Контрольная работа по Материаловедение на тему Термическая обработка стали. Дать определение понятия термической обработки с указанием цели назначения этой технологии. Технологическими операциями ТО являются: нагрев, выдержка и охлаждение. Оценить влияние температуры нагрева и скорости охлаждения (пр

1. Дать определение понятия термической обработки с указанием цели назначения этой технологии.
Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.
Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.
2. Технологическими операциями ТО являются: нагрев, выдержка и охлаждение.
2.1. Записать в виде схемы превращения, протекающие в стали при нагреве - стали марки Сталь35 (условные обозначения те же; Fмкм2- размер площади зерен). Температура растет слева направо)
При %C˂ 0,8%; Исходная структура:
F1+S(F1+F2) – AC1-- F1+F --АС3 +50◦C- F (Fмкм21); АС3+150◦C--- F (F мкм22)
Указать какие полиморфные и фазовые превращения протекают при превышении критических температур в стали. Сопоставить размер зерен фаз, образовавшихся при разных температурах нагрева.

Рисунок 1 - Диаграмма состояния углеродистых сталей.
Сталь 35 – сталь с содержанием углерода до 0,4%. Структура стали представляет собой перлит и феррит. При температуре 723° в точке К1 перлит переходит в аустенит, и по мере повышения температуры происходит растворение свободного феррита в аустените. При пересечении линии GS в точке К2 закончится растворение феррита и структура будет полностью состоять из аустенита. Для этой стали точка К1на диаграмме будет нижней критической точкой Ас1,а К2— верхней критической точкой Ас1,.
2.2. Записать в виде схемы превращения, протекающие в стали при охлаждении с разными скоростями (Vохл.) от температуры нагрева до t=20◦C (температура снижается слева направо) - охлаждение вместе с печью
При %C˂ 0,8%;.Исходная структура:
АС3 +50◦C-F (Fмкм21 ); АС3+150◦C--- F(F мкм22)--Аr3--F + F1 ---- Аr1 ----(F1+S) (Fмкм21 ); (F1+S) (F мкм22) –разный размер зерен исходной фазы F
Если сталь с содержанием углерода менее 0,8 % нагреть до аустенитного состояния и затем медленно охладить, то первой фазой, которая выделится, будет феррит. Это превращение происходит в результате смены атомной решетки с гранецентрированной у аустенита к объемноцентрированной у феррита. Поскольку феррит способен растворять только очень малое количество углерода, то концентрация углерода в остающемся аустените в ходе охлаждения будет увеличиваться до тех пор, пока при эвтектоидной температуре около 720 ºС весь оставшийся аустенит не превратится в перлит. Вид феррита, выделившегося по границам аустенитных зерен при охлаждении листа из стали 35, показан на рисунке 2. Эта сталь была нормализована путем нагрева до температуры 1095 ºС и охлаждения на воздухе.

Рисунок 2 – Лист толщиной 3 мм из стали 35. Нормализация: нагрев до температуры 1095 ºС и охлаждение на воздухе. Структура состоит из перлита (серый) с сеткой феррита по границам зерен, а также нескольких пластин феррита.

Феррито-перлитная структура стали 35
Поскольку для формирования как феррита, так и цементита требуется диффузия углерода, то с увеличением скорости охлаждения толщина пластин феррита и цементита в перлите. Перлит в ферритной матрице стали 35 показан на рисунке 3. В общем случае при более высокой скорости охлаждения образуются более тонкие пластины, что, в свою очередь, повышает твердость и прочность стали.

Рисунок 3 – Лист из стали 35 толщиной 3 мм, нормализованный путем нагрева до температуры 1050 ºС и охлаждения на воздухе. Структура состоит из перлита (темно-серый) и феррита (светлый).
Бейнитное превращение в стали
При более высокой скорости охлаждения, чем та, что достигается при охлаждении на воздухе есть возможность избежать превращения аустенита в феррит и перлит во многих углеродистых и низколегированных сталях. Превращение аустенита при температуре ниже 540 ºС, но выше примерно 200 ºС дает структуру, которая состоит их феррита и цементита, однако эти фазы не упорядочены в пластины. Вместо этого феррит и перлит имеют перистую или игольчатую, и ни один компонент микроструктуры нельзя рассмотреть в оптический микроскоп. Эта структура известна как бейнит.
Верхний и нижний бейнит
Когда превращение происходит где-то в интервале от 370 до 540 ºС, бейнитная структура имеет перистый вид и называется верхним бейнитом. Когда превращение происходит при температурах в интервале примерно от 200 до 370 ºС, бейнит имеет более игольчатую структуру и называется нижним бейнитом. Твердость бейнита зависит от его структуры, но обычно находится в интервале от 45 до 60 HRC. Вид бейнита в стали 45, которую приводили в аустенитное состояние нагревом при 1205 ºС в течение 10 минут и затем выдерживали в течение 10 минут при температуре 340 ºС для частичного изотермического превращения показана на рисунке 4. После частичного изотермического превращения сталь охлаждали на воздухе до комнатной температуры.

