Виды и режимы термической обработки стали

Пластичность стали, столь необходимая при формоизменяющей обработке заготовок, часто превращается в негативный фактор: в частности, производство не устраивают невысокая твёрдость и прочность продукции, пусть даже и увеличивающиеся вследствие деформационного упрочнения. Проблему решает термическая обработка стали.

Благодаря множеству различных процессов термообработки свойства стали могут быть значительно изменены как по физическим, так и по и механическим характеристикам. Термической обработке можно подвергать преобладающее большинство марок чёрных и цветных металлов и сплавов.

Задачи и эффекты термообработки

При нагреве до температур, превышающих температуру рекристаллизации, микроструктура большинства марок сталей становится равновесной, а свойства – более равномерными во всех направлениях. Однако при естественном охлаждении такие преимущества не сохраняются. Более того, образуются грубые кристаллиты, возрастает полосчатость и иные дефекты, ухудшающие эксплуатационные свойства металла.

Для сохранения положительных характеристик было бы удобно зафиксировать при комнатных температурах благоприятные фазово-структурные изменения. Самый простой способ – нагреть изделие до нужной температуры, а затем быстро его охладить. На этом принципе построено большинство технологий термообработки.

Когда мы говорим об изменении механических свойств, то имеем в виду прочность на сдвиг, ударную вязкость предел прочности и твёрдость стали. Учет такого механического изменения свойств позволяет коечной продукции быть более эффективной при выполнении повседневных задач и более устойчивой к износу даже в самых тяжелых условиях. Правильная термообработка стали снижает трудоёмкость других важных этапов производства. Например, в результате разумно использованных возможностей процессов термообработки можно снять напряжения, облегчая сборку или сварку конструктивных элементов, а также оптимизировать размеры их сечений.

Шестерни, валы, подшипники и другие важные компоненты машиностроительных узлов значительно выигрывают от таких процессов термообработки, когда увеличивается их износостойкость и общий срок службы. В частности, повышение усталостной прочности позволяет стальным изделиям более эффективно сопротивляться знакопеременным и ударным нагрузкам.

Виды и режимы термической обработки стали

Велика роль процессов термообработки и в инструментальном производстве. Твёрдые стали и сплавы часто используются в качестве режущих и штамповых деталей, где необходимо поддерживать четкость формы и кромки. При этом можно достигать требуемого баланса между поверхностными твёрдыми слоями инструмента и более вязкой, пластичной сердцевиной.

Суммируя, можно отметить, что в результате термической обработки материал:

  • Становится более прочным и твёрдым (или, наоборот, более мягким и пластичным!);
  • Повышает свою усталостную прочность;
  • Улучшает свариваемость;
  • Обеспечивает необходимую микроструктуру;
  • В ряде случаев изменяет химический состав поверхности.

Во многих случаях термообработка обратима, что позволяет изменять свойства стали, если по каким-либо причинам полученные характеристики не удовлетворяют производственным требованиям.

Принцип термической обработки металлов

Результаты, которые могут быть получены при термической обработке, в значительной степени зависят от структуры металла и того, как структура изменяется при нагревании и охлаждении металла. Для чистых металлов термическая обработка малоэффективна, поскольку при нагревании их структура мало изменяется. С другой стороны, большинство сплавов поддаются термической обработке именно потому, что их структура изменяется в процессе нагревания и охлаждения.

Исходный сплав может находиться в следующих формах:

  • Твёрдого раствора;
  • Механической смеси;
  • Комбинации твёрдого раствора и механической смеси.

Когда сплав находится в форме твёрдого раствора, элементы и соединения, образующие сплав, растворяются один в другом, почти так же, как соль растворяется в стакане воды. Составные части не могут быть идентифицированы даже под микроскопом. Когда два или более элемента или соединения смешиваются, но могут быть идентифицированы с помощью микроскопического исследования, образуется механическая смесь.

Виды и режимы термической обработки стали

Механическую смесь можно сравнить со смесью песка и гравия в бетоне, когда отчётливо видны и песок, и гравий. Подобно тому, как песок и гравий удерживаются вместе смесью цемента, так и другие составляющие сплава погружаются в смесь, образованную основным металлом.

