Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2014 » Март » 19 » Термическая обработка металлов
22:18
Термическая обработка металлов

Широкое использование металлов и сплавов в различных областях промышленности и народного хозяйства обуславливает большой научный интерес к методам обработки и улучшения данных материалов. Одним из классических и основных методов изменения механической прочности металлов и сплавов является термическая обработка. Ранее мы уже касались фазового состояния системы железо-углерод и прочностных свойств сталей. Сейчас подробнее рассмотрим физико-химические и технологические аспекты данных процессов.

Все виды термической обработки сталей направлены на изменение свойств равновесной системы железо-углерод, путем перераспределения углерода в массе стали. Для активации процесса используется нагревание, для замораживания равновесия применяется охлаждение.

Наибольшее применение в промышленности нашли закалка и отпуск сталей. Закалка заключается в нагревании стального изделия до высокой температуры и резкое охлаждение изделия. При этом повышается твердость и прочность стали, при снижении вязкости и повышении хрупкости. Отпуск является обратным процессом, он заключается в нагревании изделия до сравнительно не высоких температур и последующем медленном охлаждении.

Химизм данных процессов основан на растворимости углерода в стали при различных температурах. При температурах выше примерно 760 – 790оС для углеродистых сталей и 750 – 1100оС для легированных сталей, происходит переход перлитного состояния матрицы стали в аустенитное состояние. Это сопровождается небольшим увеличением расстояния между атомами железа в кристаллической решетке, приводящем к повышению растворимости углерода. Нагревание делает систему равномерной – весь углерод равномерно распределяется в стали, резкое охлаждение замораживает равновесие, не давая углероду вновь агрегатироваться в виде графитовых или цементитных (Fe3C) фрагментов пластинчатой или игольчатой формы. Углерод более равномерно распределяется в объеме стали, оставаясь в растворенном виде внутри структурных зерен перлита. Это повышает жесткость перлитных зерен.

Отпуск является обратным процессом. Продолжительное нагревание стали до температуры выше начала диффузионных процессов в стали (около 340 – 380оС для различных сталей) приводит к миграции углерода в пластинчатые цементитные элементы, занимающие сравнительно небольшой объем материала и мало влияющие на его свойства. В основной массе металла доминирует ферритная матрица с небольшим содержанием перлитных пластинчатых структур, включающих цементитные фрагменты.

Поэтому отпуск применяют для снижения твердости стали перед ее обработкой и для повышения эластичности стали. Первые инструменты для обработки металлов давлением и резанием изготавливали по этой технологии: в начале заготовку отпускали и формовали из ее инструмент, затем подвергали закалке и инструмент обретал требуемую твердость.

Сегодня все предприятия, занимающиеся обработкой металла, имеют в своем распоряжении широкий перечень различного измерительного инструмента для регистрации температуры: оптические пирометры, термопары, терморезисторы, ртутные термометры различного типа и многое другое. Первые металлурги не имели в своем распоряжении ни чего подобного, они были вынуждены обходится своим органометрическим восприятием, в первую очередь, зрением. В начале статьи приведены цвета каления металлов, ниже - цвета побежалости (оттенка окалины) на поверхности стальных изделий при различных температурах.

 

Принцип подобного определения температуры заготовки состоит в изменении длины волны света при изменении энергии одного фотона. При большем нагреве заготовки происходит усиление лучеиспускания с его поверхности. Это приводит к увеличению энергии одного фотона в соответствии с уравнением: Е=, где h – постоянная Планка, ν – частота. При этом произведение длины волны на ее частоту является константой, равной скорости света в вакууме. Таким образом, чем выше энергия фотона, тем выше частота его колебаний, которая обратно пропорциональна длине волны (произведение частоты волны на ее длину равно скорости света в вакууме). Сенсоры глаза не чувствуют длину волны, они воспринимают частоту через энергию единичного фотона. Поэтому видимый диапазон света сравнительно скромен, так же, как и слышимый диапазон звука.

Холодные тела излучают фотоны низкой энергии, поэтому для нас они не светятся. При повышении температуры тела происходит переход от темно-красного цвета к более светлым тонам, оранжевому и желтому. При температуре поверхности более 1200оС тело выглядит ослепительно-белым.

Принцип определения температуры по цветы побежалости применим только к сталям, так как, здесь дело в структуре окисной пленки на поверхности стали, чем толще и рыхлее пленка, тем под большим углом преломляется свет при отражении от поверхности стали. Это приводит к изменениям части спектра, наименее поглощаемой поверхностью.

Кроме закалки и отпуска существует так же отжиг, он отличается от отпуска большей продолжительностью и несколько большей температурой. Отжиг приводит к еще большей агрегации углерода в фрагментах, близких по форме к сферам. Они располагаются в основном на границах структурных зерен в соле-окисной прослойке. При этом происходит частичная агрегация структурного зерна и увеличение толщины прослоек. Что приводит к снижению усталостной прочности стали. Положительным моментом обработки является более глубокое снижение внутренних напряжений в стали, что повышает пластичность и ударную вязкость. Отжиг применяется для изделий из низкоуглеродистой стали, для которых эластичность важнее твердости. Для изделий из средне и высокоуглеродистых сталей применяют закалку с последующим частичным отпуском, этот процесс носит название "улучшение”. В зависимости от температуры отпуска отличают легкий или глубокий (высокий) отпуск. При этом происходит частичное перераспределение углерода или только снижение внутренних напряжений (релаксация) в металле.

Категория: Металлургия | Просмотров: 3051 | Добавил: Chemadm | Теги: термообработка, Металлообработка, инструментальные стали | Рейтинг: 4.8/15
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]