Розуміння термічної обробки сталі для застосування в металі

Що таке термічна обробка сталі?

Термічна обробка сталі відноситься до групи методологій, які застосовуються в галузі металургії для зміни фізичних і хімічних властивостей матеріалу. Цей процес передбачає нагрівання сталі до певної температури, витримку її протягом певного періоду часу, а потім охолодження з різною швидкістю. Основна мета цих обробок полягає в тому, щоб підвищити такі властивості, як твердість, пластичність, міцність і міцність на розрив, або зменшити такі властивості, як крихкість, щоб відповідати конкретним вимогам застосування. Важливо те, що процес термічної обробки не змінює форму сталевого матеріалу.

Важливість термічної обробки сталі

Термічна обробка сталі має багатогранне значення. Ось кілька основних причин:

1. Поліпшення механічних властивостей: Термічна обробка може покращити механічні властивості сталі, такі як міцність на розрив, межа текучості, твердість і ударна в’язкість, що робить її придатною для різноманітних промислових застосувань.
2. Підвищення зносостійкості: Завдяки таким процесам, як загартування та відпуск, термічна обробка може підвищити зносостійкість сталі, подовжуючи термін служби сталевих компонентів у середовищах із високим зносом.
3. Очищення зернистої структури: Процес покращує зернисту структуру сталі, сприяючи однорідному та однорідному розташуванню. Це покращує металургійний склад сталі та покращує її загальні експлуатаційні характеристики.
4. Зняття механічної напруги: Термічна обробка може зменшити внутрішні напруги сталі, які виникають під час лиття, зварювання або механічної обробки, зменшуючи ризик механічних пошкоджень під час використання.
5. Підвищення пластичності: може збільшити пластичність сталі, роблячи її більш гнучкою та менш схильною до руйнування під час натягу.

Ці переваги роблять термічну обробку сталі важливим кроком у багатьох виробничих і промислових процесах.

Види процесів термічної обробки

Існує кілька типів процесів термічної обробки, кожен зі своїми унікальними характеристиками та застосуванням:

1. Відпал: Цей процес передбачає нагрівання сталі до певної температури, а потім її повільне охолодження. Відпал покращує оброблюваність, знімає внутрішні напруги та покращує структуру зерна.
2. Нормалізація: нормалізація схожа на відпал, але процес охолодження відбувається швидше. Ця обробка покращує розмір зерна та підвищує міцність сталі.
3. Загартування і загартування: У цьому процесі сталь нагрівається, а потім швидко охолоджується (гартується) у рідині, такій як вода або олія. Це швидке охолодження змінює кристалічну структуру сталі, роблячи її більш твердою та крихкою.
4. Загартовування: Після загартування сталь може бути занадто крихкою для практичного використання. Загартування зменшує цю крихкість шляхом нагрівання сталі до температури, нижчої за температуру загартування, а потім охолодження, як правило, на нерухомому повітрі.

Кожен із цих процесів пропонує унікальні переваги та використовується в певних цілях залежно від бажаних характеристик сталі.

Етапи термічної обробки

Етапи термічної обробки включають три невід'ємних етапи:

1. Опалення: це початковий етап, на якому метал нагрівається до певної температури. Температуру встановлюють, виходячи з типу металу та бажаних властивостей. Дуже важливо рівномірно нагріти метал, щоб уникнути будь-яких надмірних внутрішніх напруг.
2. Замочування: Після досягнення бажаної температури метал витримується при цій температурі протягом певного часу. Цей етап відомий як замочування. Мета полягає в тому, щоб дозволити теплу повністю проникнути в метал, забезпечуючи рівномірну температуру по всьому шматку.
3. Охолодження: Після того, як метал достатньо просочений, йому дають охолонути. Процес охолодження, як і процес нагрівання, необхідно контролювати. Залежно від типу процесу термічної обробки (наприклад, відпал, загартування) охолодження може бути повільним або швидким.

Розуміння цих етапів має вирішальне значення для ефективного використання термічної обробки для зміни властивостей металів. Кожен етап вимагає ретельного контролю, щоб забезпечити бажані зміни мікроструктури металу і, як наслідок, його механічних властивостей.

