. Конструкционные стали составляют самую обширную группу материалов, которые идут на изготовление деталей машин, строительных конструкций. Они должны иметь высокие мехсвойства, быть долговечными, надежными. Высокие мехсвойства достигаются у «улучшенных» сталей (закалка с отпуском). Для повышения мехсвойств, увеличения закаливаемости и прокаливаемости стали легируют, микролегируют. Существенно сказывается на повышение мех- свойств измельченное зерно. Уменьшение содержания вредных приме- сей стали (S, P, N, H, O, Sb, As и др.) очень сильно влияет на повышение мех- свойств, эффективное средство против отпускной хрупкости 1 рода (~ 270 – 330°С) и 2 рода (~470 – 520°С). Во избежание охрупчивания при отпуске сталей необходимо предусмотреть быстрое охлаждение после отпуска в интервалах этих температур.

5. Отжигом называют термообработку, направленную на получение в металлах равновесной структуры. Любой отжиг включает в себя нагрев до определенной температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение. Цель отжига - уменьшить внутренние напряжения в металле, уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность. Отжиг делят на отжиг 1 рода и 2 рода.

Отжиг 1 рода - это такой вид отжига, при котором не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями.

ПОЛНЫЙ ОТЖИГ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Полный отжиг заключается в нагреве стали на 30—50 °С выше верхней критической точки для полного превращения структуры стали в аустенит и последующем медленном охлаждении до 500—600 °С для образования феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50—100 °С/ч. Если охлаждение ведётся на воздухе, происходит нормализация. Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге стали – эвтектоидный распад аустенита на смесь феррита с цементитом. Кинетика эвтектоидного превращения изображается С-образными кривыми, построенными в координатах “температура – время” на диаграмме изотермического превращения аустенита (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма изотермического распада аустенита для доэвтектоидной стали

При температуре 727 °C (точка А1) аустенит находится в термодинамически устойчивом равновесии со смесью феррита и цементита. Чтобы начался распад аустенита, необходимо его переохладить ниже 727 °C. Устойчивость переохлажденного аустенита характеризуется инкубационным периодом, т.е. отрезком времени (от оси ординат до С-кривой, рис. 1), в течение которого обычные методы исследования не фиксируют появление продуктов распада.

Эвтектоидная смесь феррита с цементитом растет от отдельных центров в виде колоний. Важнейшей характеристикой эвтектоида является дисперсность феррита и цементита внутри его колоний. Мерой этой дисперсности служит межпластинчатое расстояние D0 (рис. 2). Межпластинчатым расстоянием называется средняя суммарная толщина соседних пластинок феррита и цементита.

Рис. 2. Схема феррито-цементитной структуры.

В зависимости от дисперсности пластин в эвтектоиде его называют перлитом, сорбитом или трооститом. Перлит образуется при небольших степенях переохлаждения (охлаждение с печью со скоростью в несколько градусов в минуту), и строение его можно выявить при малых и средних увеличениях микроскопа. Сорбит образуется при несколько больших степенях переохлаждения (охлаждение на воздухе со скоростью в несколько десятков градусов в минуту). Поэтому он более дисперсен, и микростроение сорбита выявляется только при больших увеличениях микроскопа. Троостит образуется еще при больших степенях переохлаждения, и его внутреннее строение трудно выявить даже при очень больших увеличениях светового микроскопа. С увеличением дисперсности эвтектоидной смеси возрастают твердость, предел прочности и предел текучести. Так как подразделение эвтектоида на перлит, сорбит и тростит условно и между ними нет четкой границы, то их различают по твердости. Например, в стали У8 твердость перлита 170 – 230 HB, сорбита 230 – 330 HB, троостита 330 – 400 HB.

ПОЛНЫЙ ОТЖИГ При полном отжиге доэвтектоидная сталь после нагрева выше критической точки АC3 на 30 – 50 °C (рис. 3) медленно охлаждается вместе с печью. Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью (порядка несколько градусов в минуту), чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлаждения. Так как превращение аустенита при отжиге полностью завершается при температурах значительно выше изгиба С-кривых, то отжигаемые изделия можно выдавать из печи на спокойный воздух при температурах 500 – 600 °C, если не опасны термические напряжения.