Рисунок 4 – Сталь 35 после нагрева до температуры 1205 ºС в течение 10 минут, охлаждения при температуре 340 ºС в течение 10 минут для частичного изотермического превращения и дальнейшего охлаждения на воздухе. Нижний бейнит (темный) в окружении мартенсита (белый).
Мартенситное превращение в стали
Превращения аустенита при более низких температурах, ниже 200 ºС приводит к образованию фазы железа с объемноцентрированной тетрагональной структурой, которую называют мартенситом. Обычно мартенсит присутствует в полностью упрочненных сталях. Микроструктурно мартенсит имеет игольчатый вид как показано на рисунке 5. Эта сталь была подвергнута нагреву до 850 ºС для получения твердого раствора углерода в аустените, закалке в воде и отпуску при температуре 230 ºС в течение 1 часа. Резкое охлаждение аустенита подавляет формирование феррита, перлита и бейнита и обеспечивает полностью мартенситную структуру. Мартенсит занимает больший объем, чем аустенит. Поэтому образование мартенсита приводит к изменениям размеров, что может вызвать коробление изделия. В крайних случаях коробление может привести к растрескиванию изделий в ходе их закалки.

Рисунок 5 – Сталь 35 аустенитизированная в течение 1 часа в течение 850 ºС и закаленная в воде. Отпуск при температуре 230 ºС в течение 1 часа. Структура отпущенного мартенсита.
Остаточный аустенит в мартенситной структуре
В некоторых случаях при резком охлаждении в ходе закалки стали не весь аустенит превращается в мартенсит. Когда это происходит, структура стали состоит из аустенита и игл мартенсита. Остаточный (непревращенный) аустенит является мягким и поэтому снижает твердость закаленной на мартенсит стали. Этот остаточный аустенит может позднее превратиться в мартенсит — при механической обработке или даже уже при эксплуатации. Расширение материала, которое происходит при мартенситном превращении, создает внутренние напряжения, которые могут привести к короблению изделия и потере допусков механически обработанного изделия. Этот неотпущенный мартенсит является хрупким и может приводить к образованию трещин в эксплуатации изделия. По этой причине присутствие остаточного аустенита в закаленном на мартенсит изделии обычно нежелательно.
3. Оценить влияние температуры нагрева и скорости охлаждения (при скорости менее Vкрит.) на размер зерен и фаз для конкретной группы сталей.
Любой вид нагрева характеризуется термической кривой нагрева, а ее важнейшей характеристикой является скорость нагрева, вычисляемая в определенном температурном интервале. Многие исследователи пользовались скоростью нагрева во всем диапазоне температур нагрева от Tнач до Tmах. Однако нагрев до температур начала аустенитного превращения (Ас1) обычно не оказывает влияния на процессы фазовых превращений. В настоящем исследовании наибольший интерес представляла скорость нагрева в интервале температур от Ас1 до Tmах, называемая средней скоростью нагрева в интервале температур аустенитизации Vср
Другими важнейшими факторами, влияющими на температуру нагрева под термическую обработку, являются марка стали и ее химический состав. В нашем случае выбираем группу (по условию работы материал – Сталь 35) использованы простые углеродистые стали, нелегированные, с минимальным количеством естественных примесей и содержанием углерода от 0,2 до 0,8 % (низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и доэвтектоидные стали).
Также, при изучении процессов нагрева под термическую обработку, принималась во внимание величина исходного зерна стали, значительно меняющаяся в зависимости от предварительной обработки заготовки или изделия (отжиг, отпуск, нормализация, улучшение).
При нагреве металла до температуры Ас1 в структуре металла происходят изменения и начинается процесс аустенитизации, протекающий диффузионным путем и требующий для своего завершения определенного количества времени. Если нагрев происходит достаточно медленно (Vсрнагр < 0,10 град/с), его завершение для всех простых углеродистых сталей совпадает с линией Ас3 на классической диаграмме Fe—С.
Ускорение нагрева вызывает смещение окончания процесса аустенитизации в область более высоких температур. Чем больше скорость нагрева и меньше содержание углерода в стали (с ростом ферритной составляющей в ней), тем выше температура. Исследования показали, что в этом же направлении действует и рост исходного зерна в стали.
