Уменьшение — твердость — сталь

Cтраница 1

Уменьшение твердости стали сопровождается соответствующим изменением и других механических свойств.
 [1]

Полный отжиг применяется для уменьшения твердости стали, снятия внутренних напряжений и исправления ее структуры, нарушенной неправильным нагревом и охлаждением заготовки во время ковки, сварки, газопламенной резки. По режимам полного отжига обрабатываются также литые заготовки инструментов. Полный отжиг возвращает стали мелкозернистое строение, обеспечивающее лучшую вязкость и пластичность.
 [2]

Температура отпуска, при которой начинается уменьшение твердости стали, возрастает с увеличением содержания кремния. По мере уменьшения содержания кремния твердость стали снижается. Установлено, что кремний при любом содержании углерода препятствует снижению прочности стали при повышении температуры отпуска, а также задерживает распад пересыщенного твердого раствора и выделение карбидной фазы. При содержании в стали 2 2 % кремния процессы отпуска смещаются примерно на 100 С в сторону более высоких температур. Результаты металлографического анализа показывают, что в кремнистых сталях даже при высоких температурах отпуска ( 500 С) сохраняется ориентировка структуры по мартенситу.
 [3]

Снижение скорости охлаждения приводит к повышению содержания бейнита в структуре и уменьшению твердости сталей. У стали 14Х2ГМР по сравнению со сталью 14ХМНДФР отмечена большая интенсивность возрастания температуры бейнитного превращения по мере снижения скорости охлаждения.
 [5]

Влияние твердости на несущую [ IMAGE ] Влияние температуры на твер-способность подшипников дость подшипниковых материалов.  [6]

Как видно, уменьшение твердости даже на несколько единиц HRC резко снижает несущую способность. При уменьшении твердости стали / на 4 единицы НRC несущая способность составляет только 50 % первоначальной.
 [7]

Как видно, уменьшение твердости даже на несколько единиц HRC резко снижает несущую способность. При уменьшении твердости стали 7 на 4 единицы HRC несущая пособность составляет только 50 % первоначальной. Для сталей 2 и 3 такое же снижение лроисходит при уменьшении твердости на 6 — 7 единиц ИКС.
 [9]

Как видно, уменьшение твердости даже на несколько единиц HRC резко снижает несущую способность. При уменьшении твердости стали 1 на 4 единицы HRC несущая пособность составляет только 50 0 первоначальной.
 [11]

Вторая область изнашивания на рис. 6.3 соответствует ЛГуд1 NyK Nya2 — Верхняя область зависит от твердости горных пород. Это обусловлено началом уменьшения твердости стали ( термического разупрочнения) под действием тепла трения, т.е. для второй области характерно тепловое изнашивание стали. При этом соотношение твердостей при трении о кристаллические осадочные породы стремится к единице и может превысить ее ( см. рис. 6.1), а при трении об обломочные горные породы — удаляется от единицы, так как микротвердость кварца ( см. табл. 5.3) в нормальных условиях лишь на 20 — 30 % превышает микротвердость закаленной стали.
 [12]

Увеличение давления от 1 5 до 10 МПа и переход от водяной среды трения к воздушной приводят к интенсивному развитию на поверхностях трения направленного пластического перемещения металла. При одинаковых условиях трения уменьшение твердости стали обусловливает преимущественное преобладание наплывов на поверхности трения.
 [13]

Как мы уже хорошо знаем, в случае углеродистых сталей прямая отжига пересечет обе кривые превращения и притом в самой верхней их части. Это значит, что при отжиге углеродистой стали получится хорошо дифференцированный перлит, и твердость стали получится невысокой. А так как во многих случаях цель отжига и состоит в уменьшении твердости стали, то это и будет достигнуто.
 [14]

Для повышения прочности и износостойкости в стали добавляют один или несколько легирующих элементов. Хром является одним из наиболее универсальных и широкоприменяемых легирующих элементов. Хром усиливает действие углерода, повышает твердость, стойкость к износу, расширяет предел упругости, увеличивает прочность на разрыв и прокаливаемость. Никель увеличивает ударную прочность, предел упругости и прочность стали на разрыв. Прочная н вязкая поверхность никелевых сталей обеспечивает высокую стойкость к усталости и износу. Никелевые стали хорошо подвергаются цементации, никель уменьшает деформацию и обеспечивает хорошие свойства сердцевины. Молибден увеличивает прокаливаемость сталей и оказывает значительное влияние на уменьшение твердости сталей при температурах отпуска. Титан размельчает зерно — обрабатываемость ухудшается.
 [15]

