При химико-термической обработке (ХТО) изменяется химический состав и структура поверхностных слоев материалов.
Основными видами ХТО для сталей являются цементация, азотирование и нитроцементация.
При цементации поверхность стали насыщается углеродом. Существуют три основных вида цементации: в твёрдых карбюризаторах, газовых средах и жидких расплавах солей.
Концентрация углерода на поверхности деталей определяется активностью углерода в насыщающей среде. Глубина слоя с повышенным содержанием углерода – ℓ обусловлена скоростью диффузии углерода в стали – D и временем обработки - t.
Рекомендуемая глубина слоя зависит от размеров деталей и не должна превышать 10 % диаметра изделий. Достаточной толщиной обычно считается 1- 2 мм. Такая глубина проработки при температуре 910 – 9300С достигается за 5 - 20 часов.
Цементации целесообразно подвергать низкоуглеродистые стали. После цементации детали подвергают одинарной или двойной закалке с последующими низкотемпературным отпуском (при 180 – 2000С).
Основными видами ХТО для сталей являются цементация, азотирование и нитроцементация.
При цементации поверхность стали насыщается углеродом. Существуют три основных вида цементации: в твёрдых карбюризаторах, газовых средах и жидких расплавах солей.
Концентрация углерода на поверхности деталей определяется активностью углерода в насыщающей среде. Глубина слоя с повышенным содержанием углерода – ℓ обусловлена скоростью диффузии углерода в стали – D и временем обработки - t.
Рекомендуемая глубина слоя зависит от размеров деталей и не должна превышать 10 % диаметра изделий. Достаточной толщиной обычно считается 1- 2 мм. Такая глубина проработки при температуре 910 – 9300С достигается за 5 - 20 часов.
Цементации целесообразно подвергать низкоуглеродистые стали. После цементации детали подвергают одинарной или двойной закалке с последующими низкотемпературным отпуском (при 180 – 2000С).
Термической обработкой называют операции нагрева, выдержки и охлаждения изделий, регламентированные по времени и температуре.
Существует 4 основных вида термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и старение.
Отжиг. Под отжигом 1-го рода понимают операцию нагрева, затем выдержку при определённой температуре и охлаждение. Предназначен он для устранения химической неоднородности в пределах отдельных кристаллов, снятия деформационного упрочнения, фазового упрочнения, возникающего за счёт объёмных изменений. Выравнивание состава и свойств сталей приводит к уменьшению склонности стали к охрупчиванию.
Для выравнивания химического состава стали, используют диффузионный отжиг, когда её нагревают до 1100-1200C и выдерживают 8 – 20час.
Для исключения накопления деформационных дефектов в холоднодеформированных сталях применяют, так называемый, рекристаллизационный отжиг, т.е. их нагрев до температур рекристаллизации (450-650C, в зависимости от состава стали), выдержку при этих температурах и последующее замедленное охлаждение (до температур 300-400C).
При отжиге заметно увеличивается размер зерна. Крупнозернистость может быть частично устранена за счёт фазовой перекристаллизации. Отжиг является обычно подготовительной операцией перед другими видами термической обработки.
Существует 4 основных вида термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и старение.
Отжиг. Под отжигом 1-го рода понимают операцию нагрева, затем выдержку при определённой температуре и охлаждение. Предназначен он для устранения химической неоднородности в пределах отдельных кристаллов, снятия деформационного упрочнения, фазового упрочнения, возникающего за счёт объёмных изменений. Выравнивание состава и свойств сталей приводит к уменьшению склонности стали к охрупчиванию.
Для выравнивания химического состава стали, используют диффузионный отжиг, когда её нагревают до 1100-1200C и выдерживают 8 – 20час.
Для исключения накопления деформационных дефектов в холоднодеформированных сталях применяют, так называемый, рекристаллизационный отжиг, т.е. их нагрев до температур рекристаллизации (450-650C, в зависимости от состава стали), выдержку при этих температурах и последующее замедленное охлаждение (до температур 300-400C).
