Оптимальная толщина металла и необходима ли его обработка

Классификация и виды термообработки

Существует несколько видов термической обработки стали:

• термическая – характеризуется исключительно температурным воздействием на свойства металлов;
• термомеханическая обработка – сочетание воздействия температуры и пластической деформации заготовки;
• химико-термическая обработка – представляет собой совокупность температурного воздействия с химическими веществами.

В зависимости от структуры стали, виды термической обработки подразделяются следующим образом:

• процесс отжига;
• нормализация;
• закалка;
• обработка холодом;
• отпуск.

Термическая обработка стали проводится для придания металлу свойств, необходимых при промышленной эксплуатации изделий, например, повышенной прочности. А также при технологических процессах, когда термическая обработка является промежуточной операцией, а не завершающей.

Это требуется когда необходимо осуществить понижение твердости стали для последующей обработки. Уменьшение твердости требуется при обработке начальных заготовок из стали. Для обработки же готовых деталей используются процессы, способствующие повышению их прочности, износостойкости и твердости.

Назначение термообработки

Металлические изделия, которые используются ежедневно в любых отраслях народного хозяйства, должны отвечать высоким требованиям устойчивости к износу. Металл, как сырьё, нуждается в усилении нужных эксплуатационных свойств, которых можно добиться воздействием на него высокими температурами. Термическая обработка сплавов высокими температурами изменяет изначальную структуру вещества, перераспределяет составляющие его компоненты, преобразует размер и форму кристаллов. Всё это приводит к минимизации внутреннего напряжения металла и таким образом повышает его физико-механические свойства.

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.

https://youtube.com/watch?v=I-br0B8ocpI

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.

Другие методы термообработки

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

1. Отпуск — технология, применяемая для уменьшения хрупкости и снижения внутренних напряжений в материале.
2. Отжиг — метод, при котором уменьшается размер зёрен в структуре материала, снимаются внутренние напряжение.
3. Закалка — методика, похожая на нормализацию. Отличия заключаются в более высоком температурном режиме нагрева и высокой скорости охлаждения.
4. Криогенная обработка — технология, связанная с применением низких температур.
5. Дисперсионное твердение — конечный этап термообработки. Обрабатываемой детали придаётся высокий показатель прочности.

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.

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.

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.

Отличия нормализации от классического полного отжига

Кроме классического отжига и нормализации используются другие виды термообработки металла:

• Закалка, придает стали такие же характеристики, что и нормализация. Но детали, обработанные таким способом, отличаются пониженной ударной вязкостью и хрупкостью.
• Отпуск применяется после предыдущего процесса с целью снижения напряжений и снижения хрупкости.
• Дисперсионное твердение – заключительная обработка, применяющаяся для повышения прочности стали.
• Криогенная обработка чаще всего используется для закаленной углеродистой стали. Благодаря ей структура металла получается равномерной и твердой.

Нормализация – это процесс, при котором сталь нагревается до аустенитного состояния при показателях температуры на 30-50 градусов больше Ac3. При этом процесс охлаждения происходит на открытом воздухе.

Классический полный отжиг стали более длительный процесс, при котором металл достаточно долго нагревают и медленно охлаждают. Этот способ обработки стали считается менее производительным и более затратным. Чаще всего используют при более 0,4% углерода в составе стали.

Нормализация происходит гораздо быстрее, что позволяет охватить большее количество деталей. При этом сталь становится более прочной и твердой, чем после полного отжига.

Расчет эффективности защиты

Обустройству качественной огнезащиты металлических конструкций должна предшествовать такая обязательная процедура, как предварительный расчёт её элементов.

Последний является неотъемлемой частью подготовки проекта по защите строительных сооружений, который должен включать в свой состав следующие разделы:

• изучение конструктивных особенностей защищаемого объекта;
• подбор соответствующего этим особенностям метода огнезащиты, а также грамотное его обоснование;
• подробнейшее описание технологических особенностей процесса огнезащиты металлических конструкций, согласно СНиП;
• подготовка комплекта нормативных документов, чертежей и рабочих схем, составленных на основе предварительного изучения составляющих защищаемых объектов.

Контроль качества подготовленного проекта огнезащиты должен быть организован с учётом уже упоминавшихся ранее нормативных актов (СНиП).

Основное внимание при обсчёте огнезащиты конструкций уделяется такому параметру, как приведённая толщина металла в зоне предполагаемого контакта с огнём. Она определяется из соотношения площади сечения в этом месте к периметру всей поражаемой поверхности (первый из этих параметров берётся из специального справочника по металлоизделиям)

Она определяется из соотношения площади сечения в этом месте к периметру всей поражаемой поверхности (первый из этих параметров берётся из специального справочника по металлоизделиям).