Страницы:  

   1

6.Виды термической обработки стали

Виды термической обработки стали
российский ученый А. А. Бочвар подразделил
на четыре группы: отжиг первого рода,
отжиг второго рода, закалка и отпуск.
При этом свойства стали изменяются
только от термического воздействия на
металл. Кроме этих групп основных видов
термической обработки стали широко
применяются два сложных метода ее
упрочнения: химико-термическая и
термомеханическая обработка стали.
Химико-термическая обработка стали
сочетает химическое и термическое
воздействие на металл, а термомеханическая
– термическое и пластическое.

Рис. 19. Интервалы температур нагрева
углеродистых сталей в зависимости от
содержания углерода С для различных
видов отжига

Отжиг – вид термической обработки,
при котором изделия нагревают до
определенной температуры, выдерживают
длительное время в зависимости от их
размера, а затем медленно охлаждают
вместе с печью.

Отжиг первого рода подразделяется на
диффузионный и низкий.

Диффузионный отжиг (гомогенизация)
заключается в нагреве стали до высоких
температур 1000–1100 °С (рис. 19), длительной
выдержке к последующем медленном
охлаждении, вместе с печью с целью
фазовой перекристаллизации. Применяют
для слитков и крупных стальных отливок,
выравнивания химической неоднородности
их состава в зернах и зонах, т.е. для
уменьшения дендритной и зональной
ликвации. Ввиду сильного роста зерен
при диффузионном отжиге заготовки после
него подвергают дополнительной
термической обработке, например обычному
отжигу.

Низкий отжиг заключается в нагреве
стали ниже нижней критической точки
Ac₁, выдержке и последующем
медленном охлаждении вместе с печью.
Применяют для снятия внутренних
напряжений (например, после сварки).
Такой отжиг протекает без фазовой
перекристаллизации. Рекристаллизационный
(низкий) отжиг используют после холодной
пластической деформации (наклепа) для
улучшения пластических свойств стали.

Таким образом, отжиг первого рода
применяют, когда предшествующая обработка
приводит металл в неустойчивое состояние.
Нагрев при отжиге увеличивает тепловую
подвижность атомов, поэтому процессы,
приводящие металл в устойчивое состояние
(снятие напряжений, уменьшение искажений
кристаллической решетки, диффузия и
тл.), достигают заметных скоростей.

Отжиг второго рода подразделяется на
полный, неполный и изотермический.
Разновидностью отжига является
нормализация. Цель отжига второго рода
– фазовая перекристаллизация и снятие
внутренних напряжений. В процессе отжига
изменяются форма и размер фаз, в результате
чего получается структура, состоящая
из феррита и цементита (карбидов) с
наименьшей твердостью и большой
пластичностью.

Полный отжиг заключается в нагреве
стали выше верхней критической точки
Ас₃ (см. рис. 19) на 30-50 °С,
выдержке и последующем медленном
охлаждении вместе с печью. Применяют
его для доэвтектоидной стали. Исходная
структура, состоящая из феррита и
перлита, при нагреве превращается в
мелкозернистый аустенит. При медленном
охлаждении аустенит распадается с
образованием мелкозернистой
ферритно-перлитной структуры.
Заэвтектоидную сталь полному отжигу
не подвергают.

Неполный отжиг заключается в нагреве
стали выше нижней критической точки
Ас₁ на 30–80 °С, но ниже
верхней критической точки Ас₃,
выдержке и последующем медленном
охлаждении вместе с печью. Применяют
его для эвтектоидной и заэвтектоиднои
стали. Исходная структура заэвтектоиднои
стали, состоящая из перлита и вторичного
цементита, после нагрева состоит из
аустенита и цементита (А + Ц). При
медленном охлаждении цементит получается
зернистым, поэтому после отжига сталь
состоит из зернистого перлита и цементита.
Эвтектоидная сталь после отжига второго
рода имеет также структуру зернистого
перлита. Неполный отжиг заэвтектоиднои
стали называют сфероидизацией.

Неполному отжигу доэвтектоидную сталь
подвергают редко, так как перекристаллизацию
претерпевает один перлит, а феррит
остается неизмененным. Иногда его
применяют для поковок и сортового
проката из до эв тек то и дно и стали,
чтобы снять внутренние напряжения и
улучшить обрабатываемость резанием.