Полный отжиг проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры.

Рис. 3. Участок диаграммы Fe-Fe3C c нанесенным интервалом

температур термической обработки:

І – полный отжиг;

ІІ – нормализация

НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ При нормализации сталь нагревают до температур на 30 – 50 °C выше линии GSE и охлаждают на спокойном воздухе (рис. 3). Ускоренное, по сравнению с отжигом, охлаждение обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида. После нормализации сталь должна иметь большую прочность, чем после отжига. Нормализацию применяют чаще как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием, для устранения пороков строения и общего улучшения структуры перед закалкой. Таким образом, назначение нормализации как промежуточной обработки аналогично назначению отжига. Так как нормализация гораздо выгоднее отжига (охлаждение не с печью, а на воздухе), то ее всегда следует предпочесть отжигу, если оба эти вида обработки дают одинаковые результаты. Но нормализация не всегда может заменить отжиг как операция смягчения стали.

Нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига к малоуглеродистым сталям, в которых аустенит слабо переохлаждается. Но она не может заменить смягчающий отжиг высокоуглеродистых сталей, которые весьма ощутимо упрочняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита.

В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше точки АСm (линия SE) вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе он не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали.

9.1 Полный отжиг. Основные цели полного отжига - устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (лить, горячей деформации или сварке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений, для придания стали определенных характеристик. Вцелом отжиг II рода проводят для приближения системя к равновесию.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур на 30-50 С выше температуры Ас3 (чрезмерное повышение температуры выше этой точки приведет к росту зерна аустенита, что вызовет ухудшение свойств стали), выдержке для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Для заэвтектоидных сталей такой отжиг с нагревом выше Аcm не пойдет потому что при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства. Для доэвтектоидных сталей время нагрева и продолжительность обработки зависят типа печи,способа укладки, типа отжигаемого материала (лист,прокат,...).Наиболее распространенная скорость нагрева составляет ~ 100 C / ч,а продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа на тонну изделия. Медленное охлаждение обусловленно необходимостью избежать образования слишком дисперсной ферритно-цементитной структуры и следовательно более высокой твердости. Скоростьохлаждения зависит от устойчивости переохлажденного аустенита,а следовательно, от состава стали. Ее регулируют проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом.

При полном отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали.При нагреве выше точки Ас3 образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном,который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокую вязкость, пластичность и получение высоких свойств после окончательной обработки.

Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Существует отжиг противоположный по целям обычному отжигу.Это отжиг на крупное зерно с нагревом до 950-1100 С, который применяют для улучшения обработки резанием мягких низкоуглеродистых сталей.

6.

9.2 Неплный отжиг. Неполный отжиг доэвтектоидной стали проводят при нагреве до температур выше Ас1, но ниже Ас3. При таких температурах происходит частичная перекристаллизация стали, а именно лишь переход перлита в аустенит. избыточный феррит частично превращается в аустенит и значительная часть его не подвергается перерекристаллизации. Поэтому неполный отжиг не устраняет пороки стали связанные с нежелательными размерами и формой избыточного феррита. Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется лишь тогда, когда отсутствует перегрев, ферритная полосчатость, и требуется только снижение твердости и смягчения перед обработкой резанием. НЕПОЛНЫЙ ОТЖИГ - разновидность отжига, второго рода - нагрев изделия до температуры, несколько меньшей температуры фазовых превращений, выдержка при этой температуре и медленное охлаждение (с печью). Н.о. в основном подвергают заэвтектоидные стали для улучшения обрабатываемости резанием.

Отжиг первого рода. Это отжиг, при котором, как правило не происходит фазовых превращений (перекристализации), а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный, рекристаллизационный и уменьшающий напряжения.

Гомогенизационный отжиг, или гомогенизация, применяется для выравнивания химической неоднородности (за счет диффузии) зерен твердого раствора, т. е. уменьшения микроликвации в фасонных отливках и в слитках главным образом из легированной стали.

