Теорія термічної обробки металів

Термічна обробка металів – це теплова обробка, з допомогою якої змінюють структуру та фізико – механічні властивості у бажаному напрямку.

Змінюючи температуру нагрівання, тривалість витримки при даній температурі, швидкість нагрівання і охолодження, можна надавати сплавам різних структур та властивостей.

Основи термічної обробки були розроблені основоположником сучасного металознавства Д. К. Черновим. Подальший розвиток теорії і практики термічної обробки отримала в роботах С. С. Штейнберга, А. А. Бочвара, Г. В. Курдюмова, Н. А. Мінкевича, О. П. Гуляєва, В. Д. Садовського, К. Ф. Стародубова, та ін..

Теорія термічної обробки – опис процесів, які відбуваються у металі при нагріванні чи охолодженні.

В теорії термічної обробки приймають участь такі фази і структури:

Ферит – твердий розчин вуглецю у α – Fe.

Аустеніт – твердий розчин вуглецю у γ - Fe.

Мартенсит – перенасичений твердий розчин вуглецю у α – Fe.

Перліт – суміш фериту і цементиту.

При термічній обробці відбуваються такі чотири перетворення:

- перліту в аустеніт вище точки А₁ при нагріванні: Ф + Ц → А;

- аустеніту в перліт нижче точки А₁ при охолодженні: А →Ф + Ц;

- Аустеніту в мартенсит при температурах метастабільної рівноваги цих фаз: А → М;

- Перетворення мартенситу на ферито – цементитну суміш (розпадання мартенситу): М → Ф + Ц.

Перетворення при термічній обробці відбуваються при певних температурах, які відповідають критичним температурам сплавів, або чистого заліза:

А₂ – точка Кюрі – 768 ⁰С;

А₁ – 727 ⁰С;

А₃ – 911 ⁰С; α → γ

А₄ – 1399 ⁰С; γ → α

Для сплавів А₃ – GS; А₁ – PSK; А_m – SE.

При нагріванні точки позначаються Ас, а при охолодженні А_r; А_с1; А_с3; А_сm; А_r1; А_r3; А_rm.

Перетворення відбуваються в зв’язку зі зміною вільної енергії фаз (структур) в залежності від температури. При температурах вище А₁ найменшу вільну енергію має аустеніт і тому йде перетворення перліту в аустеніт. Нижче А₁ спостерігається зворотне перетворення. При температурах нижче t₀ вільна енергія перліту мінімальна, але робота, яка необхідна для переходу аустеніту в мартенсит менша ніж для утворення перліту, і тому перехід аустеніту в мартенсит передує подальшому переходу мартенситу в перліт. Останній перехід енергетично вигідніший у всьому температурному діапазоні.

Перше перетворення – утворення аустеніту

Перше утворення аустеніту із Ф – Ц суміші при нагріванні проходить дифузійним шляхом і відчиняється основним положенням теорії кристалізації.

Розглянемо перетворення Ф –Ц суміші (П) в аустенітній на прикладі евтектоїдної (0,8%С) сталі. При нагріванні до температури Ас₁, відповідно до діаграми Fe – Fe₃C відбуваються у сталі такі процеси: розчинення у фериті деякої кількості цементиту у відповідності з лінією PQ; рекристалізація: якщо сталь зазнавала попередньої пластичної деформації; збільшення розчинності вуглецю у фериті. При підвищенні температури вище Ас₁, концентрація вуглецю в окремих ділянках фериту збільшується. Такі ділянки фериту нестійкі і вони перетворюються в аустеніт, який є стабільним при даній температурі. Аустеніт при температурі дещо вище точки Ас₁ містить приблизно 0,8% С. Утворення зразків критичного розміру проходить за рахунок флуктуації розташування атомів. В об’ємі фериту на границі з цементитом виникають флуктуаційні ділянки з граткою аустеніту, у які поступає вуглець із карбіду. В утворенні пластинчатої ділянки γ – фази від Fe₃С дифундує вуглець і вони стають здатними до росту зародками аустеніту. При рості зародка когерентність α і γ – граток порущується, зсувний механізм замінюється на нормальний механізм росту, і зерна аустеніту набувають рівновісну форму.

Після зникнення фериту і цементиту, і відповідно, границь між ними, де переважно зароджувався аустеніт, спостерігається тільки ріст зерен аустеніту без утворення нових зародків. Аустеніт, який утворився, є неоднорідним за вмістом вуглецю. В ділянках, які прилягали до частинок цементиту, концентрація вуглецю у аустеніті вище, ніж у ділянках, які межували з феритом. Під впливом цього градієнта концентрації здійснюється дифузія атомів вуглецю в аустеніті в напрямку від границі з цементитом до ділянок, які межують з феритом. В результаті розчинення цементиту в аустеніті проходить його стабілізація. Таким чином, ріст ділянок аустеніту відбувається в результаті поліморфного α в γ перетворення і дифузії вуглецю.

Зростання ділянок аустеніту при такому перетворенні протікає швидше, ніж розчинення цементиту. Тому після перетворення фериту в аустеніт у структурі сталі зберігається іще деяка кількість цементиту і для його розчинення в аустеніті тривалість ізотермічної витримки повинна бути збільшена. Аустеніт, який утворився по описаному перетворенню, є неоднорідний по складу, і для його гомогенізації потребується додатковий час.

Для опису переходу ферито – цементитної структури в аустеніт часто користуються діаграмами ізотермічного утворення аустеніту, які дають уявлення про перетворення при різних температурах.

Швидкість перетворення ферито – цементитної структури в аустеніт, окрім температури нагрівання, залежить від її вихідного стану. Чим дисперсніша ферито – цементитна структура, тим більше виникає зародків аустеніту і швидше протікає процес аустенізації. Попередня сфероїдизація цементиту, особливо з утворенням крупних його глобулей, уповільнює процес утворення аустеніту.

При нагріванні доевтектоїдної чи заевтектоїдної сталі процес аустенізації ускладнюється перетворення структурно вільного фериту в аустеніт чи розчиненням надлишкового цементиту. При нагріванні доевтектоїдної сталі зародки аустеніту можуть виникати і на границях феритних зерен. У цьому випадку дифузія вуглецю по міжфазній границі приведе до намагання цементиту розчинятися у фериті, що буде призводити до перетворення фериту в аустеніт.

Чим більше у сталі вуглецю, тим швидше протікає аустенізація, що пояснюється збільшенням кількості цементиту, а відповідно, і зростанням сумарної поверхні розділу фериту і цементиту.

Легування хромом, молібденом, вольфрамом, ванадієм та іншими карбідоутворюючими елементами затримує аустенізацію через утворення легованого цементиту чи важко розчинних у аустеніті карбідів легувальних елементів. Відповідно більше часу необхідно і для гомогенізації аустеніту, оскільки дифузійна рухливість цих елементів у гратці γ – фази значно нижча, ніж вуглецю.

При безперервному нагріванні перетворення перліту в аустеніт протікає в деякому інтервалі температур. Початок перетворення ферито – карбідної структури в аустенітну відповідає температурі трохи вище Ас₁, кінець поліморфного α в γ перетворення – температурам лінії Ас₃ і повне розчинення карбідів – температурам, що утворюють лінію Асm. Чим вище швидкість нагрівання, тим при більш високій температурі протікає перетворення. Інтервал температур, у якому протікає перетворення перліту в аустеніт, тим більший, чим вища швидкість нагрівання, тому при швидкісному нагріванні (СВЧ), температура нагрівання для аустенізації сталі повинна бути вищою, ніж при порівняно повільному пічному нагріванні.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: