Презентация - "Презентация по материаловедению Основы теории термической обработки"

22.11_Лекция ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

1. Определение термической обработки металлов.
2. Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении.
3. Образование аустенита (первое основное превращение).
4. Рост аустенитного зерна.
Литература: Черепахин А.А, Материаловедение, 2021, с.121-126

1. Определение термической обработки металлов

Термическая (тепловая) обработка – один из самых распространенных в современной технике способов изменения свойств металлов.
Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических сплавов, находящихся в твердом состоянии, с целью изменения их структуры и создания у них необходимых свойств – прочности, твердости, износостойкости, обрабатываемости или особых химических и физических свойств, а также изменения у них напряженного состояния.
Основы термической обработки разработал Чернов Д.К..
В дальнейшем они развивались в работах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.

Классификация термической обработки

Термическую обработку подразделяют:
на предварительную и окончательную

Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).
Окончательная – формирует свойство готового изделия

2. Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении
Рассматривая структурные превращения в стали, мы должны знать, что три структуры являются основными, а переход их из одной в другую характеризует основные превращения.
Этими структурами являются:
1. Аустенит – твердый раствор углерода в
2. Мартенсит – твердый раствор углерода в
3. Перлит – эвтектоидная смесь из одновременно образовавшихся феррита и цементита
В процессах термической обработки стали наблюдаются четыре основных превращения в основе которых лежат стремления системы к минимуму свободной энергии (рис. 1).

Рис. 1 – Изменение свободной энергии аустенита (FA), мартенсит (FМ) и перлита (FП) с изменением температуры

Первое основное превращение – есть превращение перлита в аустенит: протекающее выше т. , т.е. выше температуры стабильного равновесия аустенит – перлит. При этих температурах аустенит обладает минимальной свободной энергией (рис.1).

Второе основное превращение – есть превращение аустенита в перлит, протекающее ниже т. .

Третье основное превращение – превращение аустенита в мартенсит протекающее ниже температуры метастабильного равновесия аустенит – мартенсит .

Схема превращения перлита в аустенит

Хотя при более устойчивой фазой является перлит, но работа для образования мартенсита из аустенита меньше, чем для образования перлита; поэтому ниже образование феррито – карбидной смеси из аустенита может произойти только путем превращения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.
Таким образом, аустенитно – мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.
Четвертое основное превращение – превращение мартенсита в перлит, точнее в феррито – карбидную смесь:


происходит при всех температурах, так как при всех температурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита.
Схема изменений свободных энергий основных структур показывает, что выше возможно превращение мартенсита в аустенит. Однако это превращение экспериментально не было обнаружено, т.к. раньше успевает произойти превращение мартенсит – перлит (распад мартенсита).

3. Образование аустенита (первое основное превращение)
Нагрев стали при ТО в большинстве случаев имеет целью получение структуры аустенита.
Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением , а так же растворением цементита в аустените.
Для исследования процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита (рис. 2). Для этого образцы нагревают до температуры выше выдерживают, фиксируя начало и конец превращения.
С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается.
Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит – цементит, кристаллическая решетка перестраивается в решетку .

Рис. 2 – Диаграмма изотермического образования аустенита: 1 – начало образования аустенита; 2 – конец преобразования перлита в аустенит; 3 – полное растворение цементита.

Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста.
Образующиеся зерна аустенита имеют вначале такую же концентрацию углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается.
Превращение в идет быстрее. После того, как весь цементит растворится, аустенит неоднороден по химическому составу: там, где находились пластинки цементита концентрация углерода более высокая.
Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка.
Величина образовавшегося зерна аустенита оказывает влияние на свойства стали.

4. Рост аустенитного зерна
Образующиеся зерна аустенита получаются мелкими (начальное зерно) рис. 4.
При повышении температуры или выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста является разность свободных энергий мелкозернистой (большая энергия) и крупнозернистой (малая энергия) структуры аустенита.
Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температуры , то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая.
Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой. Стали одной марки, но разных плавок могут различаться, так как содержат неодинаковое количество неметаллических включений, которые затрудняют рост аустенитного зерна.
Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор – увеличивают ее.
Заэвтектоидные стали менее склонны к росту зерна.

Рис. 4 – Схема роста зерна в наследственно крупнозернистой (К) и мелкозернистой (М) сталях.

При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются – рис. 5.
Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размера зерна зависят механические свойства.
Крупное зерно снижает сопротивление отрыву, ударную вязкость, повышает порог хладоломкости.
Различают величину зерна наследственного и действительного.
Для определения величины наследственного зерна, образцы нагревают до 9300С и затем определяют размер зерна.
Действительная величина зерна – размер зерна при обычных температурах, полученный после той или иной термической обработки.

Рис. 5 – Схема изменения размера зерна перлита в зависимости от нагрева в аустенитной области

Схема превращения перлита в аустенит