В процессе гомогенизации слитки нагревают до 1100-1200°С, выдерживают при этой температуре 8—15 ч, а затем медленно охлаждают до 200—250 °С. Продолжительность отжига 80 - 110 часов.

Рекристаллизационному отжигу подвергают сталь,деформированную в холодном состоянии (см. гл. 2). Наклеп может оказаться столь большим, что сталь становится мало пластичной и дальнейшая деформация становится невозможной. Для возвращения стали пластичности и возможности дальнейшей деформации изделия проводят рекристализационный отжиг.

При нагреве холоднодеформированной (наклепанной) стали до температуры 400—450 °С изменений в строении стали не происходит, механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При дальнейшем нагреве механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается (рис. 9.1). Это происходит в результате изменения строения стали. Вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными.

Рекристаллизация начинается с появления зародышей на границах деформированных зерен. В дальнейшем зародыши растут за счет деформированных зерен, в связи с чем происходит образование новых зерен, пока деформмированных зерен совсем не останется (рис. 9.1). Под температурой рекристаллизации подразумевается температура, при которой в металлах, подвергнутых деформации в холодном состоянии, начинается образование новых зерен.

А. А. Бочвар установил зависимость между температурой рекристаллизация температурой плавления стых металлов: Трекр = 0,4 Тпл, где Трскр и Тпл — соответственно температуры рекристаллизации и плавления в кельвинах по термодинамической шкале.

Температуры рекристаллизации для некоторых металлов таковы:

Молибден___ 900 °С Медь___270 °С

Железо_____ 450 °С Свинец__-30°С

В связи с тем что при температуре рекристаллизации процесс образования новых зерен происходит очень медленно, для ускорения процесса холоднодеформированные металлы и сплавы нагревают до более высокой температуры, например углеродистую сталь до 600 - 700 °С, медь до 500—700 °С. Эти температуры и являются температурами рекристаллизационного отжига.

В зависимости от степени деформации размер зерна стали после рекристаллизации получается различный. При определенной степени деформации (для стали 7—15 %) после рекристаллизации получаются очень большие зерна. Такая степень деформации называется критической степенью деформации.

Во избежание сильного роста зерна при рекристаллизации деформацию стали заканчивают со степенью обжатия, больше чем критическая степень деформации, или проводят отжиг с полной фазовой перекристаллизацией.

Отжиг, уменьшающий напряжения. Это нагрев стали до температуры 200—700 °С (чаще до 350—600 °С) и последующее охлаждение с целью уменьшения внутренних напряжений после технологических операций (литье, сварка, обработка резанием и др.)

7-8.

Закалка, термическая обработка материалов, заключающаяся в их нагреве и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературного состояния материала или предотвращения (подавления) нежелательных процессов, происходящих при его медленном охлаждении. З. возможна только для тех веществ, равновесное состояние которых при высокой температуре отличается от равновесного состояния при низкой температуре (например, кристаллической структурой). З. эффективна только в том случае, если реально достижимая скорость охлаждения достаточна для того, чтобы не успели развиться процессы, подавление которых является целью З. Структуры, возникающие в результате З., лишь относительно устойчивы, при нагреве они переходят в более устойчивое состояние. З. могут подвергаться в естественных условиях или в определённом технологическом процессе многие вещества, (металлы, их сплавы, стекло и пр.).

Закалка стали. Наиболее широкая группа материалов, подвергаемых З., — стали. В соответствии с диаграммой состояния железо-углеродистых сплавов (рис. 1) термодинамически устойчивым состоянием стали при температурах, расположенных выше линии GSE диаграммы состояния, является аустенит — раствор углерода в g-железе (см. Железоуглеродистые сплавы); ниже линии PSK — смесь феррита (раствора углерода в a-железе) и цементита (карбида железа Fe3C). При медленном охлаждении от температур, расположенных выше линии PSK, аустенит в соответствии с диаграммой состояния должен распадаться на феррит и цементит. Скорость этого превращения меняется с температурой и при достаточно низкой температуре становится настолько малой, что аустенит практически не распадается. При дальнейшем снижении температуры аустенит превращается в мартенсит, появление которого в структуре стали приводит к резкому увеличению твёрдости, прочности, магнитного насыщения и к снижению пластичности. Цель З. стали — получение полностью мартенситной структуры (без продуктов распада аустенита), т. е. подавление при быстром охлаждении распада аустенита и сохранение его вплоть до температур, при которых начинается мартенситное превращение. Минимальная скорость охлаждения, достаточная для предотвращения распада аустенита, носит название критической скорости З. стали.

В практике термической обработки металлов для получения металлов, в частности сталей, с определенными свойствами применяют различные виды З. В зависимости от условий нагрева различают З. полную и неполную. При полной З. быстрое охлаждение стали производят после нагрева её до температур, лежащих выше линии GSE. При этом сталь полностью переводится в аустенитное состояние. При неполной З. (главным образом инструментальных сталей) металл нагревают до температур выше линии PSK; после охлаждения в структуре могут сохраняться нерастворившиеся при нагреве т. н. избыточные фазы (феррит или цементит и более сложные карбиды). В зависимости от условий охлаждения различают З. изотермическую, ступенчатую и др. При изотермической З. сталь нагревают до температур выше линии GSE (полная З.) или выше PSK (неполная З.), затем быстро охлаждают до температур ниже линии PSK и дают т. н. изотермическую выдержку, при которой происходит превращение аустенита в др. структуры (перлит, бейнит). В этом случае свойства окончательных продуктов определяются температурой изотермической выдержки: твёрдость и прочность материала возрастают по мере снижения температуры. При ступенчатой З. охлаждение с большой скоростью производят до температуры, несколько превышающей температуру мартенситного превращения, и дают выдержку, необходимую для выравнивания этой температуры по всей толщине изделия (ступень), а затем охлаждение ведут медленно до образования в структуре мартенсита. Внешние факторы, главным образом закалочная среда (вода, масло, расплавленная соль) и давление, также определяют результаты З.

Закалённая сталь отличается большой хрупкостью, поэтому после З. её обычно подвергают отпуску. При одной и той же твёрдости сталь, подвергнутая З. с последующим отпуском, более пластична (следовательно, более работоспособна), чем сталь, подвергнутая медленному охлаждению, при котором происходит распад аустенита на феррит и цементит. Это определяет чрезвычайно широкое использование З. стали в технике: применение её не только для получения стали с высокой твёрдостью, но и для получения (после соответствующего отпуска) стали со средней и низкой твёрдостью, но обладающей хорошими конструкционными свойствами.

Закалка стареющих сплавов. Если равновесная концентрация твёрдого раствора существенно изменяется при изменении температуры, то при охлаждении происходит выделение из него избытка одного из компонентов (см. Старение металлов). Этот процесс является диффузионным и может быть подавлен З. (рис. 2). Цель З. в этом случае — фиксирование пересыщенного твёрдого раствора при низкой, например комнатной, температуре. Старение сплава может происходить затем при комнатной или более высокой температуре. Сплав со структурой, возникающей при З. и старении, обладает высокими прочностными свойствами, большой коэрцитивной силой (магнитные сплавы). Т. н. дисперсионно-твердеющие сплавы, подвергающиеся З. с последующим старением, находят широкое применение, например дуралюмин — как конструкционный материал, нимоник — жаропрочный; альнико — для изготовления постоянных магнитов и др.

Закалка упорядочивающихся сплавов. Упорядочение сплавов приводит к изменению их физических и механических свойств, например к снижению пластичности. Если упорядочение нежелательно, то сплавы подвергают З., которая приводит к фиксации неупорядоченного состояния при низкой температуре. Это возможно, если скорость процессов, приводящих к упорядочению, не слишком велика.

