какой отжиг проводят после пластической деформации
Отжиг и нормализация
Отжиг
Отжиг — это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.
В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига (рис. 39): 1 – диффузионный; 2 – полный; 3 – изотермический; 4 – неполный; 5 – сфероидизирующий; 6 – рекристаллизационный.
Рис. 39. Режимы различных видов отжига
Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) применяют для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Неоднородность строения обусловлена карбидной и дендритней ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скопления легирующих элементов. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой температуры, при которой атомы элементов приобретают большую подвижность. Благодаря этому происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией. В результате такой диффузии обеспечивается выравнивание химического состава слитка или отливки по объему.
Для обеспечения необходимой скорости диффузии атомов отжиг стали проводят при высокой температуре (1100-1200°С) с выдержкой 10-20 ч (рис. 39, кривая 1).
Полный отжиг (рис. 39, кривая 2) применяют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Это достигается нагревом стали на 30-50°С выше верхней критической точки Ас3 и медленным охлаждением.
При нагреве стали выше температуры Ас3 перлит превращается в аустенит. Это происходит путем образования в начальной стадии мельчайших зародышей кристалликов аустенита и постепенного их роста по мере повышения температуры. При небольшом превышении температуры Ас3 (на 30-50°С) образовавшиеся кристаллики аустенита остаются еще мелкими. В дальнейшем, при охлаждении ниже температуры Ас1 образуется однородная мелкозернистая структура ферритно-перлитного типа. При этом в пределах одного аустенитного зерна возникает несколько перлитных зерен, которые значительно мельче, чем аустенитное зерно, из которого они образовались.
Температуру нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграмме состояния (рис. 40), а для легированных сталей – по положению их критической точки Ас3, имеющейся в справочных таблицах.
Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева детали, и времени, нужного для окончания структурных превращений.
Рис. 40. Диаграмма состоянии с интервалами нагрева углеродистой стали для отжига, нормализации, закалки и отпуска
Изотермический отжиг заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас3 (конструкционные стали) и выше точки Ас1 на 50-100°С (инструментальные стали). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже точки Аг1 (680-700°С, см. рис. 40). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки небольших по размерам изделий из легированных сталей в 2-3 раза по сравнению с полным отжигом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется большое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.
Сфероидизирующий отжиг (рис. 39, кривая 5) обеспечивает превращение пластинчатого перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатывамость сталей резанием. Отжиг на зернистый перлит производят по режиму: нагрев стали немного выше точки Ас1 с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550-600°С и далее на воздухе. Сфероидизирующий отжиг применяют для сталей, содержащих более 0,65% углерода, например шарикоподшипниковые стали типа ШХ15.
Рекристаллизационный отжиг (рис. 39, кривая 6) применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепом называют упрочнение металла, появляющееся в результате холодной пластической деформации металла.
При холодной прокатке, штамповке, волочении зерна металла деформируются, дробятся. Это повышает твердость металла, снижает его пластичность и вызывает хрупкость. В этом и заключается сущность наклепа.
Рекристаллизационный отжиг выполняют путем нагрева до температуры ниже Ас1 (650-700°С), выдержки и последующего замедленного охлаждения. При нагреве металла до 650-700°С (рекристаллизационный отжиг) возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичное кристаллизационные процессы (рекристаллизация). На границах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформированных зерен вырастают новые равноосные зерна и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.
Нормализация
Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше верхних критических точек Ас3 и Аcm, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией (см. рис. 40). При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происходит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок.
Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки, а, следовательно, и более производительным. Поэтому углеродистые и низколегированные стали подвергают, как правило, не отжигу, а нормализации.
С повышением содержания углерода в. Стали увеличивается различие в свойствах между отожженной и нормализованной сталью. Для сталей, содержащих до 0,2% углерода, предпочтительнее нормализация. Для сталей, содержащих 0,3-0,4% углерода, при нормализации по сравнению с отжигом существенно увеличивается твердость, что необходимо учитывать. Поэтому нормализация не всегда может заменить отжиг.
Сплавы после нормализации приобретают мелкозернистую структуру и несколько большую прочность и твердость, чем при отжиге. Нормализацию применяют для исправления крупнозернистой структуры, улучшения обрабатываемости стали резанием, улучшения структуры перед закалкой. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет сетку вторичного цементита.