При отжиге заметно увеличивается размер зерна. Крупнозернистость может быть частично устранена за счёт фазовой перекристаллизации. Отжиг является обычно подготовительной операцией перед другими видами термической обработки.
Диаграмма состояний сплавов служит основой классификации сплавов по структуре, а также для выбора режимов термической обработки
Прежде всего, сплавы рассматриваемой системы подразделяются на стали и чугуны. К сталям относят сплавы, содержащие до 2 % углерода, к чугунам – сплавы, содержащие 2 и более % углерода. Чугуны, содержащие около 4,3 % углерода, называют эвтектическими, от 2-х до 4,3% – доэвтектическими и более 4,3% углерода – заэвтектическими.
Преимущественной структурой эвтектических чугунов является ледебурит, состоящий из смеси кристаллов аустенита и цементита. Цементит не является термически устойчивым соединением и при медленном охлаждении или при длительной выдержке чугунов при высоких температурах распадается на смесь графита и аустенита. При последующем за выдержкой охлаждении аустенит по содержанию углерода приближается к составу, соответствующему точке S диаграммы железо-углерод. Если охлаждение в районе температур 750-700С происходит достаточно медленно (10-20С/час), то распад аустенита сопровождается выделением хлопьевидного графита, а не цементита и получается ферритный серый чугун. Если же скорость охлаждения в этом интервале температур велика, то формируется структура ковких перлитных серых чугунов (перлит – смесь феррита и цементита). Название ковкие не означает, что эти чугуны куют, а просто то, что они относительно пластичны, но не выдерживают высоких скоростей нагружения. Таким образом, в зависимости от режима охлаждения могут быть получены чугуны с различными структурой и свойствами.
Прежде всего, сплавы рассматриваемой системы подразделяются на стали и чугуны. К сталям относят сплавы, содержащие до 2 % углерода, к чугунам – сплавы, содержащие 2 и более % углерода. Чугуны, содержащие около 4,3 % углерода, называют эвтектическими, от 2-х до 4,3% – доэвтектическими и более 4,3% углерода – заэвтектическими.
Преимущественной структурой эвтектических чугунов является ледебурит, состоящий из смеси кристаллов аустенита и цементита. Цементит не является термически устойчивым соединением и при медленном охлаждении или при длительной выдержке чугунов при высоких температурах распадается на смесь графита и аустенита. При последующем за выдержкой охлаждении аустенит по содержанию углерода приближается к составу, соответствующему точке S диаграммы железо-углерод. Если охлаждение в районе температур 750-700С происходит достаточно медленно (10-20С/час), то распад аустенита сопровождается выделением хлопьевидного графита, а не цементита и получается ферритный серый чугун. Если же скорость охлаждения в этом интервале температур велика, то формируется структура ковких перлитных серых чугунов (перлит – смесь феррита и цементита). Название ковкие не означает, что эти чугуны куют, а просто то, что они относительно пластичны, но не выдерживают высоких скоростей нагружения. Таким образом, в зависимости от режима охлаждения могут быть получены чугуны с различными структурой и свойствами.
Область устойчивых состояний аустенита на диаграмме состояний обозначена буквами NJESOG и, следовательно, превращения его зависят от состава стали.
Рассмотрим сначала превращения аустенита, содержащего 0,83 % углерода. При нагреве сплава от температуры 7270С до 13500С сохраняется решётка ГЦК и происходит лишь его термическое расширение. Длина образца ℓт2 , при температуре T2 связана с его длиной ℓт2 при температуре т1 соотношением: ℓт2 = ℓт1 (1 + α(т2-т1). Коэффициент для аустенита равен 1,8×10-5 1/ С.