Основні принципи термічної обробки

Основні принципи термічної обробки ґрунтуються на розумінні наступного:

1. Фазові діаграми: це графічні зображення меж температури та складу, в яких певні фази стабільно існують. Розуміння фазової діаграми металу має вирішальне значення для прогнозування того, як зміни температури вплинуть на його структуру та властивості.
2. Діаграми час-температура (ТТТ).: вони пов’язують перетворення фаз у сплаві з часом і температурою термічної обробки. Діаграми ТТТ допомагають вибрати правильний процес термічної обробки для досягнення бажаних властивостей.
3. Теплопередача: Основи провідності, конвекції та випромінювання є важливими для забезпечення рівномірного нагріву та охолодження, критичних факторів успіху процесу термічної обробки.
4. Швидкість охолодження: швидкість, з якою метал охолоджується, може суттєво вплинути на отриману мікроструктуру та властивості. Швидке охолодження може призвести до твердих, крихких структур, тоді як повільніші швидкості охолодження можуть призвести до більш м’яких, більш пластичних структур.
5. Вплив легуючих елементів: Наявність інших елементів у металі може впливати на реакцію металу на термічну обробку. Ці елементи можуть впливати на температури, при яких відбуваються фазові перетворення, а також на мікроструктури та властивості, що виникають у результаті.

Розуміння цих принципів є життєво важливим для тих, хто хоче використовувати термічну обробку як метод ефективного контролю властивостей металу. Маніпулюючи цими елементами, інженери та металурги можуть адаптувати характеристики металу для широкого спектру застосувань.

Види термічної обробки сталі

Відпал сталі

Відпал — це процес термічної обробки, який змінює фізичні, а іноді й хімічні властивості сталі для підвищення її пластичності та зменшення твердості. Це полегшує обробку матеріалу, що призводить до покращення механічних властивостей і стійкості до втоми та руйнування.

Загартування сталі

Загартування передбачає нагрівання сталі до певної температури, а потім її швидке охолодження, зазвичай у воді або олії. Цей процес підвищує твердість і міцність сталі, але робить її менш пластичною.

Гартування сталі

Гартування - це процес, який виконується після загартування для зменшення крихкості сталі. Він передбачає нагрівання сталі до температури нижче критичної точки протягом певного періоду часу, а потім її охолодження на нерухомому повітрі. Таким чином досягається бажаний баланс між твердістю, міцністю та пластичністю.

Загартування сталі

Загартування - це швидкий процес охолодження, який використовується для запобігання низькотемпературним процесам, таким як фазові перетворення. Це підвищує твердість і міцність сталі, але також робить її більш крихкою.

Загартування сталі

Цементування включає введення вуглецю в поверхню сталі, щоб зробити її твердішою. Це робить внутрішню сталь м’якою та пластичною, створюючи тверду зовнішню оболонку або «корпус» під час термічної обробки. Цей процес покращує зносостійкість без шкоди для міцності сталі.

Переваги та переваги термічної обробки

Термічна обробка сталі забезпечує кілька значних переваг, які покращують її продуктивність і корисність у різних сферах застосування:

Покращені механічні властивості: Процеси термічної обробки, такі як відпал або відпустка, можуть підвищити оброблюваність матеріалу, що призводить до покращення механічних властивостей і підвищеної стійкості до втоми та руйнування.

• Підвищена зносостійкість: Цементування вводить вуглець у поверхню сталі, підвищуючи її твердість і покращуючи зносостійкість без шкоди для міцності, властивої матеріалу.
• Підвищена пластичність і міцність: Відпал, зокрема, підвищує пластичність сталі, роблячи її менш крихкою та більш стійкою до навантажень і тиску. Загартування, проведене після загартування, зменшує крихкість, зберігаючи при цьому баланс між твердістю, в'язкістю та пластичністю.
• Оптимізована оброблюваність: регулюючи фізичні та іноді хімічні властивості сталі, термічна обробка може покращити її оброблюваність. Це полегшує різання, формування та обробку матеріалу за допомогою верстатів.
• Контрольовані внутрішні напруги: Процеси термічної обробки також можуть контролювати внутрішні напруги в сталі. Якщо цими навантаженнями не керувати, вони можуть призвести до деформації або розтріскування. Термічна обробка гарантує, що сталь зберігає свою форму та міцність навіть при значних навантаженнях.