Изотермический отжиг – вид обработки,
при которой сталь нагревают до
соответствующей температуры в зависимости
от содержания углерода, а затем быстро
охлаждают до температуры, лежащей ниже
точки Аr₁ на 100–150 °С,
выдерживают при ней до полного распада
аустенита и охлаждают на воздухе. При
этом сокращается время полной обработки
и получается более равномерная
микроструктура стал и, чем при обычном
отжиге.

Нормализация — вид термической обработки,
при которой сталь с любым содержанием
углерода нагревают выше точек Ас₃
и A_ст, выдерживают при этой
температуре, а затем охлаждают на
спокойном воздухе (в цехе).

После нормализации в микроструктуре
стали наблюдается по сравнению с перлитом
отжига более тонкопластинчатая смесь
феррита и цементита, называемая сорбитом.
Сорбит имеет несколько большую прочность
и пластичность, чем перлит, поэтому
нормализация часто является окончательной
термической обработкой, когда у изделий
не требуется высокой прочности. При
нормализации устраняют структурную
неоднородность и внутренние напряжения
в стали.

Рис. 20. Интервалы температур закалки
углеродистых сталей в зависимости от
содержания углерода
С

Рис.
21. Кривые охлаждения стали для различных
видов закалки

Цель нормализации — устранение некоторых
дефектов структуры стали после предыдущих
операций горячей обработки (литья,
прокатки, ковки и т.п.) или предварительная
подготовка структуры стали к последующим
технологическим операциям (закалке,
обработке резанием).

Закалка — вид термической обработки,
при которой изделие нагревают до
соответствующей температуры в зависимости
от химического состава (рис. 20), выдерживают
при этой температуре, а затем охлаждают
с большой скоростью, превышающей
критическую для данной стали, с целью
получения наивысшей твердости и
прочности. Среднеуглеродистые стали,
как правило, охлаждают при закалке в
воде, высокоуглеродистые и конструкционные
легированные стали – в масле, а некоторые
высоколегированные стали — на воздухе
и в солях с учетом их критической скорости
охлаждения. Вода охлаждает намного
сильнее масла. Добавление к воде солей,
щелочей увеличивает ее закаливающую
способность.

Закалка подразделяется на полную,
неполную, изотермическую, а также другие
разновидности, позволяющие снижать
остаточные напряжения в стали.

Полная закалка — термическая обработка,
при которой сталь нагревают до температуры,
превышающей верхнюю критическую точку
Ас₃ на 30-50 °С, и охлаждают
со скоростью, превышающей критическую
ν_к (рис. 21, прямая 1).
Применяют ее для среднеуглеродистой
доэвтектоидной стали, структура которой
после закалки представляет собой
мартенсит, обладающий высокой твердостью
и прочностью.

Неполная закалка — термическая обработка,
при которой сталь нагревают до температуры,
превышающей нижнюю критическую точку
Ас₁,

38

на 30-50 °С (ниже верхней критической точки
Ас₃), и охлаждают со
скоростью, превышающей критическую ν_к.
Неполную закалку применяют для
эвтектоидной и заэвтектоиднои углеродистых
сталей. Исходная структура заэвтектоиднои
стали состоит из перлита и вторичного
цементита. При нагреве выше Ас₁
происходит превращение перлита в
аустенит (П → А), а цементит остается
нерастворенным. При быстром охлаждении
происходит превращение А →М, и в
результате .структура заэвтектоиднои
стали состоит из мартенсита, цементита
и остаточного аустенита. Наличие в
структуре цементита повышает твердость
и износоустойчивость стали. Структура
закаленной эвтектоидной стали состоит
из мартенсита и остаточного аустенита.

Неполной закалкой считают и термическую
обработку, при которой сталь нагревают
до соответствующей температуры в
зависимости от ее химического состава»,
но охлаждают со скоростью, меньше
критической. В этом случае структура
стали включает не чистый мартенсит, а
тростомартенсит (прямая 5) и имеет
пониженную твердость.

Изотермическая закалка – термическая
обработка, при Которой сталь нагревают
до соответствующей температуры в
зависимости от ее химического состава,
затем быстро охлаждают до температуры
250– 350 °С, выдерживают при этой температуре,
после чего охлаждают на воздухе (кривая
4). При изотермической выдержке
происходит превращение аустенита в
бейнит, обладающий по сравнению с
мартенситом несколько меньшей прочностью
и твердостью, но обычно повышенной
вязкостью.