Закалка чистых металлов и однофазных сплавов. Для изучения вакансий и их влияний на механические и физические свойства веществ применяют З. чистых металлов и однофазных сплавов. Цель З. в этом случае — фиксирование при низкой температуре концентрации вакансий, равновесной при высокой температуре. Последующий нагрев материалов до температур, при которых вакансии становятся подвижными, приводит к повышению сопротивления пластическому деформированию («закалочное упрочнение») и снижению внутреннего трения. Изучая зависимость равновесной концентрации вакансий от температуры и скорость удаления зафиксированных при З. избыточных вакансий, можно найти энергию образования и энергию активации миграции вакансий, сумма которых (энергий) определяет энергию активации самодиффузии.

Закалка жидкости. З. может задерживать кристаллизацию жидкостей. Результат З. в этом случае — переход жидкости в стекловидное состояние. Скорость кристаллизации металлов слишком велика, поэтому получить их в стекловидном аморфном состоянии обычно не удаётся.

Закалка из жидкого состояния. Для некоторых систем, имеющих определенный вид диаграммы состояния, возможна З. из жидкого состояния. Такая З. позволяет устранить ликвацию, возникающую при кристаллизации с обычной скоростью охлаждения; получить пересыщенный твёрдый раствор, содержащий значительно большее количество второго компонента, чем это возможно по диаграмме состояния; получить метастабильные фазы, не возникающие при медленной кристаллизации и не фигурирующие на диаграмме состояния.

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура точки Ас3 для стали 45 составляет 755°С.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3 (неполная закалка), то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 740°С (ниже точки Ас3) структура стали 45 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.

Доэвтектоидные стали для полной закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под полную закалку, таким образом, составляет 800-840°С. Структура стали 45 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

Закалкой называют термообработку, включающую в себя нагрев сталей до температур выше критических и быстрое, резкое охлаждение, с целью получения высокой прочности и твердости. Различают закалки объемную и поверхностную. При объемной закалке нагревают и охлаждают весь объем детали, при поверхностной – только поверхность.

В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке сталь нагревают выше точки А3. Полная закалка применяется для доэвтектоидной стали. В этом случае при нагреве выше точки А3 сталь имеет полностью аустенитную структуру и после резкого охлаждения имеет полностью мартенситную структуру. При неполной закалке полного превращения не будет, и оставшийся в структуре феррит не даст получить высокой твердости и прочности. Поэтому в доэвтектоидной стали неполную закалку не применяют. Для заэвтектоидной стали применяют только неполную закалку. В этом случае вторичный цементит, который сохраняется в стали, дополнительно повышает твердость закаленных сталей.

Зака́лка — вид термической обработки изделий из металлов и сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т.е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением, как правило, в жидкости (воде или масле).

Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.

Материал, подвергшийся закалке приобретает бо́льшую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.

В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают выше линии GSE (см. диаграмму железоуглеродистых сплавов), в этом случае сталь приобретает структуру аустенит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей Закалка снимается отжигом материала.

В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущаяя кромка меча. Такая обработка оставляет на металле хамон — видимую границу между закаленным и незакаленным металлом.

9.

Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки Ас1 выдержка при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе). Отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является изменение строения и свойств закаленной стали: повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости, снижение внутренних напряжений. С повышением температуры нагрева прочность обычно уменьшается, а удлинение, сужение, а также ударная вязкость растут (рис. 1). Температуру отпуска выбирают, конкретной детали.

Рис 1. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали с 0,4 % С

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный.

При низкотемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 150—250 °С. После выдержки при этой температуре (обычно 1—3 ч) в детали получают структуру отпущенного (кубического) мартенсита При низком отпуске частично снимаются закалочные напряжения. Если в стали было значительное количество остаточного аустенита, то в результате его превращения в кубический мартенсит твердость после низкого отпуска может увеличиться на 2—3 единицы и HRC..

Рис. 2. Структура закаленной стали после различных видов отпуска, Х500: a — среднетемпературного (350-400 °С, бейнит); б — высокотемпературного (450 — 600 °С, сорбит); в — 650—700 °С

Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей после цементации, поверхностной закалки и т.д. При среднетемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 350—400 °С. В результате получается структура троостита (бейнит). После такого отпуска в изделиях получается сочетание сравнительно высокой твердости (НRС 40— 45) и прочности с хорошей упругостью и достаточной вязкостью поэтому среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.