Процес термічної обробки сталі

Нагрівання сталі

Початковий етап процесу термічної обробки включає нагрівання сталі до певної температури, як правило, вище її критичної точки перетворення. Ця температура ретельно вибирається залежно від типу сталі та бажаного результату процесу. При цій температурі сталь піддається фазовому перетворенню, коли змінюється розташування атомів у кристалічній структурі. Важливо рівномірно нагрівати сталь, щоб уникнути розвитку теплових градієнтів, які можуть призвести до небажаних напруг або деформацій. Потім сталь витримується при цій температурі протягом певного періоду, дозволяючи теплу повністю проникнути для досягнення рівномірного перетворення. Цей процес відомий як «замочування». Тривалість витримки в першу чергу залежить від складу сталі і товщини заготовки. Після замочування сталь потім охолоджується з контрольованою швидкістю для досягнення бажаних властивостей.

Методи охолодження при термічній обробці

Етап охолодження в процесі термічної обробки має вирішальне значення для визначення кінцевих властивостей сталі. Вибраний метод охолодження може значно вплинути на твердість, міцність і ударну в'язкість обробленої сталі. Ось кілька поширених методів охолодження, які використовуються при термічній обробці:

• гасіння: це передбачає швидке охолодження сталі шляхом занурення її в рідину, як правило, воду, масло або спеціальну рідину для гарту. Загартування призводить до отримання твердішої та міцнішої сталі, але може викликати більші внутрішні напруги.
• Повітряне охолодження: Як випливає з назви, цей метод використовує повітря для охолодження сталі. Це повільніший процес, ніж загартування, і в результаті стає менш твердою, але більш міцною сталлю.
• Охолодження печі: У цьому методі сталі дають охолонути в печі, коли температура печі повільно знижується до кімнатної. Це найповільніший метод охолодження, що дозволяє отримати найм’якшу та пластичну сталь.
• Загартовування: Це вторинний процес, який здійснюється після загартування. Сталь повторно нагрівають до нижчої температури, а потім знову охолоджують. Це зменшує крихкість, спричинену загартуванням, що забезпечує баланс між твердістю, міцністю та в’язкістю.

Печі, що використовуються для термічної обробки

Процеси термічної обробки вимагають використання спеціальних печей, призначених для досягнення точного контролю температури. Ось деякі печі, які зазвичай використовуються для термічної обробки:

• Печі періодичної дії: Це універсальні печі, ідеальні для невеликих виробництв або унікальних процесів термічної обробки. Весь процес термічної обробки – нагрівання, замочування та охолодження – відбувається в єдиному контрольованому середовищі.
• Печі безперервної дії: На відміну від печей періодичної дії, печі безперервної дії призначені для виробництва великих обсягів. Матеріал рухається через різні зони для кожного етапу процесу, що забезпечує безперервний потік обробленого матеріалу.
• Вакуумні печі: Ці печі усувають присутність повітря та інших газів, щоб запобігти небажаним хімічним реакціям під час процесу термообробки. Вони особливо корисні в процесах, де потрібно уникати окислення та зневуглецювання.
• Печі для соляних ванн: У цих печах для термічної обробки матеріалу використовується нагріта ванна з розплавленою сіллю. Це забезпечує рівномірну температуру навколо заготовки та забезпечує швидке нагрівання та охолодження.

Кожна з цих печей відповідає конкретним потребам і вибирається на основі характеристик матеріалу, що обробляється, і бажаних властивостей кінцевого продукту.