Прерывистую закалку проводят с охлаждением
изделий в двух средах: сначала в
быстроохлаждающей среде (воде) , а затем
в медленноохлаждающей (масло или воздух)
(кривая 2). Это приводит к тому, что
в мартенситном интервале температур
сталь охлаждается медленно, что приводит
к уменьшению внутренних напряжений.
Применяют ее, например, для закалки
инструмента из высокоуглеродистой
стали. Процесс требует высокой квалификации
термиста.

Ступенчатая закалка (кривая 3)
заключается в нагреве стали до
соответствующей температуры, а затем
в охлаждении ее в расплавленных солях
при температуре, несколько превышающей
начало мартенситного превращения М_H.
После изотермической выдержки, необходимой
для выравнивания температуры по всему
сечению изделия (без распада аустенита)
, осуществляют охлаждение на воздухе.
Это приводит к уменьшению остаточных
закалочных напряжений. Применяют для
углеродистых сталей размером только
до 10 мм.

Прокаливаемость стали – способность
стали закаливаться на определенную, ей
свойственную глубину. Закаливаемость
– способность стали получать структуру
мартенсита с максимальной твердостью,
зависящую от содержания в ней углерода.

Рис.
22. Прокаливаемость стали в зависимости
от скорости охлаждения ν_охл
по ее сечению

Рис. 23. Испытание стали на прокаливаемость
методом торцовой закалки: а
– схема закалки образца; б –
изменение твердости и скорости охлаждения
для неглубоко (1) и глубокопрокаливаемых
(2) сталей

При закалке деталей сквозная их
прокаливаемость не достигается, так
как поверхность охлаждается быстрее,
чем сердцевина. Скорость закалки на
поверхности выше критической скорости
ν_к, поэтому начиная от поверхности
к сердцевине детали будут получаться
различные структуры с разными свойствами:
на поверхности детали мартенсит Μ
(закаленная зона I при ν > ν_к)
, затем тростит (ν < ν_к)
ив центре сорбит или перлит (незакаленная
зона II при ν < ν_к
(рис. 22). Если условия охлаждения те
же, но у стали другая критическая скорость
ν’_к, то и сердцевина детали
будет охлаждаться со скоростью ν >
v’_к· Тогда деталь по всему
сечению будет иметь мартенситную
структуру, так как прокалится насквозь.
Следовательно, чем меньше у стали ν_к,
тем глубже будет ее прокаливаемость.

За глубину прокаливаемости стали
принимают расстояние от поверхности
детали до слоя с полумартенситной
структурой (50% мартенсита и 50 % тростита),
которой соответствует твердость HRC 50
(по Роквеллу) . Для оценки прокаливаемости
принимают диаметр максимального сечения
D_к, которое в данном
охладителе (в воде D_к.в, в
масле D_к.м, в идеальной
среде D_∞) прокалится
насквозь. Вода более интенсивный
охладитель, чем масло, и D_к.в
больше, чем D_к.м , т. е.
при охлаждении в воде прокаливаемость
больше, чем в масле.

Прокаливаемость стали определяют
экспериментально с использованием
специальных методов. Наиболее известен
метод торцовой закалки, при которой
образец охлаждают с торца (рис. 23, а).
По мере удаления от торца скорость
охлаждения и твердость уменьшаются
(рис. 23, б). Твердость измеряют на
поверхности образца после его охлаждения.

Полученные кривые для разных сталей 1
и 2 показывают, что у торца образца
образуется мартенситная структура
(максимальная твердость), затем
полумартенситная структура (мартенсит
+ тростит) и происходит уменьшение
твердости, а далее – незакаленная
(исходная) структура. За границу между
закаленной и незакаленной зонами
принимают слой с полумартенситной
структурой твердостью HRC 50. На практике
для данной марки стали строят не одну
кривую, а две линии – полосы прокаливаемости,
полученные экспериментально на большом
числе образцов разных плавок данной
марки. Эти полосы охватывают разброс
значений твердости стали после закалки
в зависимости от колебания химического
состава, размера зерна и других факторов
для данной марки стали, что позволяет
более точно определить ее прокаливаемость.