При высокотемпературном отпуске закаленные изделия нагревают до 450—650 °С. После такого нагрева и соответствующей выдержки в изделиях получается структура сорбита. В отличие от сорбита, образующегося после нормализации, когда цементит пластинчатый, после высокого отпуска цементит приобретает зернистую форму (рис. 8, б). Это существенно повышает ударную вязкость при одинаковой (или даже более высокой) твердости по сравнению с нормализованной сталью. Поэтому такой отпуск применяют для деталей машин, испытывающих при эксплуатации ударные нагрузки. Закалку с высоким отпуском часто называют улучшением.. При нагреве 650—700 °С получают структуру зернистого перлита (рис. 8, в).Поскольку в легированных сталях все диффузионные процессы протекают медленнее, время выдержки при отпуске таких сталей больше по сравнению с углеродистыми. Кроме того, карбидообразующие элементы замедляют коагуляцию карбидов, в результате чего они сохраняются мелкодисперсными до более высоких температур. Это одна из причин наблюдающегося явления так называемой вторичной твердости, т.е. увеличения твердости после отпуска в интервале 500— 600 °С (наблюдается в сталях, легированных хромом, молибденом, ванадием и некоторыми другими элементами).

Рис. 3. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость стали с высокой восприимчивостью к отпускной хрупкости:1 — быстрое охлаждение в воде или масле; 2 — медленное охлаждение.

Поэтому в результате высокотемпературного отпуска при одной и той же температуре, а следовательно, при одной и той же структуре, легированные конструкционные стали имеют более высокую прочность и пластичность, чем углеродистые. Это и является одной из основных причин применения легированных сталей для изготовления деталей ответственного назначения, испытывающих сложные напряжения при эксплуатации.

Обычно ударная вязкость с температурой отпуска увеличивается, а скорость охлаждения после отпуска не влияет на свойства. Но для некоторых конструкционных сталей наблюдается уменьшение ударной вязкости (рис. 9). Этот дефект называется отпускной хрупкостью. Различают отпускную хрупкость I и II рода.

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области 300 °С у легированных, а также углеродистых сталей. Не зависит от скорости охлаждения. Это явление связывают с неравномерностью превращений отпущенного мартенсита. Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. Благодаря этому вблизи границ создаются концентрации напряжений, границы становятся хрупкими. Отпускная хрупкость I рода “необратима”, т. е. при повторных нагревах тех же деталей она в них не наблюдается.

Отпускная хрупкость II рода Наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450— 650 °С (штриховая линия на рис. 9). Существует несколько объяснений природы этого дефекта. Рассмотрим наиболее распространенное. При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит восходящая диффузия фосфора из внутренних объемов зерна к границам. Приграничные зоны зерна обогащаются фосфором, прочность границ понижается, ударная вязкость падает. Этому дефекту способствуют хром, марганец и фосфор (>0,001 %). Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам (до 0,5 %) и быстрое охлаждение после отпуска (сплошная линия на рис. 9). Отпускная хрупкость II рода “обратима”, т. е. при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур этот дефект может повториться. Поэтому стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650 °С без последующего быстрого охлаждения (например, штампы для горячей штамповки).

Существует 3 вида отпуска сталей:1) низкий – нагрев детали до температуры 150 – 200 град, образуется структура – мартенсит отпуска. Твердость остается неизменной – 60 – 64 HRC. Снижаются закалочные напряжения, повышается предел прочности и текучести. Низкий отпуск применяется для обработки – режущих инструментов, штампы, подшипники, детали после закалки ТВЧ, цементованные детали.

2) средний – нагрев детали до температуры 350 – 400 град, образуется структура – троостит отпуска. Снижается твердость до 40 – 48 HRC, а также предел прочности. Сильно повышается предел упругости, выносливости. Средний отпуск применяется для обработки – пружин, рессор.

3) высокий – нагрев детали до температуры 500 – 650 град, образуется структура – сорбит отпуска. Снижается твердость до 30 HRC, предел прочности и упругости. Возрастает пластичность и ударная вязкость. Применяется для большинства деталей машин. Закалка + высокий отпуск – улучшение. Отпуск.