Сплав, который находится в виде механической смеси при обычных температурах, может превращаться в твёрдый раствор при нагревании. При охлаждении до нормальной температуры сплав может вернуться к своей исходной структуре. Вместе с тем, он может оставаться твёрдым раствором или образовывать комбинацию твёрдого раствора и механической смеси.

Сплав, состоящий из комбинации твёрдого раствора и механической смеси при нормальных температурах, может превратиться в твёрдый раствор при нагревании. При охлаждении сплав может оставаться твёрдым раствором, возвращаться к своей первоначальной структуре или образовывать сложный раствор.

Таким образом, все виды термической обработки стали представляются цепочкой взаимосвязанных событий/циклов. Эти циклы включают:

  • Нагрев (обычно медленный, для того, чтобы обеспечить структурную равномерность);
  • Выдержку металла при заданной температуре в течение определённого периода времени;
  • Охлаждение (или возвращение) металла к комнатной температуре, иногда быстро, иногда медленно.

В цикле нагрева первостепенное значение имеет равномерность температур. Если одна часть детали нагревается быстрее, чем другая, возникающее в результате неравномерное расширение часто вызывает деформацию или растрескивание детали.

Виды и режимы термической обработки стали

Скорость нагрева детали зависит от нескольких факторов. Одним из важных является теплопроводность металла. Металл, который легко проводит тепло, может нагреваться с большей скоростью, чем металл, при котором тепло не может быстро поглощается всей деталью. Состояние металла также влияет на скорость его нагрева. Например, скорость нагрева закалённых инструментов и деталей должна быть ниже, чем у металлов, не находящихся в напряженном состоянии.

Размер и поперечное сечение имеют важное влияние на скорость нагрева. Детали с развитым поперечным сечением требуют более медленного нагрева, чем тонкие детали. Эта необходимо для того, чтобы внутреннее пространство было нагрето до той же температуры, что и поверхность. Нагрев таких заготовок затруднён, зато они менее склонны к растрескиванию или чрезмерной деформации.

Целью термической обработки является изменение свойств металла. Для этого металл должен быть нагрет до температуры, при которой происходят внутренние структурные изменения. Эти изменения происходят, когда составляющие металла переходят в раствор. Однако каждый металл обладает свойством тепловой инерции. Это означает, что, после того, как металл нагреется до надлежащей температуры, его необходимо выдерживать при этой же температуре, пока металл не прогреется полностью.

Время выдержки зависит от химического состава металла и массы детали. Если стальные детали неоднородны по поперечному сечению, то время выдержки определяется самым большим сечением.

Виды и режимы термической обработки стали

Температура металла редко повышается от комнатной до конечной за одну операцию. Поэтому сталь медленно нагревают до температуры ниже точки, при которой образуется твёрдый раствор, а затем выдерживают при этой температуре до тех пор, пока тепло не поглотится металлом. Эта стадия называется предварительным нагревом, после него нагрев можно вести быстрее. Предварительный нагрев способствует достижению равномерной температуры по всей детали, снижая риск деформации и растрескивания.

После нагрева до надлежащей температуры металл необходимо вернуть к комнатной температуре, завершив процесс термообработки. Металл охлаждается путем непосредственного контакта с газом, жидкостью или их сочетанием. Твердое, жидкое или газообразное вещество, используемое для охлаждения металла, называется «охлаждающей средой». Скорость охлаждения металла зависит от:

  • Вида металла,
  • Желаемых свойств;
  • Характеристик охлаждающей среды.

Выбор охлаждающей среды имеет важное влияние на получаемые свойства. Чаще других используют масло и воду. Вода (и растворы на её основе) охлаждают быстрее и должны использоваться только для металлов, которые требуют быстрого охлаждения. Масло охлаждает медленнее и больше подходит для металлов, которые легко повредить при быстром охлаждении. Углеродистые стали чаще охлаждают в воде, а легированные стали — в масле.

Виды термообработки стали

Предыдущая
МатериаловедениеХарактеристика сплавов железа: виды, свойства, применение
Следующая
МатериаловедениеРадиационностойкие материалы и их особенности
Помогли? Поставьте оценку, пожалуйста.
Плохо
0
Хорошо
0
Супер
0
Спринт-Олимпик.ру
Мы в ВК, подпишись на нас!

Подпишись на нашу группу в ВКонтакте, чтобы быть в курсе выхода нового материала...

Вступить
×