Отпуск – термическая обработка,
при которой закаленную сталь, находящуюся
в неравновесном мартенситном состоянии,
нагревают не выше точки Ac₁
– 727 °С, выдерживают при заданной
температуре в течение длительного
времени и охлаждают. При отпуске
происходит распад мартенсита и сталь
приобретает новую структуру и свойства.

По условиям нагрева отпуск подразделяют
на низкий, средний, высокий и многократный.

При низком отпуске закаленную сталь
нагревают до температуры 150–250 °С,
выдерживают, а затем охлаждают с любой
скоростью. Такой отпуск применяют для
снятия внутренних напряжений при
сохранении высокой твердости изделия.
Низкому отпуску обычно подвергают
закаленные цементированные, цианированные
и азотированные детали машин, а также
детали из инструментальных углеродистых
и легированных сталей. Структура стали
после низкого отпуска – отпущенный
мартенсит.

Средний отпуск закаленной стали проводят
при температуре 350– 450 °С. Структура
отпущенной стали – тонкозернистый
тростит. Применяют средний отпуск для
получения высокого предела упругости
у стальных пружин, рессор и тл.

При высоком отпуске закаленную сталь
нагревают до температуры 450–650 °С и
охлаждают после необходимой выдержки
с любой скоростью для стали, не склонной
к отпускной хрупкости. У сталей, склонных
к отпускной хрупкости, в процессе отпуска
(при малой скорости охлаждения после
нагрева) происходит резкое снижение
ударной вязкости. Сталь, склонную к
отпускной хрупкости, необходимо после
нагрева быстро охладить в масле или
воде. Высокий отпуск применяют для
получения стали с наиболее благоприятным
сочетанием механических свойств. При
увеличении температуры отпуска
пластические свойства углеродистой
стали повышаются, а прочностные
понижаются. Закалка с последующим
высоким отпуском, обеспечивающим
наилучшее сочетание пластических и
прочностных свойств, называется
термическим улучшением, или термическим
упрочнением. Структура высокоотпущенной
стали – зернистый сорбит (смесь зерен
феррита и цементита). Высокий отпуск
используют для деталей машин и строительных
конструкций, а также для инструментальной
быстрорежущей стали.

Отпуск многократный представляет собой
разновидность отпуска, при котором
проводят многократное (2–4 раза) повторение
цикла заданный нагрев – выдержка –
полное охлаждение. Многократный отпуск
применяют для изделий из быстрорежущей
инструментальной стали с целью получения
более полного превращения остаточного
аустенита в мартенсит и соответственно
повышения твердости и износостойкости.

Обработка стали холодом предложена
А.П. Гуляевым в 1937 г. Она заключается в
охлаждении закаленной стали, в структуре
которой имеется остаточный аустенит,
до температуры ниже 20 ° С в соответствии
с интервалом ее мартенситного превращения
М_Н – М_к. У
сталей с содержанием углерода свыше
0,5 % температура конца мартенситного
превращения М_к лежит ниже
0 °С. Обработка стали холодом ниже О °С
вызовет дополнительное образование
мартенсита из остаточного аустенита.
В результате обработки холодом и
дополнительного образования мартенсита
из остаточного аустенита повышаются
твердость стали и ее магнитные
характеристики, а также стабилизируются
размеры деталей, так как завершается
превращение A_ост → М,
связанное с увеличением объема. В
качестве охладителя применяют, например,
смесь твердой углекислоты и ацетона,
дающую температуру –78 °С.

Огонь и сталь: наука ковки

10.08.2018

«Пайнфулл кузнец, с силой пылкого жара,
Самый твердый ирон скоро смягчается,
Что с его тяжелыми санями он может его разбить,
И придать ему форму, которую он применит к списку».
Эдмунд Спенсер, Sonnet XXXII

​ ​До изобретения современных методов металлообработки кузнецы использовали тепло для обработки металла. Как только металлу придавали нужную форму, нагретый металл быстро охлаждали. Быстрое охлаждение сделало металл более твердым и менее хрупким. Современная обработка металлов стала намного более сложной и точной, что позволяет использовать разные методы для разных целей.

Термическая обработка

Термическая обработка – это процесс нагревания и охлаждения металлов для изменения их микроструктуры и придания физико-механических характеристик, которые делают металлы более привлекательными. Температуры, до которых нагреваются металлы, и скорость охлаждения после термической обработки могут существенно изменить свойства металла.
 
