Материаловедение
Группа 23
Занятие № 15
Дата: 03 ноября 2020г.
Тема занятия «Дефекты термической обработки, их причины и способы предупреждения»
Цели работы:
- изучить материал, связанный с причинами и способами устранения дефектов термической обработки.
- знать дефекты ТО и виды поверхностной закалки.
Изучение материала:
Содержание лекции:
Дефекты при отжиге могут возникать вследствие несоблюдения режимов нагрева и охлаждения, применения слишком высоких или слишком низких температур, чрезмерной продолжительности нагрева.
При слишком быстром нагреве, особенно изделий крупных размеров, в результате теплового расширения наружных слоев в середине изделия могут возникнуть большие растягивающие напряжения, вызывающие образование трещин. На опасность возникновения трещин необходимо обращать особое внимание при нагреве сталей с плохой теплопроводностью и высоким коэффициентом теплового расширения, например аустенитных.
До достижения температуры отжига необходимо обеспечить выравнивание температуры, особенно для крупных изделий. Неравномерный нагрев приводит к неравномерной структуре и тем самым к получению различных механических свойств в разных сечениях изделия.
При слишком высоких температурах отжига и чрезмерно длительных выдержках происходит образование крупнозернистой структуры, называемой структурой перегрева. Перегрев стали возможен при нагреве слитков и заготовок для горячей деформации.
Перегрев характеризуется крупнокристаллическим блестящим изломом. Он может быть устранен последующим отжигом с фазовой перекристаллизацией, нормализацией или закалкой с высокотемпературным отпуском.
|
|
Очень большой перегрев, кроме сильного роста зерна, может вызвать окисление и оплавление границ зерен. Такой дефект называется пережогом и является неисправимым браком.
Неправильно проведенная закалка может привести к недостаточной и неравномерной твердости, короблению и образованию трещин.
Недостаточная твердость закаленной стали объясняется низкой температурой нагрева под закалку, недостаточной длительностью выдержки при правильной температуре или недостаточно интенсивным охлаждением. В первом случае мартенсит не обладает достаточной твердостью из-за исходного негомогенного аустенита. При недостаточно интенсивном охлаждении в структуре стали могут присутствовать продукты диффузионного распада аустенита.
Образование мягких пятен также является следствием недостаточного прогрева или недостаточно интенсивного охлаждения.
Повышенная хрупкость стали появляется в результате закалки от слишком высоких температур, при которых произошел значительный рост зерен аустенита. Устраняют этот дефект повторной закалкой от нормальных температур для этой стали.
При проведении термической обработки наличие газов в атмосфере печи (кислорода, водяного пара, углекислого газа, окиси углерода и др.) вызывает обезуглероживание и окалинообразование.
Обезуглероживание стали связано с выгоранием углерода в поверхностных слоях. Толщина обезуглероженного слоя может достигать 1,5 – 2 мм
Обезуглероживание поверхности металла обусловливает неравномерную и неполную восприимчивость к закалке, например, инструментальных сталей. Кроме того, обезуглероживание способствует снижению усталостной прочности, ухудшению химических свойств поверхности.
|
|
Окисление стали в процессе нагревания ведет к образованию на поверхности окалины, состоящей из соединений железа с кислородом FеО, Fе2О3, Fе3О4. Масса этого слоя может составлять 1-2% от массы заготовки.
Для защиты от окисления и обезуглероживания выполняется светлый нагрев, который осуществляется в печах с защитной атмосферой или вакуумных печах.
Используются также инертные газы – атмосферы, не вступающие во взаимодействие ни с одним из металлов или сплавов и с углеродом. Наиболее широкое применение в промышленности находят аргон и гелий. Необходимо отметить, что применение инертных атмосфер требует их тщательной очистки от кислорода, двуокиси углерода и других газов, а также глубокой осушки.
В последнее время получает распространение нагрев в «кипящем» слое. Если продувать горячий воздух сквозь слой, состоящий из мелких частиц (обычно, корундовых диаметром 200…500 мкм), то такой слой «кипит», превращаясь как бы в жидкость. В него можно погружать изделие и осуществлять нагрев при продувании горячего воздуха. Вместо воздуха можно использовать другие среды, в том числе и нейтральные. «Кипящий» слой может служить и закалочной средой при продувании через него холодного воздуха.
С целью защиты изделия от обезуглероживания и окалинообразования при отсутствии печей с защитной атмосферой нагрев можно осуществлять в ящиках или трубах, замазанных глиной, а также в ящиках с засыпкой древесным углем или чугунной стружкой.
|
|
Поверхностное упрочнение
Все детали, которые упрочняются термической обработкой, можно распределить на две основные группы.
К первой группе относятся детали, которые работают главным образом на износ. В этом случае упрочняющая термическая обработка должна обеспечить только необходимые свойства поверхностного слоя (твердость, износостойкость и т. п.).
Ко второй группе относят детали, которые во время эксплуатации испытывают разнообразные нагрузки: растягивающие, сжимающие, изгибающие, крутящие, контактные и т. д.
Если деталь работает только под действием нагрузок от растяжения или сжатия, то напряжения распределяются по сечению детали достаточно равномерно. Для этих деталей применяют упрочняющую термическую обработку с объемным нагревом (нормализацию или закалку с последующим отпуском).
Более распространенной является эксплуатация деталей под действием изгибающих, крутящих и контактных нагрузок, при этом наиболее высокие напряжения возникают на поверхности детали, а в центре – минимальные. В таких случаях нужно обеспечить высокие значения твердости, износостойкости, усталостной и контактной прочности поверхностного слоя детали, а по всему её сечению предел текучести б0,2 должен превышать напряжения, возникающие от рабочих нагрузок.
Таким образом, для деталей, работающих на изгиб, кручение или в условиях высоких контактных нагрузок более целесообразным является поверхностное, а не объемное упрочнение.
Различают следующие виды поверхностного упрочнения:
- поверхностная закалка;
- химико-термическая обработка;
- поверхностно-пластическое деформирование.
Необходимо отметить, что при всех методах поверхностного упрочнения формируются сжимающие остаточные напряжения на поверхности, а при объемном упрочнении характерно их отсутствие или даже появление растягивающих напряжений. Известно, что сжимающие остаточные напряжения существенно повышают усталостную и контактную прочность деталей и уменьшают их чувствительность к концентраторам напряжений.
Поверхностная закалка
Поверхностная закалка заключается в нагревании поверхностных слоев изделий до аустенитного состояния и последующего быстрого охлаждения. Поверхностная закалка применяется для повышения твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Для достижения указанного распределения твердости деталь после отжига, нормализации или улучшения необходимо подвергнуть поверхностной закалке, а затем низкотемпературному отпуску.
Поверхностной закалке могут подвергаться все углеродистые и легированные стали, которые содержат более 0,4%С (для углеродистых сталей) и более 0,35 %С (для легированных сталей). Структура поверхностного слоя после поверхностной закалки состоит из трех слоев: слоя, нагретого выше АС3; слоя, нагретого до температур между АС3 и АС1; слоя, нагретого ниже АС1.
В зависимости от источников нагрева различают следующие способы поверхностной закалки:
- закалка с индукционным нагревом;
- закалка с нагревом газокислородным пламенем;
- закалка с нагревом в электролитах;
- закалка с нагревом лазерным излучением.