Влияние холодной пластической дефориации и последующего отжига на структуру и свойства металлов
Вопросы по теории на тему «Влияние холодной пластической дефориации и последующего отжига на структуру и свойства металлов» по предмету Материаловедение в МГТУ им. Баумана.
1. Опишите механизм пластической деформации металлов и сплавов.
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий. В отличии от упругих деформаций, пластические не исчезают после окончания действия приложенных сил. В основе пластических деформаций лежат необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия.
При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности, при холодном деформировании повышается прочность. Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов на пряжений.
2. Объясните, что такое наклеп и чем он вызывается. Нарисуйте и поясните зависимость прочности металла от плотности дефектов.
Металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называют наклепом.
В основе упрочнения металла при деформировании лежит прежде всего повышение плотности дислокаций.
Зависимость прочности металла от плотности дефектов.
Прочность металла зависит от плотности дефектов. Металлы интенсивно наклёпываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно. С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее временного сопротивления.
3. Опишите характер изменения микроструктуры металла в процессе пластической деформации и приведите график изменения его основных свойств в зависимости от степени деформации.
Изменение микроструктуры поликристаллического металла при деформации: а) — ε = 0%; б) — ε = 1%; в) — ε = 40%; г) — ε = 80-90%
С ростом деформации различия между зернами уменьшаются и изменяется микроструктура: зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения. Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом.
Зависимость механических свойств от степени деформации.
4. Объясните на примере пластической деформации, почему прочностные свойства и пластичность металла имеют противоположный характер изменения.
При деформировании увеличиваются прочностные характеристики и понижаются пластичность и вязкость. С ростом деформации различия между зернами уменьшаются и изменяется микроструктура: зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения. Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом. Прочность становится выше, а пластичность уменьшается.
5. Опишите структурные изменения, протекающие в деформированном металле при его нагреве. Явление возврата и его стадии. Отличительные особенности процессов первичной и собирательной рекристаллизации.
При нагреве происходит переход металла в более стабильное состояние. При повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их ко личества.
Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах (ниже 0,3 Тпл), рекристаллизация — при более высоких.
Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма зерен при возврате не изменяются. Возврат подразделяют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.
Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; уменьшаются остаточные напряжения, удельное электрическое сопротивление и повышается плотность металла. В общем, твердость и прочность уменьшаются и соответственно увеличивается пластичность.
Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций. Приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности.
Первичная рекристаллизация заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен. Собирательная рекристаллизация происходит при увеличении выдержки или температуры и заключается в самопроизвольном росте одних зерен за счет соседних путем их перемещения через границу раздела.
6. Нарисуйте график изменения основных свойств холоднодеформированного металла при нагреве и поясните характер влияния температуры.
Схемы изменения твердости (а) и пластичности (б) наклепанного металла при нагреве: I — возврат; II — первичная рекристаллизация; III — рост зерна
С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.
Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения.
7. Объясните, как определяется и от каких факторов зависит температура начала рекристаллизации деформированного металла? Как выбрать температуру рекристаллизационного отжига?
Характер структуры, объемные соотношения между фазами, размер частиц второй фазы и среднее расстояние между частицами определяют температуры рекристаллизации и время для завершения первичной рекристаллизации.
Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации.
Температуру рекристализации определяют по формуле: Трек = α·Тпл
Значение коэффициента α зависит от чистоты металла и степени пластической деформации. Для металлов технической чистоты α = 0,3 — 0,4 и понижается с увеличением степени деформации. Уменьшение количества примесей может понизить α до 0,1 — 0,2. Для твердых растворов α = 0,5 — 0,6, а при растворении тугоплавких металлов может достигать 0,7 — 0,8. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100, 270 и 450 °С.
Чистые металлы – до tрек = 0,2 — 0,3tпл; чистые сплавы – до tрек = 0,5-0,6tпл; технические сплавы – до tрек = 0,8-0,9tпл.
8. Поясните, в чем особенность критической степени деформации и каковы ее характерные величины? Приведите график изменения размера зерна металла, формирующегося при рекристаллизации, в зависимости от степени предшествующей деформации.
Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2-8 %); для алюминия она близка к 2%, для железа и меди — к 5%.