Наиболее распространенными причинами термической обработки металлов являются повышение их прочности, твердости, ударной вязкости, пластичности и коррозионной стойкости. Общие методы термообработки включают следующее:
 
Отжиг — это форма термической обработки, которая приближает металл к его равновесному состоянию. Он смягчает металл, делая его более пригодным для обработки и обеспечивая большую пластичность. В этом процессе металл нагревают выше его верхней критической температуры, чтобы изменить его микроструктуру. После этого металл медленно охлаждается.
 
Менее затратный, чем отжиг, закалка — это метод термообработки, при котором металл быстро возвращается к комнатной температуре после того, как он нагрет выше верхней критической температуры. Процесс закалки предотвращает изменение микроструктуры металла в процессе охлаждения. Закалка, которую можно проводить водой, маслом и другими средами, упрочняет сталь при той же температуре, что и полный отжиг.
 
Материал нагревают до температуры, подходящей для затвердевания, затем быстро охлаждают, погружая горячую часть в воду, масло или другую подходящую жидкость, чтобы преобразовать материал в полностью затвердевшую структуру. Детали, подвергающиеся закалке, обычно должны быть состарены, отпущены или сняты напряжения для достижения надлежащей ударной вязкости, окончательной твердости и стабильности размеров.
 
Осаждение Упрочнение также известно как старение. Он создает однородную структуру зерна металла, делая материал прочнее. Процесс включает в себя нагрев раствора до высоких температур после процесса быстрого охлаждения. Дисперсионное твердение обычно проводят в инертной атмосфере при температуре от 500 до 600 градусов Цельсия. Процесс может занять от часа до четырех часов. Продолжительность обычно зависит от толщины металла и других подобных факторов.
 
Использование этой обработки приведет к улучшению механических свойств, а также к повышению уровня твердости, в результате чего изделие станет более прочным и долговечным. Сплавы нагревают выше критической температуры превращения материала, а затем достаточно быстро охлаждают, чтобы мягкий исходный материал превратился в гораздо более твердую и прочную структуру. Сплавы могут охлаждаться на воздухе или охлаждаться закалкой в ​​масле, воде или другой жидкости, в зависимости от количества легирующих элементов в материале. Закаленные материалы обычно подвергают отпуску или снятию напряжения для улучшения их размерной стабильности и ударной вязкости.
 
Отпуск , обычно используемый сегодня в сталеплавильном производстве, представляет собой термообработку, используемую для повышения твердости и ударной вязкости стали, а также для снижения хрупкости. Этот процесс создает более пластичную и стабильную структуру. Целью отпуска является достижение наилучшего сочетания механических свойств металлов, а сочетание закалки и отпуска важно для изготовления прочных деталей. Температура и время отпуска обычно контролируются для получения окончательных свойств, требуемых от стали. В результате получается компонент с подходящим сочетанием твердости, прочности и ударной вязкости для предполагаемого применения. Отпуск также эффективен для снятия напряжений, вызванных закалкой.
 
Снятие напряжения — это процесс термической обработки, который снижает напряжение в металлах после их закалки, литья, нормализации и т. д. Напряжения снимаются нагревом металла до температуры ниже необходимой для превращения. После этого процесса металл медленно охлаждают.
 
Нормализация — это форма термической обработки, при которой удаляются примеси и повышается прочность и твердость за счет изменения размера зерна, чтобы он был более однородным по всему металлу. Это достигается путем охлаждения металла воздухом после его нагрева до определенной температуры.
 
Когда металлическая деталь подвергается криогенной обработке , она медленно охлаждается жидким азотом. Медленный процесс охлаждения помогает предотвратить термическое напряжение металла. Далее металлическая часть выдерживается при температуре примерно минус 190 градусов Цельсия примерно сутки. При более позднем термическом отпуске металлическая часть подвергается повышению температуры примерно до 149 градусов Цельсия. Это помогает снизить степень хрупкости, которая может быть вызвана образованием мартенсита во время криогенной обработки.

  Обдумайте это

Термическая обработка действует только на металлы? А керамика? Или даже органические материалы?

Могут ли металлы с очень низкой температурой плавления, такие как галлий или ртуть, также подвергаться термической обработке?

  Обсудить

Почему для того, чтобы обработанные материалы приобрели определенные свойства, должны быть достигнуты определенные температуры? Какие химические или физические механизмы изменяют прочность, твердость, ударную вязкость или пластичность металла в зависимости от того, до какой температуры он обрабатывается?