Этот аустенит остается неоднородным, анизотропным, напряженным в силу того, что, возникая из весьма дефектной исходной (феррито-перлитной) структуры, наследует все ее отрицательные качества. Чем крупнее исходное зерно стали и чем интенсивнее происходит нагрев, тем дефектнее структура.
Поэтому для получения качественной структуры аустенита необходимо продолжать нагрев с целью более полного протекания диффузионных процессов, способных обеспечить в нем снижение внутренних напряжений, восстановление изотропности его механических свойств, достичь полной однородности аустенита. Такой нагрев в мировой практике получил название гомогенизирующего нагрева, а температура достижения однородности аустенита была названа температурой гомогенизации (Тг). Ее значение должно быть выше температуры аустенитизации. И чем меньше содержание углерода в стали, крупнее исходное зерно и выше скорость нагрева стали под операцию термической обработки, тем выше ТГ.
При нагреве до 300-350 °С, за счет снижения плотности дислокаций, освобождения скоплений дислокаций высокой плотности в местах расположения различных дефектов исходного металла и на границах фаз, происходит частичное перераспределение напряжений Ш-го и П-го рода внутри зерен и по их границам и подготовка исходно деформированных зерен к рекристаллизации.
При нагреве в интервале температур от 350 до 650 °С в структуре металла развиваются рекристаллизационные процессы (отдых, первичная и, отчасти, собирательная рекристаллизации), которые вследствие их диффузионного характера протекают тем полнее, чем ниже скорость нагрева и мельче исходное зерно. К концу этого ускоренного нагрева в металле формируется частично обновленная структура феррита и перлита еще большей дисперсности, благодаря значительным скоростям подъема температуры и смещению завершения каждого из этапов рекристаллизации в область более высоких температур.
Одновременно с этапами рекристаллизации в интервале температур от 650 до 730 °С в структуре начинают развиваться процессы, получившие название «явления предпревращения», заключающиеся в том, что между обновленными зернами постепенно происходит ослабление пограничных связей, сопровождающееся дальнейшим изменением дислокационного строения границ, их состава и толщины. В результате этого на границах рекристаллизованных зерен и внутри них возникают области, как бы подготовленные к началу фазового превращения (так называемые сгущения или флуктуации превращения) и имеющие менее напряженное состояние, чем сами зерна и их границы. Благодаря этому зерна становятся еще более активными, их температурная подвижность возрастает.
Таким образом, к моменту начала фазовых превращений структура металла уже существенно отличается от исходной не только в результате подъема температуры от Тнач до Тауст, но и вследствие воздействия на нее таких параметров, как скорость нагрева, исходное состояние структуры (размер и форма исходных зерен, степень их напряженности), а также химический состав металла (присутствие дисперсионных частиц других фаз, их взаимодействие с матричными зернами).
Следовательно, чем больше содержание углерода в стали, тоньше и напряжённей (в результате наклепа или холодного деформирования) исходная структура, выше скорость применяемого нагрева, тем мельче будет структура металла к моменту возникновения в ней зародышей аустенита и тем больше этот процесс будет отличаться от классически описываемого.
Размеры аустенитного зерна при индукционном нагреве. По завершении процесса аустенитизации, в ходе гомогенизации и дальнейшего нагрева изделий до конечной температуры (т. е. в интервале температур от Tауст до Tнагр) за счет поглощения одних зерен другими аустенит продолжает расти.
Достижение температуры гомогенизации по каждому варианту нагрева любой стали является достаточным для прекращения нагрева и начала охлаждения. Очевидно, что независимо от интенсивности охлаждения (на воздухе, погружением в воду, водным душем) в результате фазовой перекристаллизации образующаяся из этого наиболее совершенного, однородного, мелкозернистого аустенита структура — феррито-перлит, перлито-феррит, перлит, сорбит, тростит, бейнит или мартенсит — будет также однородной, мелкозернистой или мелкоигольчатой, т.е. наиболее качественной.
Однако наиболее полно преимущества однородного гомогенизированного мелкозернистого аустенита проявляются при закалке после индукционного (умеренного, ускоренного или скоростного) нагрева и интенсивного охлаждения, позволяющей получить мартенсит высокого качества. При этом охлаждение должно быть таким, чтобы в интервале температур перлитного превращения обеспечивались скорости теплоотвода,