Отпуск - термообработка, направленная на уменьшение внутренних напряжений в сплавах после закалки с полиморфным превращением. Образование вторичных фаз после закалки с полиморфным превращением всегда опровождается резким увеличением внутренних. Соответственно максимально увеличиваются прочность и твердость, до минимума падает пластичность. Чтобы получить необходимое соотношение прочности и пластичности, такой сплав после закалки подвергают дополнительной термообработке: отпуску. Нагрев вызывает уменьшение концентрации легирующих элементов в твердом растворе и выделение вторичных фаз.

После закалки без полиморфного превращения сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора. Такое состояние сплава - нестабильное и с течением времени начинает меняться. Пересыщенный твердый раствор распадается с выделением из него мелких включений вторичной фазы. Этот процесс проходит в несколько стадий:

На первой стадии в кристаллической решетке твердого раствора появляются зоны, обогащенные атомами второго компонента. С течением времени эти зоны увеличиваются.

На второй стадии концентрация атомов второго компонента достигает величины, соответствующей по концентрации выделения вторичной фазы.

Наступает третья стадия, т.е. формирование в этих зонах промежуточной кристаллической решетки, которая отличается то решетки твердого раствора и от решетки вторичной фазы.

На четвертой стадии увеличение концентрации второго компонента приводит кобразованию окончательной кристаллической решетки вторичной фазы и образованию границы раздела между твердым раствором и вторичной фазой. Так как процесс распада твердого раствора основан, прежде всего, на диффузионных процессах, то он в значительной степени зависти от температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс распада. Если температура нормальная, то процесс распада называется естественным старением, а если температура повышенная, то - искусственным старением. В результате, после старения структура сплава представляет собой зерна твердого раствора равновесного химического состава, с равномерно распределенным по объему, огромным количеством мелких выделений вторичной фазы. Эти выделения, располагаясь на плоскостях скольжения, препятствуют перемещению дислокаций, требуют увеличение скалывающего напряжения. Соответственно, прочность и твердость сплава увеличиваютс

14.

Сварка — процесс получения неразъёмных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. Обычно применяется для соединения металлов, их сплавов или термопластов.Для производства сварки используются различные источники энергии: электрическая дуга, газовое пламя, лазерное излучение, электронный луч, трение, ультразвук. Развитие технологий позволяет в настоящее время осуществлять сварку не только на промышленных предприятиях, но и на открытом воздухе, под водой и даже в космосе. Производство сварочных работ сопряжено с опасностью возгораний, поражений электрическим током, отравлений вредными газами, облучением ультрафиолетовыми лучами и поражением глаз.

Глава I.Сварка, понятие, виды и классы.

Сварка - технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

Сварка - экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами и молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимым с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.).

К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).

К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).

7. Электродуговая сварка.

7.1. Принцип действия.

Дуга - мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает в себя три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3-6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда.

Короткое замыкание выполняется для разогрева торца электрода и заготовки в зоне контакта с электродом. После отвода электрода с его разогретого торца (катода) под действием электрического поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации. По мере разогрева столбца дуги и повышение кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. Отдельные атомы также ионизируются в результате поглощения энергии, выделяемой при соударении других частиц. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда.

Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки:

а) Сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом, дугой прямого действия, при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла, либо с применением присадочного металла.

б) Сварка плавящимся (металлическим) электродом, дугой прямого действия, с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом.

в) Сварка косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами. При этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги.

г) Сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применение постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором - к положительному (анод).

7.2 Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом - дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защитную атмосферу вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла.

Металлическая и шлаковые ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и образуется сварочный шов. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку.

Электроды для ручной сварки представляют собой стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень изготовляют из сварочной проволоки повышенного качества. Сварочную проволоку всех марок в зависимости от состава разделяют на три группы: низкоуглеродистая, легированная и высоколегированная.

Ручная сварка удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях - нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном, при наложении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но обладает более низкой производительностью, например, по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом.

