какую структуру имеют доэвтектоидные стали после нормализации

Какую структуру имеют доэвтектоидные стали после нормализации?

Суть обработки

Нормализация — это нагрев металлической заготовки до температуры на 50 градусов выше критической. После нагревания выполняется охлаждение. Однако между этими процессами проводится выдержка при температуре нормализации.

Градус нагрева зависит от материала детали. Чтобы рассчитать время теплового воздействия, необходимо обратить внимание на гомогенизацию структуры металла. Оптимальным показателем является — выдерживание в течение 1 часа при толщине 25 мм.

При охлаждении необходимо учитывать определённые моменты. Когда температура упадет ниже критической, нужно ускорить процесс охлаждения. Для этого деталь окунают в емкость с маслом или водой. Количество преимуществ и недостатков готового изделия зависит от правильно проведённой термической обработки и последующего охлаждения.

Режимы нормализации стали

Этот вид термообработки подразумевает:

Определение! Характеристики нормализованных горячекатаных полуфабрикатов во многом зависят от сечения. Чем меньше размер сечения, тем меньше время охлаждения и тем выше прочностные характеристики.

Отличия нормализации от классического полного отжига:

Внимание! С увеличением содержания углерода разница между характеристиками нормализованной и отожженной стали увеличивается. Для марок, содержащих до 0,2% C, предпочтительнее более экономичная нормализация. Для средне- и высокоуглеродистых марок твердость нормализованных сталей гораздо выше отожженных, поэтому в данном случае эти две термические операции не всегда взаимозаменяемы.

Назначение

Такую технологию применяют для достижения следующих целей:

С помощью такого термического воздействия можно добиться различных результатов, например, изменить показатели твердости и прочности.

Проведение нормализации обязательно после обработки стали давлением, поскольку увеличение и понижение температурного показателя позволяет исправить проблемы со структурой материала.

Суть процесса нормализации стали

Большая часть типов термической обработки металла проводятся по одному алгоритму – нагрев, выдержка и охлаждение. Эти методики позволяют изменить структуру и характеристики металла.

Термообработка металлов

Несмотря на схожесть процесса каждый из методов имеют разные временные и температурные показатели. Все виды воздействия на сталь при помощи перепада температур могут использовать как промежуточный этап технического процесса, так и заключительный.

Цель промежуточного этапа – подготовка стали к дальнейшей обработке, завершающего – добавить в свойства металла новые характеристики.

Нормализацию используют, чтобы минимизировать количество зерен в структуре металла, образованных сварочным швом. Температуру для этого вида обработки устанавливают основываясь на типе материала.

Так для сплавов с содержанием углерода 0,8-2,0% (заэвтектоидных) используют температурный режим с интервалом между точками Ac1 и Ac3. Для стали с содержанием углерода до 0,8% (доэвтектоидной) – более Ac3.

В результате нормализации материалы первого вида приобретают идентичную твердость, и закрепляется одинаковое количество аустенита. Выходит структура, в составе которой присутствуют цемент и мартенсит. Это повышает твердость и износостойкость металла.

Если нагревать заэвтектоидный металл при температурах более Ac3, то его прочность уменьшается, тогда как, структура доэвтектоидного становится более вязкой.

Время процесса определяется индексом норматива – 1 час выдержки на 25 мм толщины металла. Охлаждение зависит от размера листа и количества перлита.

Между этими величинами есть прямая зависимость. Так с увеличением силы охлаждения толщина пластин и промежуток между ними уменьшается, а перлита становится больше. Низкая сила охлаждения приводит к снижению твердости и прочности материала.

Чтобы не произошло коробление во время обработки предметов с большими (ступенчатыми) перепадами сечения, термические напряжения делают несколько ниже как при нагреве металла, так и при его охлаждении. Для этого такие предметы нагревают в соляной ванне.

При понижении температурных показателей детали до крайней нижней точки допускается ускоренное ее охлаждение в воде или масле.

При нормализации из-за сокращения внутренних напряжений структура стали меняется и получается мелкозернистой.

Особенности проведения работ

Нормализация — равномерное нагревание заготовки до температуры выше критической. После разогрева детали выдерживаются в одном температурном режиме. Затем происходит охлаждение заготовки. Изначально она медленно остывает до нижнего показателя критических температур, затем мастер погружает её в охлаждающую жидкость, чтобы ускорить процесс.

Принципы проведения

Термообработка металла необходима в случае изменения его структуры и, следовательно, технических характеристик.

Существует два типа металлов, подвергающихся термообработке:

Выбор температурного режима зависит от типа металла. Например, для заэвтектоидных заготовок процесс разогрева проводится при температурах, располагаемых между отметками AC1–AC3. Что касается доэвектоидных деталей, их обрабатывают при температурах, превышающих точку AC3. Материалы, относящиеся к первой группе, достигают одинакового показателя твердости.

Длительность

Скорость охлаждения зависит от количества перлита, содержащегося в заготовке, и размера обрабатываемых пластин. Если скорость охлаждения увеличивается, а время на проведение процедуры сокращается, количество перлита, образующегося в процессе термообработки, увеличится. Также будут возрастать показатели прочности и твердости.

Охлаждение стали

Отжиг заэвтектоидной стали.

Для заэвтектоидных сталей

наиболее часто применяю
неполный отжиг
, который еще называют
сфероидизацией
, так как это – основной способ получения зернистого перлита. Он заключается в нагреве заэвтектоидной стали до температур не на много выше (на 10 – 300 С) критической точки Ас1, выдержке и последующим медленным охлаждением. После нагрева в интервал Ас1 – Ас3 в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении. В результате образуется структура зернистого перлита (рис. 4, б). Сталь со структурой зернистого перлита обладает меньшей твердостью и прочностью, а, соответственно, более высокой пластичностью, она легче обрабатывается резанием. Кроме того, зернистый перлит является оптимальной исходной структурой перед закалкой. Повышение температуры отжига до более высоких значений приводит при последующем охлаждении к образованию пластинчатого перлита и как следствие, к росту твердости. На зернистый перлит обрабатывают инструментальные и подшипниковые стали.

для заэвтектоидных сталей с нагревом выше Асm (линия ES) вообще не используют, так как при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита по границам зерен, что ухудшает механические свойства стили.

Нормализация

Нормализация – вид термической обработки, при которой сталь нагревается выше критических точек с последующим охлаждением до 20 0С на спокойном воздухе (V2, см. рис. 2). Охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при большем переохлаждении, чем при отжиге. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида и более мелкое эвтектоидное зерно, что вызывает повышение прочности стали. Нормализация – менее длительная и более дешевая операция, чем отжиг, т.к. термическая печь не занята под охлаждение.

Назначение нормализации. Нормализация горячекатаной стали измельчает зерно и повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины.

Выбор температур нормализации. Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 30¸500 С, а заэвтектоидной стали выше Асm также на 30¸500 С (рис. 3), непродолжительной выдержки для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. У заэвтектоидных сталей ускоренное охлаждение на воздухе в межкритическом интервале (Асm – Ас1) препятствует выделению сетки из вторичного цементита вокруг зерен аустенита, а следовательно, понижению свойств сплава.

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, чем при отжиге, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры. После нормализации образуется мелкодисперсная феррито-цементитная смесь, называемая – сорбитом.

Скорость охлаждения при нормализации находится в пределах 20 – 500С/мин.

Нормализация повышает на 10 – 15% прочность и твердость средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.

При охлаждении стали в потоке воздуха (V3, см. рис. 2), где скорость охлаждения достигает 800 С/сек образуется самая дисперсная феррито-цементитная смесь – троостит. Чем дисперснее получаемая структура, тем выше ее прочность и твердость (перлит имеет твердость НВ 180¸230

, сорбит –
НВ 250¸350
, троостит –
НВ 350 ¸ 500
). Феррито-цементитные структуры (перлит, сорбит, троостит) получаемые прямым распадом переохлажденного аустенита имеют пластинчатое строение.

Закалка

Закалкой называется нагрев стали выше критической точки с последующим быстрым охлаждением. Скорость охлаждения при закалке должна быть достаточно велика (выше Vкр, см. рис. 2), чтобы при понижении температуры не произошел диффузионный распад аустенита. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Для получения требуемых механических свойств, сталь после закалки чаще всего подвергают отпуску.

Назначение закалки. Конструкционную сталь подвергают закалке и отпуску для повышения прочности, твердости, вязкости, а для ряда деталей также и для высокой износостойкости. Инструментальную сталь закаливают для повышения твердости, прочности, износостойкости.

Выбор температур закалки. Для доэвтектоидных сталей температура нагрева под закалку берется на 30 – 500 С выше Ас3, а для заэвтектоидных сталей на 30 – 500 С выше Ас1 (рис. 5). После выдержки стали, проводится быстрое охлаждение (30 ¸ 2000 С/сек) до температур, при которых отсутствует диффузионный распад (V4, см. рис. 2). Для закалки применяют следующие охлаждающие жидкости: воду, масла (минеральные), расплавленные соли и расплавленные металлы. В результате закалки аустенит превращается в мартенсит. Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Мартенсит характеризуется игольчатым, пакетным или пластинчатым строением (рис. 6), высокой твердостью (НВ 600 ¸ 700

), большой хрупкостью и наличием высоких внутренних напряжений.

Рисунок 5. Участок диаграммы железо – углерод с оптимальным интервалом температур нагрева под закалку углеродистых сталей

Рисунок 6. Микроструктура мартенсита

Нагрев доэвтектоидной стали выше Ас1, но ниже Ас3 сохраняет в закаленной стали феррит, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает ее механические свойства после отпуска. Поэтому неполная закалка

, т.е. нагрев выше Ас1, но ниже Ас3 для доэвтектоидных сталей обычно не применяется.

Для заэвтектоидных сталей, наоборот, оптимальная температура закалки лежит в интервале Ас1 – Асm, т.е. оптимальной является неполная закалка. Наличие в структуре закаленной стали избыточного цементита полезно во многих отношениях; например, включения избыточного цементита повышают износоустойчивость стали. Нагрев же выше Ас3 опасен и не нужен, так как он не ведет к повышению твердости (твердость даже несколько падает за счет растворения избыточного цементита и увеличения количества остаточного аустенита). Кроме того, происходит рост зерна аустенита, увеличивается возможность возникновения больших закалочных напряжений, интенсивнее обезуглероживается сталь с поверхности.

Особенность кинетики мартенситного превращения состоит в том, что оно развивается лишь при непрерывном охлаждении в интервале температур МН – МК (рис. 2). Каждой температуре в этом интервале отвечает определенная степень превращения. В высокоуглеродистых сталях мартенситное превращение не происходит до конца, поэтому в их структуре присутствует определенное количество остаточного аустенита. Таким образом, структура закаленной стали представляет собой: мартенсит + аустенит остаточный (рис. 6).

Часть II

Другие методы термообработки

Помимо процесса нормализации, существуют другие способы термообработки металлов и сплавов:

Выше представлены основные способы обработки металлических заготовок, но порядок указан неправильно. Узнать его можно в любом источнике по металлообработке.

Нормализация стали считается одним из нескольких этапов термообработки. С его помощью изменяется структура и характеристики материала. При желании можно ухудшать или улучшать свойства заготовки.

Электронная библиотека

Общетехнические дисциплины / Технологическая оснастка / 3.2 Нормализация и стандартизация элементов, узлов и конструкций приспособлений

Направление нормализации и стандартизации элементов, узлов и конструкций приспособлений обусловлено частой сменой продукции и стремлением оставить приспособление без изменений. Это противоречие разрешается нормализацией, унификацией и стандартизацией деталей и сборочных единиц приспособлений. При этом снижается объем конструкторских работ, сокращается номенклатура и увеличивается количество подлежащих изготовлению деталей одного наименования и размера.

Нормализованные или стандартные детали можно изготавливать большими партиями централизованным порядком, что снижает их стоимость. Нормализованные и стандартные детали, сборочные единицы могут быть сняты с использованных приспособлений и после частичного ремонта (если необходимо) переданы на склад. Их можно повторно применять при сборке новых приспособлений.

В области приспособлений стандартизацией охвачены:

· конструктивные и размерные элементы деталей (резьбы, конусы, шпоночные соединения, уклоны, посадки и т.д.);

· сборочные единицы приспособлений;

· некоторые конструкции приспособлений;

· элементы силовых приводов;

Проведенная стандартизация в области оснастки позволяет проектировать приспособления с применением стандартных деталей и сборочных единиц в объеме от 30 до 90 % от общего количества деталей в конструкции.

Нормализация (упорядочение) включает следующие этапы:

1) нормализацию общих конструктивных и размерных элементов. Объектом нормализации является:

— размерные ряды на элементы приспособлений;

— габаритные и присоединительные размеры;

— конструктивные элементы (резьбы, детали крепления, штифты, шпоночные соединения, уклоны и т.п.;

— посадки для применяемых сопряжений и допусков на основные детали;

2) нормализацию деталей специальных приспособлений (установочных элементов, деталей зажимных устройств, корпусов приспособлений и их элементов, установов для проверки положения инструментов, деталей вспомогательных устройств), а также их заготовок (отливок, поковок);

3) нормализацию сборочных единиц приспособлений различного функционального назначения (пневмо- и гидроцилиндров, пневмокамер, делительных и поворотных механизмов, фиксаторов, выталкивателей и др.).

Рекристаллизационный отжиг

Методика, позволяющая избавиться от многих нежелательных качеств металла. Рекристаллизационный отжиг стали проводят с целью снять наклеп и другие последствия после некоторых механических операций. Технология применяют для обработки:

После рекристаллизационного отжига стали металл приобретает необходимые характеристики для получения изделий с заданными качествами.

Выбор технологии определяется химическим составом. При процедуре материал нагревают до значений, превышающих температуру кристаллизации не менее чем на 100-200° C. Необходимые свойства появляются в разной степени в зависимости от вида обработки. Чаще используют полный отжиг. При этом структурные изменения более существенные. В ряде случаев достаточен неполный отжиг.

Температурные зоны для рекристаллизационного отжига

Отжиг стали

Ассортимент изделий из металла огромен и в каждом случае требуются определенные, часто специфические качества материала. Обеспечить полный перечень марок производитель не в состоянии. Металлургические предприятия предлагают сырье, отвечающее ГОСТ, которое впоследствии дорабатывается на обрабатывающих производствах. Одна из ключевых операций — отжиг стали. На этой стадии металл приобретает необходимые технические свойства для последующей обработки. Чтобы понять, что такое отжиг стали, необходимо понимать для чего он делается, и какие процессы при этом происходят.

Что такое отжиг металла

Отжиг металла применяется для получения равновесной и однородной структуры при подготовке изделия к последующей термической или механической обработке, а также для улучшения его физических характеристик после операций резания, сварки, штамповки, прокатки или закалки. Цель отжига — устранить внутренние неоднородности стали, улучшить ее зернистость и равномерность кристаллической решетки, а также снять остаточное напряжение, вызываемое деформацией изделия при различных видах обработки. Особенности этой технологии позволяют:

Одной из характерных особенностей такой термообработки является то, что остывание нагретого металла происходит естественным образом, без применения охлаждающих сред. А температура нагрева при отжиге зависит от состава стали и требуемого результата.

Виды отжига

Принято делить эту операцию на два основных вида. Отжиг стали может быть 1-го и 2-го рода. В первом случае не происходит фазовой рекристаллизации, но металл приобретает нужные качества. Устраняются последствия механической обработки металла на прокатных станах, штампах.

Упрочнение поверхности стали после физического воздействия на металлургическом комбинате называют наклепом.

Главное назначение отжига стали 1-го рода — снижение прочности и повышение пластичности, необходимой для дальнейшей обработки. Частичная рекристаллизация снижает внутренние напряжения, что делает изделия более надежными и долговечными.

Отжиг стали 2-го рода характеризуется кардинальными изменениями структуры. Фазовая рекристаллизация достигается нагреванием металла выше критических точек и точным выполнением режима охлаждения по температуре и времени. Такие виды отжига и их назначение определяются производственными задачами для получения необходимых качеств металла. Критические температуры являются серьезным фактором риска. В ряде случаев, например, при пережоге, возникают необратимые изменения в структуре. Такой металл отправляется на переплавку. Термообработка, отжиг и нормализация сталей сложный процесс дающий возможность получить из исходного сырья продукцию, отвечающую по заданным характеристикам запросы производителей конечных изделий.

Источник

Нормализация стали

Одним из способов изменения параметров стали является термообработка. Она включает несколько методов, одним из которых является нормализация. Далее рассмотрены принципы и применение данной технологии, отличия ее от прочих методов этой группы.

Общие положения

Принцип большинства технологий термической обработки подразумевает нагрев и выдержку сталей и охлаждение, что изменяет их строение. Несмотря на один принцип и сходные цели, каждая из них имеет определенные температурные и временные режимы. Термообработка может служить и в качестве промежуточного этапа, и выполнять роль окончательного технологического процесса. В первом случае такие методы используются для подготовки материала к последующей обработке, а во втором данным способом придают новые свойства.

Нормализацией стали называют процесс нагрева, выдержки материала, его последующего охлаждения на воздухе.

В результате формируется нормализованная структура. Этим объясняется название данного способа обработки.

Нормализация применяется для разных сталей, а также отливок. К тому же данной операции подвергают для измельчения структуры материала сварные швы.

Принципы

Температуру подбирают на основе типа материала. Так, заэвтектоидные варианты следует нормализовать в температурном интервале между точками Ас₁ и Ас₃, в то время как для доэвтектоидной стали используют температуры более Ас₃. В результате все материалы первого типа приобретают одинаковую твердость ввиду того, что в раствор переходит одинаковое количество углерода, и фиксируется одинаковое количество аустенита. Получается состоящая из мартенсита и цемента структура.

Второй компонент способствует повышению износостойкости и твердости материала. Нагрев высокоуглеродистой стали более Ас₃ ведет к увеличению внутренних напряжений вследствие роста зерен аустенита и повышению его количества за счет возрастания концентрации углерода в нем, приводящей к снижению температуры мартенситного превращения. Из-за этого сокращаются твердость и прочность.

Что касается доэвтектоидной стали, при нагреве более Ас₃ она получает повышенную вязкость. Это обусловлено тем, что в низкоуглеродистой стали при этом образуется мелкозернистый аустенит, который после охлаждения переходит в мелкокристаллический мартенсит. Температуры между Ас₁ и Ас₃ не используют для обработки таких материалов, так как структура доэвтектоидной стали в данном случае получает феррит, снижающий ее твердость после нормализации и механические свойства после отпуска.

Оптимальные температуры нагрева при различных видах термообработки

Время выдержки определяет степень гомогенизации структуры. Нормативным показателем считают час выдержки на 25 мм толщины.

Интенсивность охлаждения в существенной степени определяет количество перлита и размеры пластин.

Так, существует прямая зависимость между данными величинами. То есть с повышением интенсивности охлаждения формируется больше перлита, расстояние между пластинами и их толщина сокращаются. Это увеличивает твердость и прочность нормализованной стали. Следовательно, низкая интенсивность охлаждения способствует образованию материала меньшей прочности и твердости.

К тому же при обработке предметов с большими перепадами сечения стремятся снизить термические напряжения во избежание коробления, причем и при нагреве, и при охлаждении. Так, перед началом работ их нагревают в соляной ванне.

При снижении температуры обрабатываемого изделия до нижней критической точки допустимо ускорение охлаждения путем помещения его в масло или воду.

Таким образом, нормализация сокращает внутренние напряжения, измельчает крупнозернистую структуру поковок, отливок, сварных швов путем перекристаллизации. То есть изменяется микроструктура стали.

Назначение

Нормализацию используют в различных целях. Путем осуществления данных работ как повышают, так и наоборот снижают твердость стали, ударную вязкость и прочность. Это определяется термической и механической историей материала. Данную технологию применяют с целью сокращения остаточных напряжений либо улучшения степени обрабатываемости материала различными методами.

Стальные отливки подвергают такой обработке для гомогенизации структуры, повышения подверженности термическому упрочнению, сокращения остаточных напряжений.

Получаемые путем обработки давлением предметы нормализуют после ковки и прокатки для сокращения разнозернистости структуры и ее полосчатости соответственно.

Нормализация с отпуском служит в качестве замены закалки для предметов сложной формы либо с резкими перепадами по сечению. Данный способ позволяет избежать дефектов.

Процесс нормализации стали

Кроме того, нормализацию используют с целью измельчения крупнозернистой структуры, улучшения структуры перед закалкой, повышения обрабатываемости резанием, устранения сетки вторичного цемента в заэвтектоидной стали, подготовки к завершающей термической обработке стали после нормализации.

Близкие процессы

Термическая обработка стали, помимо нормализации, включает отжиг, отпуск, закалку, криогенную обработку, дисперсионное твердение. Цель нормализации, как и принцип осуществления, совпадает с названными технологиями. Поэтому далее проведено сравнение данных процессов.

Отжиг дает более тонкую структуру перлита, так как подразумевает охлаждение в печи. Его применяют в целях снижения структурной неоднородности, напряжения после обработки литьем или давлением, придания мелкозернистой структуры, улучшения обработки резанием.

Принцип закалки аналогичен, за исключением больших температур, чем при нормализации, и повышенной скорости охлаждения, благодаря тому, что его производят в жидкостях. Закалка повышает прочность и твердость, как и нормализация. Однако полученные таким способом детали отличаются хрупкостью и пониженной ударной вязкостью.

Отпуск используется после закалки для сокращения хрупкости и напряжений. Для этого материал нагревают до меньшей температуры и охлаждают на воздухе. С ростом температуры падают предел прочности и твердость, и увеличивается ударная вязкость.

Дисперсионное твердение, относящееся также к окончательной обработке, подразумевает выделение дисперсных частиц в твердом растворе после закалки при меньшем нагреве с целью упрочнения.

Благодаря криогенной обработке материал получает равномерную структуру и твердость. Такая технология особо актуальна для закаленной углеродистой стали.

Применение

Выбор какого-либо из рассмотренных способов обработки определяется концентрацией в стали углерода. Для материалов с величиной данного показателя до 0,2% предпочтительнее использовать нормализацию. Стали с количеством углерода 0,3 — 0,4% обрабатывают и нормализацией, и отжигом. В таких случаях выбор способа осуществляют на основе требуемых свойств материала. Так, нормализация стали придает ей мелкозернистую структуру, большие прочность и твердость в сравнении с отжигом. Кроме того, данная технология является более производительным процессом. Следовательно, при прочих равных условиях она более предпочтительна. Закалке ее предпочитают ввиду хрупкости получаемых таким способом изделий и при обработке предметов с перепадами сечения во избежание дефектов.

Таким образом, нормализацию можно считать промежуточной технологией по отношению к ним: она дает материал большей твердости, чем отжиг, но менее хрупкий в сравнении с закалкой, улучшая структуру и сокращая напряжения. Ввиду этого нормализация получила в машиностроении более обширное распространение.

Источник