Фактори, що впливають на термічну обробку

На результати термічної обробки впливає кілька факторів:

1. Тип матеріалу: Склад і сорт матеріалу, що обробляється, значно впливають на те, як він реагує на термічну обробку. Різні матеріали реагують на нагрівання та охолодження з різною швидкістю та досягають своїх оптимальних властивостей за різних температур.
2. Температура нагріву: Температура, при якій нагрівається матеріал, відіграє вирішальну роль у визначенні кінцевих властивостей матеріалу. Вищі температури можуть змінити мікроструктуру матеріалу та призвести до підвищення твердості або міцності.
3. Час замочування: Тривалість, протягом якої матеріал витримується при температурі нагрівання, відома як час замочування, також впливає на результат термічної обробки. Довший час замочування може забезпечити більш рівномірний нагрів і трансформацію матеріалу.
4. Швидкість охолодження: швидкість, з якою матеріал охолоджується після нагрівання, може впливати на його твердість і міцність. Швидке охолодження (загартування) зазвичай призводить до більш твердих, крихких матеріалів, у той час як повільне охолодження може давати більш м’які та пластичні матеріали.
5. атмосфера: Середовище в печі може впливати на процес термічної обробки. Окислювальні атмосфери можуть спричинити утворення накипу, тоді як відновні атмосфери можуть запобігти окисленню та обезуглероженню.

Розуміння цих факторів дозволяє краще контролювати й оптимізувати процеси термічної обробки, що призводить до покращення властивостей і продуктивності матеріалу.

Порівняння різних методів термічної обробки

Галузь матеріалознавства пропонує безліч методів термічної обробки, кожна з яких призначена для досягнення певних властивостей матеріалу. Нижче наведено деякі поширені методи термічної обробки:

1. Відпал: Цей процес передбачає нагрівання матеріалу до певної температури, витримку при цій температурі (замочування), а потім повільне охолодження. Відпал може розм’якшити матеріал, підвищити його пластичність і міцність, а також зменшити внутрішні напруги.
2. Нормалізація: Подібно до відпалу, нормалізація передбачає нагрівання матеріалу, а потім його охолодження на повітрі. Цей процес покращує зернисту структуру та покращує механічні властивості матеріалу.
3. Загартовування: Гартування передбачає нагрівання матеріалу до високої температури, а потім його швидке охолодження (загартування). Цей процес підвищує твердість і міцність матеріалу, але може зробити його більш крихким.
4. Загартовування: Ця методика зазвичай виконується після загартовування. Матеріал нагрівається до нижчої температури, яка сталася під час генерації. Будь ласка, спробуйте ще раз або зверніться до служби підтримки, якщо проблема не зникне.

Поширені типи термічної обробки легованої сталі

Леговані сталі, завдяки своїм різноманітним властивостям, піддаються різним видам термічної обробки. Нижче наведено деякі поширені методи лікування:

Нормалізація легованої сталі: Цей процес передбачає нагрівання сталі вище критичної температури з подальшим природним охолодженням на повітрі. Він спрямований на покращення зернистої структури сталі, що робить її більш міцною та пластичною.

1. Відпал легованої сталі: Під час цієї техніки сталь нагрівається до певної температури та повільно охолоджується. Відпал призначений для покращення оброблюваності сталі шляхом покращення її м’якості та пластичності, зменшення внутрішніх напружень і вдосконалення її структури.
2. Загартування та відпуск легованої сталі: Це двоетапний процес, який передбачає швидке охолодження (загартування) сталі від високої температури з наступним нагріванням до нижчої температури (відпуск). Цей процес підвищує твердість, міцність і пластичність сталі.
3. Науглерожування легованої сталі: ця термічна обробка передбачає введення додаткового вуглецю в поверхневий шар сталі з подальшим гартуванням. Науглерожування підвищує твердість і зносостійкість поверхні сталі, зберігаючи в'язкість її серцевини.
4. Азотування легованої сталі: У цьому процесі азот вводиться в поверхню сталі, часто без необхідності загартування. Азотування призводить до отримання твердого, зносостійкого поверхневого шару, і воно часто використовується для деталей, які працюють у середовищах із високим навантаженням.

Питання що часто задаються

З: Що таке термічна обробка сталі?

A: Термічна обробка сталі – це процес, під час якого властивості сталі змінюються шляхом нагрівання та охолодження металу для досягнення бажаних характеристик, таких як твердість, міцність, в’язкість і пластичність.

З: Які переваги термічної обробки сталі?

A: Термічна обробка може покращити механічні властивості сталі, включаючи твердість, міцність і пластичність, а також покращити її оброблюваність і зварюваність.

З: Які існують типи термічної обробки сталі?

