Старение как вид упрочнающей обработки. Примеры сплавов, упрочняемых закалкой и старением.

Билет №1.

Й вопрос

Углеродистые стали

Углеродистые стали (ГОСТ 1435-90) производят качественными У7, У8, У9, ..., У13 и высококачественными У7А, У8А, У9А,..., У13А. Бук­ва У в марке показывает, что сталь углеродистая, а число указывает сред­нее содержание углерода в десятых долях процента. Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит. Благодаря невысокой твердости в состоянии поставки (187 - 217 НВ) углеродистые стали хоро­шо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные методы изготовления

из них инструментов.

Из-за низкой прокаливаемости (10 - 12 мм) углеродистые стали при­годны для мелких инструментов или инструментов с поперечным сечени­ем до 25 мм с незакаленной сердцевиной, в которой режущая часть при­ходится на поверхностный слой¹ (метчики, развертки, напильники и т.п.). Несквозная закалка уменьшает деформацию инструментов и повышает благодаря вязкой сердцевине их устойчивость к ударам и вибрациям. Ин­струмент с поперечным сечением 15-25 мм после закалки охлаждают в воде или водных растворах солей и щелочен. Инструменты с незакален­ной сердцевиной меньшего сечения для уменьшения деформаций и опас­ности растрескивания охлаждают в масле, водных растворах полимеров

или расплавах солей.

Режущие инструменты (мелкие метчики, сверла, напильники, пилы, шаберы и др.) изготовляют из заэвтектоидных сталей У10, У11, У12 и У13. Их подвергают неполной закалке и низкому отпуску при 150-180°С на структуру мартенсита с включениями цементита. Такие инструменты обладают повышенной износостойкостью и высокой твердостью (62 - 64 НЯС) на рабочих гранях. Однако твердость сильно снижается при нагреве свыше 200 °С. В связи с этим инструменты из этих сталей пригодны для обработки при небольших скоростях резания.

Заэвтектоидные стали используют также для изготовления измери­тельных инструментов (калибры простой формы и невысоких классов точ­ности) небольших штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках.

Стали У 7, У8, У9, обеспечивающие более высокую вязкость, применя­ют для инструментов, подвергающихся ударам: деревообрабатывающих, слесарных, кузнечных, а также пуансонов, матриц и др. |После полной закалки их отпускают на структуру троостита при 275 - 325 °С (48-55 НRС) или при 400 - 450 °С (38 - 45 НRС);

Старение как вид упрочнающей обработки. Примеры сплавов, упрочняемых закалкой и старением.

Старение – это вид термической обработки, в результате которой в предварительно закалённом сплаве происходят фазовые превращения, приближающие его структуру к равновесной.

Рассмотрим принцип упроч­няющей термической обработки стареющих сплавов на примере системы с промежуточным соеди­нением.К термически упрочняемый относятся сплавы составов от точ­ки а до промежуточного соедине­ния A_mB_n, в которых при охла­ждении из твердого раствора а выделяются вторичные кристал­лы A_mB_n. При этом степень уп­рочнения тем выше, чем больше масса вторичных кристаллов в равновесном сплаве.Рассмотрим для примера сплав состава т.с, кото­рый в равновесном состоянии име­ет двухфазную структуру, состоя­щую из кристаллов твердого рас­твора а концентрации точки а и относительно крупных вторичных кристаллов A_mB_n. Сопротивле­ние движению дислокации возра­стает до пере уменьшения расстояний между частицами упрочняющей фа­зы, т.е. сплав станет прочнее, когда вместо немногочисленных крупных включений образуется большое количество мелких. Наибольшее препят­ствие для движения дислокаций создают включения, отстоящие одно от другого на 25 - 50 межатомных расстояний. В большинстве стареющих сплавов желательная дисперсная структура образуется в результате тер­мической обработки, состоящей из двух операций — закалки и старения.При закалке сплавы нагревают до температур, обеспечивающих рас­пад вторичных кристаллов. Быстрым охлаждением с температуры закалки подавляют процесс выделения вторичных кристаллов и в результате получают однофазный сплав -пересыщенный компонентом В твердый раствор. Пересыщение твер­дого раствора относительно мало сказывается на повышении твердости и прочности, незначительно изменяется и пластичность сплавов/ Пересыщенный твердый раствор представляет собой неравновесную структуру с повышенным уровнем свободной энергии. Поэтому, как толь­ко подвижность атомов окажется достаточно большой, твердый раствор будет распадаться - начнется процесс старения.Старение, происходящее при повышенных температурах, называют искусственным. В сплавах на основе низкоплавхих металлов старение может происходить при 20 - 25 °С в процессе выдержки после закалки; такое старение называют естественным.При старении уменьшается концентрация пересыщающего компонен­та в твердом растворе; этот компонент расходуется на образование выде­лений.Тип выделений (кристаллическая структура), их размер и характер сопряженности с решеткой твердого раствора зависят как от вида сплава, так и от условий старения, т.е. от температуры и времени выдержки.В общем случае при распаде пересыщенных твердых растворов могут возникать следующие образования (они перечисляются в порядке возра­стания энергии активации зарождения): 1) зоны Гинье — Престона; 2) кристаллы метастабильной фазы; 3) кристаллы стабильной фазы.