При охлаждении образца ниже 727С происходят изменения структуры сплава, обусловленные изменением растворимости углерода и распадом аустенита на фазовые составляющие относительно устойчивые при соответствующих температурах, т.е. на феррит (α–феррит) и цементит представляющий собой химическое соединение железа с углеродом (Fe3C), содержание углерода в котором составляет ~6,7% по массе. Максимальная растворимость углерода в α–железе при 727С составляет всего лишь 0,023 % и снижается до 0,006 % при комнатной температуре. В результате изменения растворимости углерода в феррите происходит старение феррита и его упрочнение.
Выделение цементита при распаде аустенита также сопряжено с упрочнением сплава, которое тем больше, чем более мелкими являются частицы цементита. В свою очередь их размеры зависят от температуры, при которой выделяется основная масса Fe3C.
Скорость распада аустенита на феррит и цементит максимальна при температуре близкой к 550С.
Рассмотрим сначала превращения аустенита, содержащего 0,83 % углерода. При нагреве сплава от температуры 7270С до 13500С сохраняется решётка ГЦК и происходит лишь его термическое расширение. Длина образца ℓт2 , при температуре T2 связана с его длиной ℓт2 при температуре т1 соотношением: ℓт2 = ℓт1 (1 + α(т2-т1). Коэффициент для аустенита равен 1,8×10-5 1/ С.
При охлаждении образца ниже 727С происходят изменения структуры сплава, обусловленные изменением растворимости углерода и распадом аустенита на фазовые составляющие относительно устойчивые при соответствующих температурах, т.е. на феррит (α–феррит) и цементит представляющий собой химическое соединение железа с углеродом (Fe3C), содержание углерода в котором составляет ~6,7% по массе. Максимальная растворимость углерода в α–железе при 727С составляет всего лишь 0,023 % и снижается до 0,006 % при комнатной температуре. В результате изменения растворимости углерода в феррите происходит старение феррита и его упрочнение.
Выделение цементита при распаде аустенита также сопряжено с упрочнением сплава, которое тем больше, чем более мелкими являются частицы цементита. В свою очередь их размеры зависят от температуры, при которой выделяется основная масса Fe3C.
Скорость распада аустенита на феррит и цементит максимальна при температуре близкой к 550С.
Чистое железо плавится при температуре 1539С. При охлаждении расплава ниже этих температур, железо затвердевает, формируя кристаллическую решётку объемно-центрированного куба (ОЦК), которая сохраняется до 1392С. В температурной области от 1392C до 919С устойчивой кристаллической формой железа становится гранецентрированная кубическая решётка (ГЦК). При температуре 1392С обе формы кристаллов железа находятся в равновесии и могут присутствовать одновременно. Такая же картина наблюдается и при 911С. Устойчивой кристаллической решёткой вновь становится решётка ОЦК.
Переход от одной устойчивой формы кристаллов к другой, как мы уже отмечали ранее, называется полиморфным превращением.
Кристаллические решётки ОЦК и ГЦК железа имеют октаэдрические и тетраэдрические пустоты, в которых могут размещаться растворённые в железе атомы углерода и других элементов внедрения (B, N, H, O).
Исследования показали, что атомы углерода в стали в основном располагаются в октаэдрических порах.
Размещение атомов углерода в кристаллических решётках железа сопровождаются их деформацией. Поскольку при растворении углерода ГЦК решётка деформируется в существенно меньшей степени, то и растворимость углерода в ГЦК решётке, примерно в сто раз выше его растворимости в ОЦК – железе.
Переход от одной устойчивой формы кристаллов к другой, как мы уже отмечали ранее, называется полиморфным превращением.
Кристаллические решётки ОЦК и ГЦК железа имеют октаэдрические и тетраэдрические пустоты, в которых могут размещаться растворённые в железе атомы углерода и других элементов внедрения (B, N, H, O).
Исследования показали, что атомы углерода в стали в основном располагаются в октаэдрических порах.
Размещение атомов углерода в кристаллических решётках железа сопровождаются их деформацией. Поскольку при растворении углерода ГЦК решётка деформируется в существенно меньшей степени, то и растворимость углерода в ГЦК решётке, примерно в сто раз выше его растворимости в ОЦК – железе.