A: Загальні види термічної обробки сталі включають відпал, нормалізацію, загартування та відпуск.

З: Що таке процес відпалу при термічній обробці сталі?

A: Відпал — це процес термічної обробки, який передбачає нагрівання сталі до певної температури, а потім її повільне охолодження до кімнатної температури, що допомагає зменшити внутрішні напруги та підвищити пластичність металу.

З: Як працює загартування при термічній обробці сталі?

A: Загартування – це процес швидкого охолодження металу після його нагрівання до високої температури, що призводить до зміцнення сталі шляхом захоплення атомів вуглецю структурою кристалічної решітки.

З: Що таке процес гартування при термічній обробці сталі?

Відповідь: Загартування — це техніка термічної обробки, яка передбачає повторне нагрівання загартованої сталі до певної температури, щоб зменшити її твердість і крихкість, одночасно покращуючи її міцність і пластичність.

З: Чому термічна обробка важлива для різних типів сталі?

Відповідь: Термічна обробка має вирішальне значення для різних типів сталі, оскільки вона може адаптувати механічні властивості металу відповідно до конкретних вимог застосування, наприклад підвищення твердості ріжучих інструментів або покращення міцності структурних компонентів.

З: Які ключові фактори слід враховувати під час процесу термічної обробки сталі?

A: Ключові фактори, які слід враховувати під час термічної обробки сталі, включають тип металу, бажані механічні властивості, швидкість нагрівання та охолодження, а також загальний контроль процесу для досягнення бажаних результатів без утворення внутрішніх дефектів.

З: Які загальні проблеми в процесах термічної обробки сталі?

Відповідь: Загальні проблеми при термічній обробці сталі пов’язані з ризиком деформації, розтріскування та неадекватного перетворення сталі, який можна зменшити шляхом оптимізації параметрів термічної обробки та застосування належних процесів подальшої обробки.

З: Як термічна обробка металів впливає на їх мікроструктуру та властивості?

Відповідь: Термічна обробка металів може істотно змінити їх мікроструктуру шляхом зміни розташування атомів у кристалічній решітці, відповідно впливаючи на їх механічні, термічні та електричні властивості залежно від конкретного використовуваного методу термічної обробки.

Список літератури

1. Основні поняття термічної обробки сталі: Це джерело містить глибоке розуміння принципів і впливу термічної обробки на властивості металів, зокрема сталі.
2. Термічна обробка: принципи та методика: Ця книга заглиблюється в теорію термічної обробки, пояснюючи, чому певні види сталі нагрівають поетапно.
3. Термічна обробка сталі: металургія та технології: У цьому джерелі обговорюються складності дескрипторів якості сталі та застосування різних сталей без термічної обробки.
4. Сталь та її термічна обробка: Ця книга забезпечує розуміння змін у металевих конструкціях під час термічної обробки та застосування боровмісних сталей.
5. Термічна обробка для виробництва металевих добавок: Ця наукова стаття обговорює мету термічної обробки для досягнення бажаних властивостей для конкретних застосувань, зосереджуючись на основних категоріях металів АМ, включаючи сталь.
6. Застосування концепції прогартуваності при термічній обробці сталі: У цій статті Springer розглядаються дані про загартовуваність та її застосування при термічній обробці сталі.
7. Моделювання та імітація термічної обробки сталі — прогнозування мікроструктури, деформації, залишкових напруг і розтріскування: це джерело ASM International занурюється в важливість розуміння моделювання термообробки для промислового використання.
8. Принципи термічної обробки простих вуглецевих і низьколегованих сталей: Ця книга охоплює принципи термічної обробки простих вуглецевих і низьколегованих сталей, обговорюючи фактори, які впливають на термічну обробку.
9. Основа на основі FEM для моделювання термічної обробки: застосування до загартування сталі: Ця стаття ScienceDirect представляє структуру для моделювання термічної обробки металів з акцентом на загартування сталі.
10. Термічна обробка та властивості чавуну та сталі: Цей звіт містить розуміння термічної обробки чавуну та сталі, обговорюючи основні принципи процесів нагрівання та охолодження.

Рекомендована література: Вичерпний посібник із механічної обробки сталі