Зоны Гинье — Престона* (зоны Г - П) Скопление растворенных атомов вызывает местное изме­нение периода решетки твердого раствора. Многочисленные зоны Г - П затрудняют движение дислокаций - для прохождения дислокации через зону и окружающую ее область с искажен­ной решеткой требуется приложить более высокое напряжение.

Метастабильные фазы имеют иную пространственную решетку, чем твердый раствор, однако существует сходство в расположении атомов в определенных атомных плоскостях их решеток, что вызывает образова­ние когерентной (или полукогерентной) границы раздела. Когерентная граница при некотором различии кристаллической структуры приводит к появлению переходной зоны с искаженной решеткой (рис. 6.9, б). Для метастабильных фаз характерна высокая дисперсность, что значительно повышает сопротивление движению дислокаций.

Стабильная фаза A_mB_n имеет сложную пространственную решетку с пониженным числом элементов симметрии и с большим числом атомов в элементарной ячейке.

Вторичные кристаллы со стабильной структурой в большинстве сплавов выделяются в виде достаточно крупных частиц. Значитель­ное различие кристаллической структуры твердого раствора и стабиль­ных кристаллов приводит к образованию некогерентной границы раздела (рис. 6.9, в) и, следовательно, к минимальным искажениям решетки твер­дого раствора вблизи границы. Упрочнение сплава при образовании ста­бильных кристаллов A_mB_n оказывается меньшим, чем при образовании зон Г - П и метастабильных когерентных кристаллов.

Условно примем, что максимальное упрочнение сплава достигается при выделении зон Г-П.

Температура to выбрана настолько невысокой, что распада пересы­щенного твердого раствора не происходит, а значит, не наблюдается из­менения твердости (прочности) закаленного сплава.Старение при температуре t1 вызывает повышение прочности вслед­ствие образования зон Г - П; если данная температура недостаточна для того, чтобы активировать зарождение метастабильных кристаллов, твер­дость (прочность) достигнет максимального значения и в дальнейшемне будет изменяться сколь угодно длительное время (рис. 6.10, сплошная линия). Если температура t1 достаточна для зарождения метастабиль-ных кристаллов, то твердость после достижения максимального значена начнет понижаться, сплав будет «перестариваться» (рис. 6.10, штрихо-вая линия). Сначала твердость будет снижаться вследствие замены зон Г - П метастабильными кристаллами, а при увеличении времени ста­рения — из-за превращения этих кристаллов в стабильные кристаллы A_mB_n. Если время выдержки достаточно велико, происходит коагуля­ция стабильных кристаллов. Коагуляцией называют рост кристаллов той фазы, которая распределена в виде включений в основе сплава. Рост кри­сталлов второй фазы происходит путем распада наиболее мелких и потому неустойчивых частиц и последующей диффузии растворенного компонен­та к более устойчивым частицам. Коагуляция приближает структуру сплава к равновесной.Старение при температуре t2 начинается с выделения метастабилъ-ных кристаллов, появление которых не приводит к получению такой высо­кой прочности, как при выделении зон Г - П (согласно условию). Так как температура старения более высокая, чем в предыдущем случае, макси­мум на кривой старения достигается быстрее; с большей скоростью проте­кает и перестаривание — образование кристаллов A_mB_n и их коагуляция.Старение при температуре t3 не вызывает значительного упрочне­ния сплава, так как выделяющиеся при этой температуре стабильные кристаллы A_mB_n имеют относительно крупные размеры и коагулируют быстрее, чем при температуре t2.

Степень упрочнения при старении может быть очень высокой. Так, твердость и временное сопротивление дуралюминов при оптимальных условиях старения увеличиваются в 2 раза, в бериллиевых бронзах — в 3 раза.

Термическую обработку, приводящую к получению стабильной, называют стабилизацией

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: