Каковы четыре типа термической обработки стали?

Четыре фундаментальных типы термическая обработка К стали относятся отжиг, нормализация, закалка (закалка) и отпуск. Эти контролируемые термические процессы манипулируют внутренней кристаллической структурой металла для достижения определенных механических свойств, таких как твердость, пластичность, прочность на разрыв и ударопрочность, без изменения химического состава. По данным Международного общества термообработки ASM, термообработка является основной технологией, лежащей в основе практически каждого прочного металлического изделия, от автомобильных шестерен и хирургических инструментов до конструкционных двутавровых балок. Понимая, что именно эти четыре типы heat treatment что такое и как они работают, позволяет инженерам выбрать правильный цикл для предотвращения хрупкого разрушения, улучшения обрабатываемости или максимизации износостойкости для конкретного применения.

1. Отжиг: размягчение металла и снятие внутреннего напряжения

Отжиг — это процесс термообработки, который смягчает сталь, улучшает ее пластичность и снимает внутренние напряжения путем нагрева металла до определенной повышенной температуры, выдерживания его там достаточно долго, чтобы произошли фазовые превращения, а затем чрезвычайно медленного охлаждения, обычно внутри самой печи. Основная цель отжига — довести сталь до максимально мягкого состояния, облегчая ее машинную обработку или холодную формовку. Для простых углеродистых сталей температура отжига обычно составляет От 30°C до 50°C (от 50°F до 90°F) выше верхней критической температуры (A3) , которая колеблется от примерно 723°С для эвтектоидной стали до более 910°С для низкоуглеродистой стали. Сталь выдерживают при этой температуре, часто в течение одного-двух часов на дюйм поперечного сечения, что позволяет углероду равномерно раствориться в аустенитной фазе. Последующее охлаждение является определяющей особенностью отжига: оно должно быть достаточно медленным, чтобы позволить углероду диффундировать из решетки железа и образовывать грубые, широко расположенные слои феррита и цементита, известные как перлит. Скорость охлаждения обычно от 10°C до 50°C в час , часто достигается путем простого оставления деталей в печи и их совместного остывания в течение многих часов или даже дней. Полученная микроструктура представляет собой крупный перлит с большими участками мягкого феррита, который имеет твердость по Бринеллю всего лишь от 120 до 150 ГБ в среднеуглеродистых сталях, таких как AISI 1045. Согласно Справочник ASM, том 4: Термическая обработка Отжиг не только снижает твердость, но и устраняет остаточные напряжения от предыдущей холодной обработки или сварки, что имеет решающее значение для предотвращения коробления во время последующей обработки или обслуживания. Помимо полного отжига, существуют специализированные варианты: сфероидизирующий отжиг создает структуру сфероидальных карбидных частиц для максимальной формуемости высокоуглеродистых инструментальных сталей, а технологический отжиг представляет собой низкотемпературную обработку, применяемую к низкоуглеродистым сталям во время последовательностей холодной обработки для восстановления пластичности между проходами волочения или прокатки. Независимо от конкретного метода, отжиг всегда является отправной точкой, когда требуется исключительная обрабатываемость или снятие напряжений, и это один из наиболее широко используемых методов. типы heat treatment в тяжелой обрабатывающей промышленности.

2. Нормализация: улучшение зернистой структуры для обеспечения однородности и прочности.

Нормализация — это процесс термообработки, при котором создается однородная мелкозернистая микроструктура с улучшенной прочностью и ударной вязкостью по сравнению с отожженной сталью путем нагрева металла выше критического диапазона и последующего охлаждения его на неподвижном воздухе, а не в печи. Температура нагрева для нормализации обычно составляет От 30°C до 50°C выше верхней критической температуры , аналогично отжигу, но решающее отличие заключается в фазе охлаждения. После достаточного выдерживания сталь вынимают из печи и дают ей остыть на спокойном воздухе. Это воздушное охлаждение происходит значительно быстрее, чем охлаждение в печи, в результате чего получается более тонкая перлитная структура с меньшими зернами. Мелкий размер зерна важен, поскольку он одновременно увеличивает как предел текучести, так и ударную вязкость, тогда как большинство механизмов упрочнения заменяют одно другим. Для нормализованной стали AISI 1045 предел прочности при растяжении обычно составляет около 620 МПа (90 000 фунтов на квадратный дюйм) , что существенно выше, чем 500 МПа, характерное для той же стали в полностью отожженном состоянии. По данным исследования, опубликованного изданием Журнал материаловедения и производительности Нормализация также гомогенизирует микроструктуру литых или кованых деталей, которые могли подвергнуться неравномерному охлаждению во время затвердевания, тем самым обеспечивая постоянство механических свойств по всей детали. Нормализацию часто называют окончательной термической обработкой конструкционных сталей, для которых не требуется чрезвычайная твердость состояния закалки и отпуска, а также подготовительным этапом перед закалкой, поскольку однородная зернистая структура более предсказуемо реагирует на последующую закалку. Среди четырех типы heat treatment , нормализация занимает промежуточное положение между мягким, пластичным состоянием, получаемым при отжиге, и твердым, хрупким состоянием, получаемым при закалке, что делает его отличным выбором для компонентов, которым необходим баланс прочности и вязкости, таких как железнодорожные колеса, валы и пластины сосудов под давлением.

3. Закалка (закалка): достижение максимальной твердости и износостойкости.

Закалка, также называемая закалкой, представляет собой термическую обработку, которая резко увеличивает твердость и прочность стали путем нагрева ее до аустенитного диапазона, а затем быстрого охлаждения в воде, рассоле, масле или принудительном воздухе, превращая кристаллическую структуру в пересыщенную, чрезвычайно твердую фазу, называемую мартенситом. Сталь нагревают до температуры примерно От 760°C до 870°C (от 1400°F до 1600°F) , в зависимости от содержания углерода, и выдерживался достаточно долго для полной аустенизации структуры. Быстрое охлаждение, часто превышающее 200°C в секунду при закалке водой — подавляет диффузию атомов углерода из решетки железа. Вместо формирования равновесных фаз феррита и цементита углерод захватывается объемноцентрированной тетрагональной кристаллической структурой, известной как мартенсит. Эта структура характеризуется огромным внутренним напряжением и твердостью, которая может достигать от 62 до 67HRC по шкале Роквелла C в высокоуглеродистых инструментальных сталях, таких как AISI 1095. Выбор закалочной среды является критическим инженерным решением. Вода и рассол обеспечивают наиболее жесткую закалку, обеспечивая максимальную твердость, но также и самый высокий риск деформации и закалочного растрескивания. Закалка в масле происходит медленнее и более равномерно, что снижает тепловой удар и делает его предпочтительной средой для легированных сталей и изделий сложной формы. Закалку на воздухе, или газовую закалку, применяют для высоколегированных закаливающихся на воздухе сталей, образующих мартенсит даже при относительно медленных скоростях охлаждения. Однако мартенситная структура после закалки, хотя и чрезвычайно твердая, также очень хрупкая. По данным, собранным Справочник по анализу отказов ASM Неотпущенный мартенсит содержит высокий уровень остаточных напряжений и может самопроизвольно растрескаться из-за незначительных дефектов поверхности или во время шлифования. Именно из-за этой хрупкости закалка почти никогда не является заключительным этапом термического цикла. Вместо этого за закалкой должен немедленно следовать отпуск для восстановления ударной вязкости. Несмотря на это ограничение, закалка является наиболее прямым способом достижения высокой твердости поверхности, необходимой для режущих инструментов, колец подшипников, матриц и износостойких пластин, и это определяющий процесс среди типы heat treatment для компонентов, которые должны противостоять истиранию и вдавливанию.

4. Закалка: баланс между твердостью и ударной вязкостью после закалки

Закалка — обязательная термическая обработка, следующая за закалкой; снижает хрупкость мартенситной структуры и снимает закалочные напряжения за счет повторного нагрева стали до температуры ниже нижней критической точки, ее выдержки и последующего охлаждения на воздухе. Температура отпуска является основной переменной, которая контролирует окончательный баланс твердости и ударной вязкости. Он колеблется от столь же низкого, как 150°С (300°Ф) для применений, требующих максимальной износостойкости, таких как бритвенные лезвия и металлорежущие инструменты, вплоть до 650°С (1200°Ф) для компонентов, которые должны поглощать энергию удара, таких как автомобильные оси и коленчатые валы. По мере повышения температуры отпуска захваченные атомы углерода выделяются из мартенситной решетки в виде мелких карбидных частиц, а кристаллическая структура постепенно трансформируется из объемноцентрированной тетрагональной в более устойчивую объемноцентрированную кубическую структуру с дисперсными карбидами. Эту отпущенную мартенситную структуру можно точно спроектировать, контролируя время и температуру. Например, обычную углеродистую сталь, закаленную до твердости 64HRC, можно отпустить при температуре 200°C, чтобы сохранить твердость от 60 до 62 HRc для режущей кромки или закалить при 550°C для получения твердости от 30 до 35 HRС и высокая степень прочности, подходящая для шатуна. Особое явление, известное как отпускное охрупчивание, может возникнуть, если некоторые легированные стали медленно охлаждать в диапазоне от 450°C до 600°C. Этот риск можно снизить добавлением небольшого количества молибдена или быстрым охлаждением от температуры отпуска. Согласно Справочник по металлам, настольное издание Закалка — это не просто корректирующая закалка; это продуманный инструмент проектирования, который адаптирует механическую реакцию стали к конкретным потребностям применения. Среди четырех типы heat treatment Закалка – это закалка, которая превращает хрупкую деталь, находящуюся под внутренним напряжением, в надежный инженерный компонент.

Как четыре типа термообработки работают вместе в производстве

В производственной практике четыре вида термообработки редко используются изолированно; они объединяются в последовательность, которая превращает сырье в готовые компоненты с точно контролируемыми свойствами. Типичный процесс производства закаленной шестерни начинается с нормализации или отжига кованой заготовки, чтобы смягчить ее для механической обработки и снять остаточные литейные или ковочные напряжения. Затем заготовке придают форму, близкую к чистой, в самом мягком и работоспособном состоянии. После механической обработки деталь нагревается до температуры аустенизации и закаливается с образованием мартенсита, достигая высокой твердости поверхности, необходимой для износостойкости. Сразу после закалки деталь закаливается до необходимой прочности, снимая внутренние закалочные напряжения и предотвращая замедленное растрескивание. Эта последовательность действий — размягчение, придание формы, закалка, отпуск — имеет основополагающее значение для производства миллионов критически важных компонентов, от автомобильных трансмиссий до хирургических инструментов. Конкретные параметры каждого этапа зависят от марки стали и желаемой конечной твердости и ударной вязкости. Например, шестерня, изготовленная из низкоуглеродистой легированной стали AISI 8620, может подвергаться другому способу закалки, называемому цементацией, при котором углерод вводится в поверхностный слой перед закалкой, но последовательность обработки сердцевины по-прежнему включает нормализацию для измельчения зерна, закалку для формирования мартенситного слоя и отпуск для снижения хрупкости корпуса. Понимая, как эти четыре типы heat treatment Interact позволяет инженерам-технологам разрабатывать термический цикл, который максимизирует производительность при минимизации искажений и брака.

Часто задаваемые вопросы о видах термообработки

В чем разница между отжигом и нормализацией?

Оба типы heat treatment размягчают сталь и улучшают ее структуру, но они различаются скоростью охлаждения. При отжиге используется очень медленное охлаждение печи, обеспечивающее максимально мягкое состояние с максимальной пластичностью и самой крупной зернистой структурой. При нормализации используется воздушное охлаждение, в результате чего получается умеренно твердая мелкозернистая структура с более высокой прочностью и лучшей однородностью. Нормализация предпочтительна, когда необходим баланс прочности и ударной вязкости, а отжиг выбирается, когда для последующей холодной обработки требуются чрезвычайная мягкость и формуемость.

Все ли стали можно упрочнить закалкой?

Нет. Способность образовывать мартенсит при закалке зависит от содержания углерода и состава сплава. Стали с менее чем приблизительно 0,30% углерода как правило, их нельзя закалить до мартенситной структуры путем прямой закалки, поскольку в них недостаточно углерода для создания твердой искаженной решетки. Низкоуглеродистые стали, такие как AISI 1018, часто цементируются путем цементации, в результате которой на поверхность перед закалкой добавляется углерод, создавая твердый корпус поверх прочного сердечника. Средне- и высокоуглеродистые стали, а также большинство легированных сталей легко поддаются процессу закалки.

Почему отпуск необходимо производить сразу после закалки?

Мартенсит, образующийся при закалке, содержит огромные внутренние напряжения. Если эти напряжения не снять путем отпуска, они могут привести к самопроизвольному растрескиванию детали, иногда через несколько часов или дней после закалки, в результате явления, известного как замедленное растрескивание. Закалку следует производить, как только деталь достигнет примерно От 50°C до 65°C (от 120°F до 150°F) после закалки. Промедление на этом этапе может привести к выходу детали из строя и считается серьезной технологической ошибкой во всех цехах термообработки.

Как выбрать между отжигом и нормализацией низкоуглеродистой стали?

Для низкоуглеродистых сталей, которые будут подвергаться обширной холодной штамповке или глубокой вытяжке, предпочтительным является отжиг. термическая обработка потому что он создает самое мягкое и пластичное состояние. Если компонент предназначен для конструкционного использования, где требуется определенная прочность, нормализация является лучшим выбором, поскольку она обеспечивает более мелкий размер зерна и улучшенные механические свойства без затрат на длительное охлаждение печи. Решение также зависит от последующих этапов производства: отжиг идеально подходит для предварительной обработки заготовки, а нормализация часто служит окончательной обработкой горячекатаных профилей.

Четыре типы heat treatment — отжиг, нормализация, закалка и отпуск — составляют полный набор инструментов для управления механическими свойствами стали. Каждый процесс решает разные инженерные задачи: отжиг создает мягкую, свободную от напряжений основу для формовки; нормализация уточняет и гомогенизирует структуру для обеспечения надежности; закалка доводит сталь до максимально возможной твердости; а отпуск превращает хрупкую твердость в безопасное и полезное сочетание прочности и ударной вязкости. В совокупности эти процессы позволяют производить компоненты, от мягкого, гнущегося листового металла до сверхтвердых режущих кромок, и они остаются такими же важными для современного производства, как и сто лет назад.