Зависимость размера зерна D рекристаллизованного металла от деформации
С ростом степени деформации размер зерна уменьшается, т.к. увеличивается число дефектов, что приводит к образованию большего количества центров для роста новых зерен.
9. Дайте определение холодной и горячей пластической деформации металлов. В чем принципиальное отличие этих видов деформации? Укажите основные области их применения в инженерной практике.
Холодное деформирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклёпывается и сохраняет наклеп. Горячее деформирование приводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если рекристаллизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью.
Горячую деформацию применяют при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов. Холодная деформация позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности деталей.
10. Каким образом можно снять наклеп холоднодеформированного металла и восстановить его пластичность?
Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл при обретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла.
11. Пользуясь справочными данными, определите для выбранного металла следующие показатели:
• температуру рекристаллизации, °С; (Трек = α·Тпл в кельвинах)
• температуру рекристаллизационного отжига, °С;
• если этот металл деформировать при заданной температуре t, окажется деформация холодной или горячей? Будет ли деформация сопровождаться наклепом?
Отжиг сталей
Содержание
Отжиг первого рода (І-го рода)
Отжиг І рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими обработками, для приведения металла в более устойчивое состояние. Этот вид отжига может включать в себя процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. Особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы протекают независимо от того происходят ли фазовые превращения при термообработке или нет. Различают гомогенизационный (диффузионный), рекристаллизационный отжиг и отжиг, уменьшающий напряжения и снижающий твердость.
Гомогенизационный отжиг
Гомогенизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной и внутрикристаллитной ликвации в слитках сталей. Ликвация повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкости, анизотропии свойств и таким дефектам, как шиферность (слоистый излом) и флокены. Устранение ликвации достигается за счет диффузионных процессов. Для обеспечения высокой скорости диффузии сталь нагревают до высоких (1000–1200 °С) температур в аустенитной области. При этих температурах делается длительная (10–20 час.) выдержка и медленное охлаждение с печью. Диффузионные процессы наиболее активно протекают в начале выдержки. Поэтому во избежание большого количества окалины, охлаждение с печью обычно проводят до температуры 800 — 820°С, а далее на воздухе. При гомогенизационном отжиге вырастает крупное аустенитное зерно. Избавиться от этого нежелательного явления можно последующей обработкой давлением или термической обработкой с полной перекристаллизацией сплава. Выравнивание состава стали при гомогенизационном отжиге положительно сказывается на механических свойствах, особенно пластичности.
Рекристаллизационный отжиг стали
Рекристаллизационный отжиг, применяемый для сталей после холодной обработки давлением, – это термическая обработка деформированного металла или сплава. Может применять как окончательная, так и промежуточная операция между операциями холодного деформирования. Главным процессом этого вида отжига являются возврат и рекристаллизация соответственно. Возвратом называют все изменения в тонкой структуре, которые не сопровождаются изменениями микроструктуры деформированного металла (размер и форма зерен не изменяется). Возврат сталей происходит при относительно низких (300–400°С) температурах. При этом процессе наблюдается восстановление искажений кристаллической решетки.
Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы. Между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления имеется простое соотношение: ТР ≈ (0,3–0,4)ТПЛ., что составляет для углеродистых сталей 670–700°С.
Отжиг для снятия напряжений
Отжиг для снятия напряжений – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений. Такие напряжения возникают при обработке давлением или резанием, литье, сварке, шлифовании и других технологических процессах. Внутренние напряжения сохраняются в деталях после окончания технологического процесса и называются остаточными. Избавиться от нежелательных напряжений можно путем нагрева сталей от 150 до 650°С в зависимости от марки стали и способа предыдущей обработки.
Высокий отжиг стали
Эта операция часто называется высоким отпуском. После горячей пластической деформации сталь имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру. Такое состояние сталь получает при ускоренном охлаждении после пластической деформации. Однако в структуре могут быть составляющие: мартенсит, бейнит, троостит и т. д. Твердость металла при этом может быть достаточна высока. Для повышения пластичности и соответственно снижения твердости делается высокий отжиг. Его температура ниже критической Ас1 и зависит от требований к металлу для следующей операции обработки.
Отжиг второго рода (ΙΙ-го рода)
Отжиг ΙΙ рода основан на использовании фазовых превращений сплавов и состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов.
Полный отжиг
Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Для этого стальную деталь нагревают выше критической точки А3 на 30–50°С и после прогрева проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30–100°С/час. Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.
Основные цели полного отжига:
— устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячая деформация, сварка, термообработка), – крупнозернистости и видманштеттовой структуры;
— смягчение стали перед обработкой резанием – получение крупнозернистости для улучшения качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей;
Неполный отжиг
Неполный отжиг отличается от полного тем, что нагрев производится на 30–50 °С выше критической точки А1 (линия РSК на диаграмме «Железо – цементит»). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводят для улучшения обрабатываемости резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали — вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг проводится при температуре 770 — 750°С с последующим охлаждением со скоростью 30 — 60°С/с до 600°С, далее на воздухе.
Неполный отжиг широко применяется для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. Нагрев этих сталей на 10 — 30°С выше Ас1 вызывает практически полную перекристаллизацию сплава и позволяет получить зернистую (сферическую) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией. Частицы цементита, не растворившегося при нагреве, или области аустенита с повышенной концентрацией углерода за счет неполной его гомогенизации после растворения цементита, служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении до температуры ниже А1 и принимающего в этом случае зернистую форму. В результате нагрева до температуры значительно выше А1 и растворения большей части цементита и более полной гомогенизации аустенита последующее выделение цементита ниже А1 происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки, то перед этим отжигом нужно сделать нормализацию с нагревом выше Асm (желательно с охлаждением в направленном потоке воздуха).
Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий температурный интервал нагрева (750 — 760°С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных сталей интервал рсширяется до 770 — 790°С. Легированные заэвтектоидные стали можно нагревать до более высоких температур 770 — 820°С. Охлаждение и сфероидизация цементита происходит медленно. Охлаждение должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов до 620 — 680°С.
Отжиг на зернистый перлит (маятниковый отжиг)
Для получения зернистого перлита применяют отжиг с различными вариациями термоциклирования в надкритическом и межкритическом интервале температур, маятниковые виды отжига с различными выдержками и количеством циклов.
Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, временное сопротивление разрыву и соответственно более высокие значения характеристик пластичности. Например эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом имеет твердость 228НВ, а с зернистым 163НВ и соответственно временное сопротивление 820 и 630МПа, относительное удлинение 15 и 20%.
Микроструктура стали после отжига на зернистый перлит (ОЗП) выглядит следующим образом
После отжига на зернистый перлит стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, при этом достигается более высокая чистота поверхности. В ряде случаев, отжиг на зернистый перлит является обязательной предварительной операцией. Например для избежания трещинообразования при высадке болтов и заклепок.
Изотермический отжиг
Изотермический отжиг заключается в нагреве стали до температуры Ас3 + (30–50°С), последующего ускоренного охлаждения до температуры изотермической выдержки ниже точки А1 и дальнейшего охлаждения на спокойном воздухе. Изотермический отжиг по сравнению с обычным отжигом имеет два преимущества:
— больший выигрыш во времени, т. к. суммарное время ускоренного охлаждения, выдержки и последующего охлаждения может быть меньше медленного охлаждения изделия вместе с печью;
— получение более однородной структуры по сечению изделий, т. к. при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения.
Патентирование
Патентирование — операция отжига, как правило назначаемая для пружинной проволоки, с содержанием углерода 0,65 — 0,9%, перед волочением. Процесс заключается в аустенитизации металла и последующим пропускании его через расплав солей с температурой 450 — 550°С (на ДИПА это температуры изотермической выдержки в области минимальной устойчивости аустенита). Это приводит к образованию тонкопластинчатого троостита или сорбита, который позволяет получать степени обжатия более 75% для волочения и окончательное временное сопротивление 2000 — 2250МПа после ХПД.
Нормализационный отжиг (нормализация стали)
Нормализационный отжиг или нормализацию стали применяют как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и для общего улучшения ее структуры перед закалкой. При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают до температур Ас3 + (30–50°С), заэвтектоидную до Асм + (30–50°С) и после выдержки охлаждают на спокойном воздухе.
Ускоренное охлаждение по сравнению с отжигом обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита, поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно.
Прочность стали после нормализации несколько выше, чем после отжига. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше точки Асм вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. В доэвтектоидной стали, как говорилось выше, нормализация позволяет устранить крупное зерно после перегрева и видманштетт после нарушения цикла ГПД.