Ллекция 3

1.

Лекция 3
«ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ»

2.

Классификация видов термической обработки
Термическая обработка – процесс изменения структуры стали,
цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем
охлаждении с определенной скоростью. ТО приводит к изсенению
свойств бех изменения химического состава.
Термообработку
подразделяют
на
предварительную
и
окончательную. Предварительная термообработка применяется для
подготовки структуры и свойств материала для последующих
технологических операций (например, горячей обработки давлением,
улучшения обрабатываемости резанием и т.д.). Окончательная
термообработка формирует свойства готового изделия.
По классификации А.А. Бочвара различают следующие основные
виды термообработки:
1- отжиг 1 рода;
2- отжиг 2 рода;
3- нормализация;
4- закалка;
5- отпуск;
6- химико-термическая обработка;
7- термомеханическая обработка.

3.

Отжиг 1 рода - не обусловлен фазовыми превращениями в
твердом состоянии. Нагрев при отжиге 1 рода повышает
подвижность атомов, частично или полностью устраняет
химическую неоднородность, уменьшает внутреннее напряжение
способствует получению более равновесного состояния.
Различают следующие разновидности отжига 1 рода:
Диффузионный (гомогенизированный) - используется для
устранения
дендритной
ликвации.
Температура
нагрева
составляет 0,8-0,9 Тпл (на 150 -200 ℃ ниже линии солидус).
Рекристализационный отжиг - применяют для снятия наклепа
и получения равновесного состояния сплава В результате
рекристаллизации в деформированном металле образуются
новые зерна, снижаются напряжения и восстанавливается
пластичность металла Трек=(0,6-0,8)Тпл.
Отжиг для снятия внутренних напряжений - применяется для
снятия напряжений, возникающих при ковке, варке, литье и т.д.,
которые могут вызвать коробление, изменение формы.
Осуществляется при температурах выше критической точки А1.

4.

Критические точки на диаграмме железо-углерод

5.

Отжиг 2 рода - проводят для сплавов, в которых имеются
полиморфные, эвтектоидные или перитектические превращения,
а также имеет место переменная растворимость компонентов в
твердом состоянии. Целью этого вида отжига является
приближение стали к равновесному состоянию, измельчение
структуры, а также подготовка стали к последующей термической
обработке.
Нормализация - нагрев изделия выше критической точки Ас3 с
последующим охлаждением на воздухе. Цель нормализации улучшение
структуры,
частичное
снижение
внутренних
напряжений, улучшение обрабатываемости. В заэвтектоидных
сталях нормализация с температуры выше Аст предназначена
для устранения цементитной сетки.
Закалка - нагрев выше критической точки Ас3 (Ас1) с
последующим быстрым охлаждением. Цель ее перевести сталь в
неравновесное состояние, для придания ей высокой прочности и
твердости.

6.

Отпуск - этот вид термообработки, применяемый лишь к
закаленным сплавам. При отпуске нагрев закаленной стали
производят ниже Ас1. В результате отпуска уменьшается
внутреннее напряжение, сплавы переходят в более
равновесное состояние, снижается твердость и хрупкость,
повышается пластичность и ударная вязкость.
Существует три вида отпуска: низкий, средний и высокий.
Низкий - нагрев до 150-250 ℃ и охлаждение. Его применяют
для цементуемых и инструментальных сталей. Структура после
отпуска для доэвтектоидных сталей - мартенсит отпуска НRC
58-62, доэвтектоидных - мартенсит отпуска + мелкие зерна
карбидов.
Средний отпуск- осуществляют при 350-500 ℃. Его
применяют для закаленных сталей в том случае, когда нужно
получить структуру троостита отпуска с HRC 40-50.
Высокий отпуск- нагрев выше 500 ℃ применяют для
улучшения сталей и в том случае, когда нужно понизить
твердость до 30-35 HRC.

7.

Для большинства цветных сплавов ТО закалка + отпуск
заменяют на закалку с последующим старением.
Старение заключается в изменении растворимости
компонентов в пересыщенном твердом растворе. Различают
искусственное старение и естественное старение.
Естественное старение проходит при комнатной
температуре. Оно продолжительно во времени и может
проходить до 3 мес. и более, в зависимости от сплава.
Искусственное старение выполняется при невысокой
температуре нагрева 120…150 ℃ и выдержке при этой
температуре 18…35 ч.

8.