Прежде, чем дать описание конкретных характеристик физикомеханических свойств, необходимо рассмотреть основные требования, предъявляемые к конструкционным материалам.
В общем случае конструкционные материалы должны обладать высокой конструкционной прочностью, хорошей технологичностью, экономичностью и быть недефицитными.
При выборе же материалов в продовольственном машиностроении, помимо общих требований необходимо предусматривать их высокую коррозионную стойкость в условиях воздействия пищевых сред при повышенных температурах и давлениях, а также действие на них моющих и дезинфицирующих сред. Ещё одним обязательным требованием является необходимость учета токсичности материалов и продуктов их коррозии при контакте с пищевыми средами, учёт текущих и отдалённых вредных воздействий этих компонентов на организм человека и на органолептические свойства пищевых продуктов (цвет, запах, вкус).
Рассмотрим сначала перечень основных физико-механических свойств конструкционных материалов.
Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации. Она объединяет такие понятия как прочность (сопротивление материала пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение заданного времени).
В общем случае конструкционные материалы должны обладать высокой конструкционной прочностью, хорошей технологичностью, экономичностью и быть недефицитными.
При выборе же материалов в продовольственном машиностроении, помимо общих требований необходимо предусматривать их высокую коррозионную стойкость в условиях воздействия пищевых сред при повышенных температурах и давлениях, а также действие на них моющих и дезинфицирующих сред. Ещё одним обязательным требованием является необходимость учета токсичности материалов и продуктов их коррозии при контакте с пищевыми средами, учёт текущих и отдалённых вредных воздействий этих компонентов на организм человека и на органолептические свойства пищевых продуктов (цвет, запах, вкус).
Рассмотрим сначала перечень основных физико-механических свойств конструкционных материалов.
Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации. Она объединяет такие понятия как прочность (сопротивление материала пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение заданного времени).
Структурой называют особенности внутреннего строения материалов. По этому признаку все материалы делят на аморфные и кристаллические.
Аморфными называют материалы, в которых расположение образующих их элементарных частиц (атомов или молекул) – хаотично, т.е. неупорядоченно.
К числу таких материалов относятся пластмассы, стекло, керамики, резины.
Большинство металлических материалов являются кристаллическими, т.е. образующие их атомы упорядоченно расположены в трехмерном пространстве, образуя закономерно чередующиеся ряды, называемые кристаллическими решетками.
Наименьший элементарный объём, с характерным для того или иного материла расположением атомов в пространстве, называется элементарной ячейкой. Все элементарные ячейки описывают набором признаков: 1) симметрией, 2) параметрами или периодами решетки, 3) координационными числами, 4) базисом решетки и 5) коэффициентами компактности.
Существует 7 основных групп симметрии, которые различаются углами между осями решетки (обозначаются, как α, β и γ) и периодами (расстояниями между атомами вдоль каждой из осей (обозначаются они через a, b и c) соответственно вдоль осей X, Y, Z).
Аморфными называют материалы, в которых расположение образующих их элементарных частиц (атомов или молекул) – хаотично, т.е. неупорядоченно.
К числу таких материалов относятся пластмассы, стекло, керамики, резины.
Большинство металлических материалов являются кристаллическими, т.е. образующие их атомы упорядоченно расположены в трехмерном пространстве, образуя закономерно чередующиеся ряды, называемые кристаллическими решетками.
Наименьший элементарный объём, с характерным для того или иного материла расположением атомов в пространстве, называется элементарной ячейкой. Все элементарные ячейки описывают набором признаков: 1) симметрией, 2) параметрами или периодами решетки, 3) координационными числами, 4) базисом решетки и 5) коэффициентами компактности.
Существует 7 основных групп симметрии, которые различаются углами между осями решетки (обозначаются, как α, β и γ) и периодами (расстояниями между атомами вдоль каждой из осей (обозначаются они через a, b и c) соответственно вдоль осей X, Y, Z).