Типы отжигов первого рода

Вид отжига	Объект	Цель
Гомогенизационный (диффузионный)	Слиток, отливка	Устранение междендритной ликвации
Рекристаллизационный	Деформированный полуфабрикат	Устранение наклепа: разупрочнение, повышение пластичности
Отжиг для уменьшения напряжений	Полуфабрикаты после прокатки, ковки, правки,механической обработки, сварные соединения	Снятие остаточных упругих напряжений

Отжиги второго рода

Отжиг цветных сплавов разупрочняющий (гетерогенизационный) проводится для получения структуры с однородным распределением частиц промежуточных фаз и разупрочнения.

В этих сплавах в процессе изготовления изделия при технологических операциях, включающих высокотемпературный нагрев (литье, горячая деформация или сварка), возможен неконтролируемый распад твердого раствора. Это может приводить как к частичному упрочнению, так и к неравномерному распределению частиц промежуточных фаз (ПФ). Особенно неблагоприятным является образование частиц по границам зерен.

Для устранения неблагоприятного структурного состояния необходим нагрев сплава, чтобы произошло два фазовых превращения – растворение частиц ПФ и выделение этих частиц при медленном охлаждении в виде крупных равномерно распределенных частиц. Результатом отжига являются равномерное распределение частиц ПФ, снижение прочности, повышение пластичности. Гетерогенизационный отжиг широко применяют для алюминиевых, медных, магниевых, никелевых и других сплавов.

Отжиги второго рода. Отжиги углеродистых сталей

Сплавы железа с углеродом при содержании его до 2,14 % без других легирующих элементов носят название «углеродистые стали».

К сталям применяют как универсальные отжиги (отжиги I рода), так и отжиги II рода: перекристаллизационный (полный), сфероидизирующий (неполный), нормализацию. При отжигах II рода в сталях происходят равновесные фазовые превращения.

Равновесные фазовые превращения в сплавах обычно изображаются графически на диаграммах состояния. Диаграммы состояния (или фазовые диаграммы) двойных сплавов строятся в координатах «температура – концентрация второго компонента».

Диаграмма состояния отражает равновесные фазовые превращения, потому что строится для условия очень медленного охлаждения сплавов из жидкого состояния до комнатной температуры.

Фазовые превращения в сталях можно проследить на части диаграммы «железо – углерод». Эта диаграмма показывает фазовый состав сплавов железа с углеродом с концентрацией от чистого железа до первого промежуточного соединения – карбида железа Fe₃C, который традиционно называется «цементит». Цементит образуется при концентрации углерода 6,67 % (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Фрагмент диаграммы состояния «железо-цементит»

На диаграмме «железо-цементит» (Fe - Fe₃C) изображены:

– линии, они являются границами фазовых областей; «пересечение» фазовой границы при изменении температуры (при нагреве или охлаждении) означает фазовое превращение одной фазы в другую;

– линия ликвидуса – самая верхняя линия на диаграмме, при пересечении которой во время охлаждения сплава начинается образование твердой фазы;

– линия солидуса, показывает температуры, при которых заканчивается образование твердой фазы;

– фазовые области; двухфазные области соседствуют с однофазными.

Компонентами данной системы являются железо и углерод.

Железо – металл с температурой плавления 1539°С. Железо полиморфно, имеет три модификации: α, γ, δ. Модификации α и δ имеют объемноцентрированную решетку (ОЦК). Высокотемпературная модификация δ - Fe существует от температуры 1392°С до температуры плавления. Она не играет роли в твердофазных превращениях железоуглеродистых сплавов. Модификация α - Fe (или Fe_α) существует при температурах до 911°С. До температуры 768°С (точка Кюри) оно ферромагнитно, выше – парамагнитно. Модификация γ - Fe (Fe_γ) существует в интервале температур 911 - 1392°С. Кристаллическая решетка γ - железа – гранецентрированная (ГЦК); оно парамагнитно.

Углерод – металлоид. В сталях и чугунах углерод присутствует либо в твердых растворах внедрения, либо в виде химического соединенияFe₃C.

Фазами системы Fe – Fe₃C в твердом состоянии являются: твердые растворы – феррит (Ф или α) и аустенит (А или γ), и промежуточная фаза, химическое соединение – цементит Fe₃C (Ц).

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высоко­тем­пературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %. В дальнейшем будет рассматриваться только α - феррит, который обозначается просто «феррит» (Ф). Протяженность ферритной области на диаграмме Fe-Fe₃C, обозначенная точкамиGPQ, по концентрации незначи­тельна: содержание углерода в феррите при комнатной температуре составляет всего 0,006 %.

Механические свойства (феррит подобен чистому железу) – это мягкая, пластичная фаза со следующими характеристиками: σ_в = 250 - 300 МПа; δ = 45 - 50 %; НВ 80 - 90.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ - железе. Нижняя часть аустенитной области ограничена точками GSE. Фазовая область аустенита существенно больше феррита как по концентрации, так и по температуре. Предельная растворимость углерода в аустените составляет 2,14 % (при температуре 1147ºС).

Механические свойства: при повышенной температуре аустенит имеет высокую пластичность (δ = 40 – 50 %); при охлаждении до комнатной температуры его твердость составляет 170 - 200 НВ.

Цементит (Ц) – это химическое соединение железа с углеродом (при 6,67 % С), карбид железа с формулой Fe₃C; имеет сложную ромбическую решетку. Температура плавления цементита 1250°С.

Механические свойства. Цементит – соединение с ковалентно-металлической связью, имеет высокую твердость (800 НВ) и почти нулевую пластичность, а также высокую хрупкость. Влияние цементита на свойства железоуглеродистых сплавов зависит от его количества в структуре и формы его частиц. В общем случае, чем больше цементита содержит сплав, тем большую твердость он имеет.

Цементит, в зависимости от реакции образования при охлаждении спла­вов системы Fe - Fe₃C, подразделяют на первичный, вторичный и третичный. Первичный Ц_I образуется из жидкой фазы ниже линии DC. Вторичный Ц_II выделяется из аустенита (ниже линии ES). Третичный Ц_III выделяется из феррита.

Точка Р показывает предельную концентрацию углерода при температуре 727 ºС – 0,02 % С. Точка Q соответствует растворимости углерода при комнатной температуре – 0,006 %. Сплавы, содержащие менее 0,02 % С (левее точки Р), называюттехническим железом.

На рис. 2.21 показан фрагмент диаграммы Fe - Fe₃C в области с сталей.

Рис. 2.21. Часть диаграммы, область сталей

Фазовые области в стальной части диаграммы:

– однофазные: феррит – область GPQ; аустенит – областьNJESG;

– двухфазные: аустенит + цементит – область SEFK; феррит + аустенит – областьGPS; феррит + цементит – область ниже линииPSK.

При выборе температур отжигов ориентируются на линии этой диаграммы, ограничивающие однофазные и двухфазные области. В практике термообработки сталей эти линии имеют специальное обозначение (табл. 2.6). Эти линии являются геометрическим местом критических точек сталей. Критические точки на диаграмме железо - цементит – температуры, при которых в сталях устанавливается фазовое равновесие.

Таблица 2.6