  Дополнительная литература

Термическая обработка, из Википедии.

« Краткий обзор процессов термообработки металлов » из журнала Machine Design.

« Термическая обработка простых углеродистых и низколегированных сталей » от MIT Department of Machine Engineering.

Термическая обработка сварных соединений. Часть 1

Термическая обработка является операцией, требующей больших затрат времени и средств. Это может повлиять на прочность и ударную вязкость сварного соединения, его коррозионную стойкость и уровень остаточного напряжения, но также является обязательной операцией, указанной во многих прикладных нормах и стандартах. Кроме того, это важная переменная в аттестационных требованиях к процедуре сварки.

Щелкните здесь , чтобы посмотреть наши последние технические подкасты на YouTube .

Перед обсуждением диапазона термической обработки, которой может быть подвергнут металл, необходимо четко определить, что подразумевается под различными терминами, используемыми для описания диапазона термической обработки, которая может применяться к сварному соединению. Такие термины часто используются неправильно, особенно неспециалистами; для металлурга они имеют очень точное значение.

Обработка раствора

Проводится при высокой температуре и предназначена для введения в раствор элементов и соединений, которые затем сохраняются в растворе путем быстрого охлаждения от температуры обработки раствора. Это может быть сделано для снижения прочности соединения или для повышения его коррозионной стойкости. Для некоторых сплавов за этим может следовать термообработка при более низкой температуре для контролируемого преобразования выделений (старение или дисперсионное твердение).

Отжиг

Он заключается в нагреве металла до высокой температуры, при котором происходит рекристаллизация и/или фазовое превращение, с последующим медленным охлаждением, часто в печи для термообработки. Это часто делается для размягчения металла после его закалки, например, путем холодной обработки; полный отжиг дает очень мягкую микроструктуру. Это также приводит к снижению предела текучести и предела прочности при растяжении, а в случае ферритных сталей обычно к снижению ударной вязкости.

Нормализация

Это термическая обработка, которая проводится только на ферритных сталях. Он включает нагрев стали примерно на 30-50°С выше верхней температуры превращения (для стали с 0,20% углерода это будет около 910°С) и охлаждение в неподвижном воздухе. Это приводит к уменьшению размера зерна и повышению как прочности, так и ударной вязкости.

Закалка

Включает быстрое охлаждение от высокой температуры. Ферритная сталь должна быть нагрета выше верхней температуры превращения и подвергнута закалке в воде, масле или воздушной струе для получения очень высокопрочного мелкозернистого мартенсита. Стали никогда не используются в закаленном состоянии, их всегда отпускают после операции закалки.

Отпуск

Термическая обработка ферритных сталей при относительно низкой температуре, ниже нижней температуры превращения; в обычной конструкционной углеродистой стали это будет в районе 600-650°С. Он снижает твердость, снижает прочность на растяжение и повышает пластичность и ударную вязкость. Большинство нормализованных сталей перед сваркой подвергают отпуску, все закаленные стали используют в закаленном и отпущенном состоянии.

Старение или дисперсионное твердение

Низкотемпературная термообработка, предназначенная для получения надлежащего размера и распределения осадков, тем самым увеличивая выход и прочность на разрыв. Обычно этому предшествует термическая обработка раствора. Для стали температура может быть где-то между 450-740°С, алюминиевый сплав будет стариться при температуре 100-200°С. Более длительное время и/или более высокие температуры приводят к увеличению размера осадка и снижению как твердости, так и прочности.

Снятие напряжения

Как следует из названия, это термическая обработка, предназначенная для уменьшения остаточных напряжений, возникающих в результате усадки сварного шва. Он основан на том факте, что при повышении температуры металла предел текучести снижается, что позволяет перераспределить остаточные напряжения за счет ползучести сварного шва и основного металла. Охлаждение от температуры снятия напряжения контролируется, чтобы не возникало вредных температурных градиентов.

Последующий нагрев

Низкотемпературная термообработка, проводимая сразу после завершения сварки путем увеличения предварительного нагрева примерно на 100°C и поддержания этой температуры в течение 3 или 4 часов. Это способствует диффузии любого водорода в сварном шве или зонах термического влияния из соединения и снижает риск холодного растрескивания, вызванного водородом. Он используется только для ферритных сталей, где водородное холодное растрескивание является серьезной проблемой, т. е. стали, очень чувствительные к растрескиванию, очень толстые соединения и т. д.