Второй показатель высчитывается как суммарная длина всех сторон элементов металлической конструкции, расположенных открыто и потенциально доступных для огня. В соответствии с этими данными толщина металла, достаточная для его сохранности, определяется по следующей формуле:

F= Sх10 / P, где:

• F- показатель так называемой «приведённой» толщины,
• S- площадь поперечного сечения конструкции,
• P- суммарная длина периметра (в сантиметрах).

По результатам такого расчёта определяется противопожарный показатель огнестойкости как всей конструкции в целом, так и отдельных металлических элементов.

Данный показатель является основанием для выбора подходящего способа формирования огнезащиты металлической конструкции и определения достаточности толщины покрытия.

Что такое химико-термическая обработка металлов: общие принципы и назначение для стали

Технология заключается в трансформации наружного слоя посредством изменения его структуры и состава. Ниже рассмотрим ее особенности. Процедура позволяет получить твердость и износоустойчивость. Состав элементов меняется из-за проникновения их в материал из используемой среды. Структура и состав внешней поверхности трансформируется. Технология осуществляется в несколько этапов:

• • диссоциация – разложение в условиях газа молекул и различных соединений с последующим созданием активных атомов;
• • адсорбция – забор свободных атомов из газа;
• • диффузия – попадание вглубь металла абсорбированных атомов под воздействием их тепловой энергии без стороннего воздействия.

Процесс осуществляется посредством нагревания детали и выдержки ее в активной среде, содержащей необходимые химические компоненты. Концентрация охладителя бывает различной. Качество слоя зависит от правильности сочетания всех этапов.

Отпуск

Отпуск – это завершающий этап термической обработки сплавов, определяющий конечную структуру металла. Основная цель отпуска является снижение хрупкости металлического изделия. Принцип заключается в нагреве детали до температуры ниже критической и охлаждении. Поскольку режимы термической обработки и скорость охлаждения металлических изделий различного назначения могут отличаться, то выделяют три вида отпуска:

• Высокий — температура нагрева от 350-600 до значения ниже критической. Данная процедура чаще всего используется для металлических конструкций.
• Средний – термообработка при t 350-500, распространена для пружинных изделий и рессор.
• Низкий — температура нагрева изделия не выше 250 позволяет достичь высокой прочности и износостойкости деталей.

Выбор способа термообработки для стали

Нормализацию или другой способ термической обработки стали выбирают в зависимости от концентрации в ней углерода. Если материал содержит его в количестве до 0,2%, то наиболее приемлемым способом является нормализация. Если углерода присутствует 0,3−0,4%, то подойдет как нормализация, так и отжиг.

Выбирать тот или иной способ обработки также следует в зависимости от требуемых свойств. Например, нормализация придаст изделию мелкозернистую структуру, а по сравнению с отжигом — большую твердость и прочность.

Во многих случаях нормализация является наиболее предпочтительным методом обработки материалов, поскольку имеет немало преимуществ по сравнению с другими. Во многих отраслях, в частности, машиностроении, его используют для термообработки чаще всего.

Выбор способа термообработки для стали

Нормализацию или другой способ термической обработки стали выбирают в зависимости от концентрации в ней углерода. Если материал содержит его в количестве до 0,2%, то наиболее приемлемым способом является нормализация. Если углерода присутствует 0,3−0,4%, то подойдет как нормализация, так и отжиг.

Выбирать тот или иной способ обработки также следует в зависимости от требуемых свойств. Например, нормализация придаст изделию мелкозернистую структуру, а по сравнению с отжигом — большую твердость и прочность.

Во многих случаях нормализация является наиболее предпочтительным методом обработки материалов, поскольку имеет немало преимуществ по сравнению с другими. Во многих отраслях, в частности, машиностроении, его используют для термообработки чаще всего.

Показатели для кирпичных конструкций

Правильные размеры для кирпичных конструкций соблюдают исходя из пропорций: свод дымохода по высоте должен быть не меньше 1-1,2 от высоты портала жаровни, а дымохода- не менее 1-1,2 высоты свода. Сечение дымохода зависит от площади портала топки. Оптимальное соотношение 1:8 — 1:10.

Наружные габаритные размеры мангала для шашлыка немного больше металлического аналога, что связано с применяемым материалом. Габариты жаровни аналогичны шашлычнице из металла.

Размеры простой шашлычницы из кирпича в металлической раме

Применяемый огнеупорный кирпич ША-8, размеры 250х124х65 мм, уголок 45х45х5 мм.

Размеры, мм	Наружные	Внутренние
Длина	634	494
Ширина	384	244
Высота / Глубина	200	124

Наружные габаритные размеры даны с учетом размера рамы Какой глубины должен быть мангал зависит от выбранной конструкции, размера и количества слоев кирпича. В данном случае — глубина мангала соответствует высоте кирпича — 124 мм.