Производительность процесса в основном определяется сварочным током. Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение тока сверх рекомендованного значения приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию покрытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла. Ручную сварку постепенно заменяют полуавтоматической в атмосфере защитных газов.

7.3. Для автоматической дуговой сварки под флюсом используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва.

В процессе автоматической сварки под флюсом дуга горит между проволокой и основным металлом. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла со всех сторон плотно закрыты слоем флюса толщиной 30 - 35 мм. Часть флюса расплавляется, в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла - жидкий шлак. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла. Действие мощной дуги и весьма быстрое движение электрода вдоль заготовки обусловливают оттеснение расплавленного металла в сторону, противоположную направлению сварки. По мере поступательного движения электрода происходит затвердевание металлической и шлаковой ванн с образованием сварного шва, покрытого твердой шлаковой коркой. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи и перемещения. Ток к электроду поступает через кабель.

Дуговую сварку под флюсом выполняют сварочными автоматами, сварочными головками или самоходными тракторами, перемещающимися непосредственно по изделию. Назначение сварочных автоматов - подача электродной проволоки в дугу и поддержание постоянного режима сварки в течение всего процесса. Автоматическую сварку под флюсом применяют в серийном и массовом производствах, для выполнения длинных прямолинейных и кольцевых швов в нижнем положении на металле толщиной 2 - 100 мм. Под флюсом сваривают металлы различных классов. Автоматическую сварку широко применяют при изготовлении котлов, резервуаров для хранения жидкостей и газов, корпусов судов, мостовых балок и других изделий. Она является одним из основных звеньев автоматической линий для изготовления сварных автомобильных колес и станов для производства сварных прямошовных и спиральных труб.

7.4. При электрошлаковой сварке основной и электродный металлы расплавляются теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну. Процесс электрошлаковой сварки начинается с образования шлаковой ванны в пространстве между кромками основного металла и формирующими устройствами (ползунами), охлаждаемые водой, подаваемой по трубам, путем расплавления флюса электрической дугой, возбуждаемой между сварочной проволокой и вводной планкой. После накопления определенного количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки и подвод тока продолжаются. При прохождении тока через расплавленный шлак, являющийся электропроводящим электролитом, в нем выделяется теплота, достаточная для поддержания высокой температуры шлака (до 2000 градусов по Цельсию) и расплавления кромок основного металла и электродной проволоки. Проволока вводится в зазор и подается в шлаковую ванну с помощью мундштука. Проволока служит для подвода тока и пополнения сварочной ванны расплавленным металлом. Как правило, электрошлаковую сварку выполняют при вертикальном положении свариваемых заготовок. По мере заполнения зазора между ними мундштук для подачи проволоки и формирующие ползуны передвигаются в вертикальном направлении, оставляя после себя затвердевший сварной шов.

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты. В начале шва – непровар, кромок, в конце шва - усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают на вводной, а заканчивают на выходной планках, которые затем удаляют газовой резкой.

Шлаковая ванна - более распределенный источник теплоты, чем электрическая дуга. Основной металл расплавляется одновременно по всему периметру шлаковой ванны, что позволяет вести сварку металла большой толщины за один проход.

Заготовки толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечные колебания в зазоре для обеспечения равномерного разогрева шлаковой ванны по всей толщине. Металл толщиной более 150 мм сваривают тремя проволоками, а иногда и большим числом проволок, исходя из использования одного электрода на 45 - 60 мм толщины металла. Специальные автоматы обеспечивают подачу электродных проволок и их поперчное перемещение в зазоре.

Электрошлаковая сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с автоматической сваркой под флюсом: повышенную производительность, лучшую макроструктуру шва и меньшие затраты на выполнение 1 м сварного шва.

К недостаткам электрошлаковой сварки следует отнести образование крупного зерна в шве и в околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. После сварки необходима термическая обработка (отжиг или нормализация) для измельчения зерна в металле сварного соединения.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано - сварных и лито - сварных конструкций, таких, как станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т. п. Толщина свариваемого металла составляет 50 - 2000 мм.