Упрочняющая термообработка алюминиевого сплава
Диаграмма состояния Al-Cu
Закалка
алюминиевых
сплавов
заключается
в
нагреве
сплава
до
температуры, при которой
избыточные
интерметаллидные
фазы
полностью
или
большей
частью
растворяются
в
алюминии, выдержке при этой
температуре
и
быстром
охлаждении до комнатной
температуры для получения
пересыщенного
твердого
раствора.
Температура закалки определяется линией abc, проходящей
выше линии предельной растворимости для сплавов, содержащих
менее 5,6% Cu, и ниже эвтектической линии (548 ℃) для сплавов с
большим количеством меди.

9.

Время выдержки при температуре закалки должно обеспечить
растворение интерметаллидныых фаз; оно зависит от структурного
состояния сплава, типа печи и толщины изделия.
Охлаждение деформированных сплавов при закалке проводят
в холодной воде.
Поскольку равновесная растворимость меди в алюминии при
низких температурах составляет около 0,2%, твердый раствор в
закаленном сплаве АЛ + 4% меди пересыщен медью более чем в
20 раз.
Пересыщенный твердый раствор легирующих компонентов в
алюминии, получаемый в результате закалки, определяет
повышение прочности после закалки и возможность дальнейшего
упрочнения при старении.

10.

За закалкой следует старение. Старение алюминиевых
сплавов заключается в выдержке сплава при комнатной
температуре несколько суток (естественное старение) или в
течение 10–24 ч при повышенной температуре (искусственное
старение).
В
процессе
старения
происходит
распад
пересыщенного
твердого
раствора,
что
сопровождается
упрочнением сплава.
а) — зона Гинье — Престона; 1 — атомы растворителя;
2 — растворенные атомы;
б) — кристаллы метастабильной фазы (когерентное выделение);
в) — кристаллы стабильной фазы (некогерентное выделение).

11.

Распад пересыщенного твердого раствора протекает в
несколько стадий в зависимости от температуры и
продолжительности старения.
При естественном старении (20 ℃) или низкотемпературном
искусственном старении (ниже 100–150 ℃) распад твердого
раствора с выделением избыточной фазы не наблюдается; при
этих температурах атомы меди перемещаются только в пределах
кристаллической решетки α-твердого раствора и собираются в
двумерные пластинчатые образования типа дисков – в так
называемые зоны Гинье – Престона (ГП-1), которые
равномерно распределены в пределах каждого кристалла.

12.

Длительная выдержка при 100 ℃ или выдержка в течение
нескольких часов при 150 ℃ приводит к образованию
промежуточной θ’’-фазы или зон Гинье – Престона 2. Выдержка в
течение нескольких часов при 150–200 ℃ приводит к образованию в
местах
расположения
θ’’-фазы
(зон
ГП-2)
дисперсных
(тонкопластинчатых) частиц другой промежуточной θ’-фазы. Эта
фаза не отличается по химическому составу от стабильной фазы θ
(CuAl2), но имеет отличную от нее кристаллическую решетку.
Повышение температуры 200–250 ℃ приводит коагуляции θ’’-фазы
и к образованию стабильной θ’-фазы.
Эффект упрочнения при закалке и старение зависит от природы
фазы упрочнения, типа ее решетки, размеров ее частиц, количество
фазы и ее распределения. Наибольший упрочнении алюминиевых
сплавов достигается благодаря CuAl2, Al3CuMg, (S-фаза) Mg2Si,
Al3Mg3Zn3, имеющих сложную структуру и состав отличной от α
твердого раствора.

13.

14.

Химико-термическая обработка - заключается в
насыщении поверхности заготовки каким-либо элементом с
целью получения в этом слое необходимых свойств (твердость,
износостойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость и
т.д.).
Насыщение углеродом - называется цементацией, азотомазотированием, хромомхромированием. После поверхностного
насыщения в ряде случаев производят закалку и последующий
отпуск.
Термомеханическая обработка - сочетает пластическую
деформацию
с
термической
обработкой.
При
термомеханической обработке нагрев осуществляют выше
точки Ас3, а затем проводят быстрое охлаждение,
сопровождающееся превращениями наклепанного аустенита.

15.

Закалочные среды
Для закалки обычно используют кипящие жидкости - воду,
растворы солей и щелочей.
При закалке в этих средах различают три периода:
1) пленочное кипение, когда на поверхности стали
образуется “паровая рубашка” - в этот период скорость
охлаждения относительно невелика;
2) пузырьковое кипение, наступающее при полном
разрушении паровой пленки, в этот период происходит
быстрый отвод теплоты;
3) конвективный теплообмен при температуре ниже
температуры кипения охлаждающей жидкости; теплоотвод в
этот период происходит с наименьшей скоростью.

16.

Спасибо за
внимание!