Размеры жаровни в кирпичном мангале

Жаровня в комплексе из кирпича отличается по размерам от простой, сделанной на «сухой» кладке. Габариты зависят от размера выбранного кирпича, порядовки, толщины слоя раствора.

При высоте кирпича 6 см, толщине шва 1 см глубина жаровни составит 21 или 28 см при трех- и четырехрядной укладке соответственно. Расстояние от продуктов до углей также регулируют при помощи решеток, размещаемых на разной высоте жаровни.

Размеры, мм	Наружные	Внутренние
Длина	1000-1400	600-1000
Ширина	600	400
Высота / Глубина	1000	210/280

Нюансы и этапы нормализации

Термообработка металла

Есть несколько разновидностей термической обработки, но нормализацию используют чаще, так как она имеет гораздо больше преимуществ по сравнению с другими.

Оборудование и материалы

Для нормализации металла используют специальные печи для отжига и закалки. Иногда применяют установки с газовым нагревом. Такие системы имеют следующую комплектацию:

• герметичная камера, в которой находятся заготовки;
• нагревательные элементы (горелки) прямого или косвенного нагрева, предназначенные для повышения температуры в установке;
• запорно-регулирующие устройства;
• модули управления мощностью – импульсные, пропорциональные или комбинированные;
• термоизоляционная защита.

Нагревательная система в агрегатах с косвенным методом нагрева может быть устроена по разным принципам. В газовых печах нагрев чаще всего реализуют через воздушное пространство, при этом горелку помещают в центре камеры.

Проведение процесса

Охлаждение стали

При нормализации деталь подвергается нагреванию до определенной температуры, некоторое время оставляют в ней и затем охлаждают. Какие показатели будут использоваться для нагрева, зависит от марки стали.

Значимую роль в нормализации металла играет его правильное охлаждение

При этом интенсивность играет немаловажное значение. Быстрое охлаждение приводит к увеличению прочности и твердости металла, тогда как при медленном, он теряет эти характеристики.

Правильно проведенная нормализация металла изменяет микроструктуру стальных сплавов.

Длительность

Время выдержки зависит от толщины детали. Так было установлено, что для получения однородной структуры пластины в 25 мм потребуется 1 час.

Нюансы и этапы нормализации

Термообработка металла Есть несколько разновидностей термической обработки, но нормализацию используют чаще, так как она имеет гораздо больше преимуществ по сравнению с другими.

Оборудование и материалы

Для нормализации металла используют специальные печи для отжига и закалки. Иногда применяют установки с газовым нагревом. Такие системы имеют следующую комплектацию:

• герметичная камера, в которой находятся заготовки;
• нагревательные элементы (горелки) прямого или косвенного нагрева, предназначенные для повышения температуры в установке;
• запорно-регулирующие устройства;
• модули управления мощностью – импульсные, пропорциональные или комбинированные;
• термоизоляционная защита.

Нагревательная система в агрегатах с косвенным методом нагрева может быть устроена по разным принципам. В газовых печах нагрев чаще всего реализуют через воздушное пространство, при этом горелку помещают в центре камеры.

Проведение процесса

Охлаждение стали При нормализации деталь подвергается нагреванию до определенной температуры, некоторое время оставляют в ней и затем охлаждают. Какие показатели будут использоваться для нагрева, зависит от марки стали.

Значимую роль в нормализации металла играет его правильное охлаждение

При этом интенсивность играет немаловажное значение. Быстрое охлаждение приводит к увеличению прочности и твердости металла, тогда как при медленном, он теряет эти характеристики

Правильно проведенная нормализация металла изменяет микроструктуру стальных сплавов.

Длительность

Время выдержки зависит от толщины детали. Так было установлено, что для получения однородной структуры пластины в 25 мм потребуется 1 час.

Цели и назначение нормализации

Нормализация имеет несколько назначений – нельзя рассматривать ее только как способ увеличить твердость стали. В некоторых случаях с помощью этого процесса добиваются обратного эффекта по твердости, а также могут снижать прочность и ударную вязкость металла

Здесь важно понимать, что любая сталь имеет механическую и термическую историю

Основной целью нормализации является достижение эффекта нивелирования напряжений, которые возникли в структуре материала по тем или иным причинам. В результате сталь легче обрабатывать разными способами, и она получает дополнительные характеристики в результате обработки.

Стальные предметы, которые были получены методом давления, после проведения прокатки и ковки подвергают нормализации с целью уменьшить полосчатость и разнозернистость структуры соответственно.

Когда процесс нормализации проводят одновременно с отпуском металла, это является альтернативой обработке путем закалки для тех изделий, которые имеют форму сложной конфигурации либо в них имеются перепады по сечению резкого характера. В этом случае удается уйти от возможной деформации детали.