Термическая обработка после сварки (PWHT)

Так что же означает термин «термическая обработка после сварки»? Для некоторых инженеров это довольно расплывчатый термин, который используется для описания любой термической обработки, проводимой после завершения сварки. Однако для других, особенно для тех, кто работает в соответствии с кодами сосудов под давлением, такими как BS PD 5500, EN 13445 или ASME VIII, это имеет очень точное значение. Поэтому, когда инженер говорит о термической обработке после сварки, отжиге, отпуске или снятии напряжений, рекомендуется.

Термическая обработка после сварки может проводиться по одной или нескольким из трех основных причин:

• для достижения стабильности размеров с целью соблюдения допусков во время операций механической обработки или во время приспособляемости в процессе эксплуатации
• для производства специальных металлургических конструкций с целью достижения требуемых механических свойств
• для снижения риска возникновения проблем в процессе эксплуатации, таких как коррозия под напряжением или хрупкое разрушение, за счет снижения остаточного напряжения в сварном компоненте

Диапазон термической обработки для достижения одной или нескольких из этих трех целей в диапазоне черных и цветных металлов и сплавов, которые могут быть сварены, очевидно, слишком широк, чтобы подробно описывать его в этих кратких статьях. Акцент в следующем разделе будет сделан на PWHT углеродистых и низколегированных сталей в соответствии с требованиями стандартов применения, хотя будут кратко упомянуты и другие формы термической обработки, с которыми инженер-сварщик может столкнуться при сварке ферросплавов. Здесь задействованы два основных механизма: во-первых, снятие напряжения и, во-вторых, микроструктурные модификации или отпуск.

Снятие стресса

Почему необходимо снимать стресс? Это дорогостоящая операция, требующая нагрева части или всего сварного изделия до высокой температуры, и она может вызвать нежелательные металлургические изменения в некоторых сплавах. Как упоминалось выше, может быть одна или несколько причин. Высокие остаточные напряжения, зафиксированные в сварном соединении, могут вызвать деформацию за пределами допустимых размеров при механической обработке изделия или при его вводе в эксплуатацию. Высокие остаточные напряжения в углеродистых и низколегированных сталях могут увеличить риск хрупкого разрушения, создавая движущую силу для распространения трещины. Остаточные напряжения вызывают коррозионное растрескивание под напряжением в соответствующей среде, например, в углеродистой и низколегированной стали в щелочной среде или в нержавеющей стали, подверженной воздействию хлоридов.

Чем вызваны эти высокие остаточные напряжения? Сварка включает осаждение расплавленного металла между двумя практически холодными поверхностями основного металла. Когда соединение охлаждается, металл сварного шва сжимается, но удерживается холодным металлом с обеих сторон; поэтому остаточное напряжение в соединении увеличивается с понижением температуры. Когда напряжение достигает достаточно высокого значения (предела текучести или предела текучести при этой температуре), металл пластически деформируется посредством механизма ползучести, так что напряжение в соединении соответствует пределу текучести. По мере того, как температура продолжает падать, предел текучести увеличивается, препятствуя деформации, так что при температуре окружающей среды остаточное напряжение часто равно пределу текучести (рис. 1).

Чтобы уменьшить этот высокий уровень остаточного напряжения, компонент повторно нагревается до достаточно высокой температуры. По мере повышения температуры предел текучести падает, что приводит к деформации и снижению остаточного напряжения до тех пор, пока не будет достигнут приемлемый уровень. Компонент будет выдержан при этой температуре (пропитан) в течение определенного периода времени, пока не будет достигнуто стабильное состояние, а затем снова охлажден до комнатной температуры. Остаточное напряжение в соединении равно пределу текучести при температуре выдержки.

Рисунок 1 показывает, что остаточное напряжение в углеродисто-марганцевой стали достаточно стабильно падает от температуры окружающей среды до примерно 600°C, но для высокопрочных жаропрочных сталей температура должна быть выше 400°C, прежде чем остаточное напряжение начнет падать. Нержавеющая сталь практически не подвергается воздействию до тех пор, пока температура не превысит 500°C. Поэтому существует диапазон температур выдержки для различных сплавов, позволяющий добиться приемлемого снижения остаточного напряжения без неблагоприятного воздействия на механические свойства соединения.