Еще одно свойство нормализации: она позволяет переводить крупнозернистую структуру металла в более мелкое состояние. Такая обработка улучшает способность к закалке, обработке при помощи резания, позволяет удалять сетку так называемого вторичного цемента в стали заэвтектоидной. Все это способствует подготовке изделия к термической обработке последнего этапа технологического процесса.

Разновидности термической обработки металлов

Для достижения различных структур металла используются различные методики проведения термообработки.

Основными видами термической обработки являются:

• Отжиг;
• Закалка;
• Нормализация;
• Отпуск;
• Криогенная обработка.

Для того чтобы получить равновесную структуру стали, используют такой вид термообработки металлов, как отжиг 1-го рода. Сюда можно отнести такие подвиды термообработки металлов, как гомогенизация, рекристаллизация и снятие напряжений. Этот отжиг не влияет на внешние превращения, а лишь делает структуру металла равномерной и правильной.

Отжиг 2-го рода способен влиять на внешние превращения, к нему можно отнести нормализацию, полный и неполный отжиг. С помощью данного способа можно упрочнить металл в несколько раз.

Закалка металла

Закалка металла – это термическая обработка металлов, при которой заготовку охлаждают с высокой скоростью. Благодаря этому получается неравновесная структура.

Суть метода заключается в том, что после нагрева выше отметки критической температуры стали, она выдерживается в этом же диапазоне, после чего следует быстрое охлаждение сплава. В результате – неравновесная структура и упрочненный материал.

Отличие отжига и закалки состоит в скорости охлаждения металла после нагрева до критических температур.

Однако во избежание получения неравновесных структур после закалки используется отпуск. Отпуск – это еще один вид термообработки, при котором уменьшаются или снимаются внутренние остаточные напряжения в стали. Такой метод позволяет получить материал с прекрасными показателями вязкости, с его помощью уменьшают твердость и хрупкость металла.

Нормализация представляет собой тот же отжиг, но с небольшим нюансом. Если после отжига изделие остывает медленно в печи, то при нормализации изделие извлекают из печи, и оно охлаждается уже на воздухе.

Криогенная обработка проводится при охлаждении материала до отметок самых низких температур, так называемых сверхнизких показателей. Точкой отсчета сверхнизких температур считается отметка в -153 градуса.

Для чего нужна термическая обработка?

в условиях быстрого износа

И поэтому эксплуатация любых металлоизделий напрямую зависит от износостойкости, прочности, термо- и коррозионной стойкости элементов из которых они состоят.

Для того чтобы повысить все эти характеристики необходимо правильно подобрать материал для деталей, усовершенствовать их конструкцию, устранить неточности сборки, улучшить методы горячей и холодной обработки.

Таким высоким требованиям редко отвечают материалы в состоянии поставки. Основная часть доставляемых конструкционных элементов нуждается в стабилизации эксплуатационных свойств, чтобы они не изменялись с течением времени. И чтобы повысить механические и физико-химические свойства металлических материалов, применяют термическую обработку. Это последовательность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлов и сплавов.

Её проводят для изменения структуры и свойств металлов и сплавов в направлении, которое было задано. Термообработка применяется для изменения структуры фазового состава и перераспределения компонентов, размера и формы кристаллических зёрен, видов дефектов, их количества и распределения. И это все позволяет достаточно легко получить требуемое свойство материала.

Обязательно надо помнить, что свойства металла и сплавов зависит не только от не только от структуры, но и от химического состава, который образуется во время металлургического и литейного процесса.

Задачей термической обработки является ликвидация внутреннего напряжения в металле и сплаве, улучшение механических и эксплуатационных свойств и другое.

Термической обработке подвергается сталь, чугун, сплав на основе цветных металлов.

Нужно знать, что материалам с одним химическим составом при проведении различных режимов термообработки можно получить несколько совершенно разных структур, которые будут обладать абсолютно разными свойствами. При улучшении механических свойств с помощью термической обработки можно использовать сплавы более простого состава. Допускаемые напряжения, уменьшение массы деталей и механизмов, повышение их надёжности и долговечности также можно достичь с помощью термической обработки.

При малых затратах на термообработку результат её может оказывать огромное влияние на трудоёмкость и стоимость работ на смежных участках производства. Многие производители не проводят термическую обработку изделий, тем самым сокращают весь технологический процесс при изготовлении изделий. Иногда это оправдано, а иногда — нет.

Всегда нужно не только тщательно продумывать весь процесс объёмной и местной термообработки, но и строго соблюдать их режимы, чтобы добиться оптимальных структур и высокого уровня физико-механических и эксплуатационных свойств в изделиях для обеспечения их надёжной и длительной работы.

https://youtube.com/watch?v=bnkTUowNHkM