Термическая обработка

Термическая обработка (далее Т) металлов, процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие может сочетаться также с деформационным, и др.

Историческая справка. Человек использует Т металлов с древнейших времен. Еще в эпоху энеолита, применяя холодную ковку самородных и меди, первобытный человек столкнулся с явлением наклепа, которое затрудняло изготовление изделий с тонкими лезвиями и острыми наконечниками, и для восстановления пластичности кузнец должен был нагревать холоднокованую в очаге. Наиболее ранние свидетельства о применении смягчающего отжига наклепанного металла относятся к концу 5-го тысячелетия до н. э. Такой отжиг по времени появления был первой операцией Т металлов. При изготовлении оружия и орудий труда из полученного с использованием сыродутного процесса, кузнец нагревал заготовку для горячей ковки в древесноугольном горне. При этом науглероживалось, то есть происходила цементация — одна из разновидностей химико-термической обработки. Охлаждая кованое изделие из науглероженного в воде, кузнец обнаружил резкое повышение его твердости и улучшение др. свойств. Закалка в воде науглероженного применялась с конца 2 — начала 1-го тысячелетия до н. э. В "Одиссее" Гомера (8—7 вв. до н. э.) есть такие строки: "Как погружает кузнец раскаленный топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем — крепче бывает, в огне и воде закаляясь". В 5 в. до н. э. этруски закаливали в воде зеркала из высокооловянной бронзы (скорее всего для улучшения блеска при полировке). Цементацию в древесном угле или органическом веществе, закалку и отпуск стали широко применяли в средние века в производстве ножей, мечей, напильников и др. инструментов. Не зная сущности внутренних превращений в металле, средневековые мастера часто приписывали получение высоких свойств при Т металлов проявлению сверхъестественных сил. До середины 19 в. знания человека о Т металлов представляли собой совокупность рецептов, выработанных на основе многовекового опыта. Потребности развития техники, и в первую очередь развития сталепушечного производства. обусловили превращение Т металлов из искусства в науку. В середине 19 в., когда армия стремилась заменить бронзовые и чугунные пушки более мощными стальными, чрезвычайно острой была проблема изготовления орудийных стволов высокой и гарантированной прочности. Несмотря на то что металлурги знали рецепты выплавки и литья стали, орудийные стволы очень часто разрывались без видимых причин. Д. К. Чернов на Обуховском сталелитейном заводе в Петербурге, изучая под микроскопом протравленные шлифы, приготовленные из дул орудий, и наблюдая под лупой строение изломов в месте разрыва, сделал вывод, что сталь тем прочнее, чем мельче ее структура. В 1868 Чернов открыл внутренние структурные превращения в охлаждающейся стали, происходящие при определенных температурах. которые он назвал критическими точками а и b. Если сталь нагревать до температур ниже точки а, то ее невозможно закалить, а для получения мелкозернистой структуры сталь следует нагревать до температур выше точки b. Открытие Черновым критических точек структурных превращений в стали позволило научно обоснованно выбирать режим Т для получения необходимых свойств стальных изделий.

В 1906 А. Вильм ( на изобретенном им дуралюмине открыл старение после закалки (см. Старение металлов) — важнейший способ упрочения сплавов на разной основе ( и др.). В 30-е гг. 20 в. появилась термомеханическая обработка стареющих сплавов, а в 50-е — термомеханическая обработка сталей, позволившая значительно повысить прочность изделий. К комбинированным видам Т относится термомагнитная обработка, позволяющая в результате охлаждения изделий в поле улучшать их некоторые свойства (см. Магнитно-мягкие материалы, Магнитно-твердые материалы).

Итогом многочисленных исследований изменений структуры и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии явилась стройная теория Т металлов.

Классификация видов Т основывается на том, какого типа структурные изменения в металле происходят при тепловом воздействии. Т металлов подразделяется на собственно термическую, заключающуюся только в тепловом воздействии на металл, химико-термическую, сочетающую тепловое и воздействия, и термомеханическую, сочетающую тепловое воздействие и пластическую деформацию. Собственно термическая обработка включает следующие виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку без полиморфного превращения и с полиморфным превращением, старение и отпуск.

Отжиг 1-го рода (гомогенизационный, рекристаллизационный и для уменьшения остаточных напряжений) частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния структуры, возникшие при литье, обработке давлением, сварке и др. технологических процессах. Процессы, устраняющие отклонения от равновесного состояния, идут самопроизвольно, и нагрев при отжиге 1-го рода проводят лишь для их ускорения. Основные параметры такого отжига — температура нагрева и время выдержки. В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают разновидности отжига 1-го рода. Гомогенизационный отжиг (см. Гомогенизация) предназначен для устранения последствий дендритной ликвации, в результате которой после внутри твердого раствора состав оказывается неоднородным и, кроме того, может появляться неравновесная фаза, например соединение, охрупчивающее сплав. При гомогенизационном отжиге диффузия приводит к растворению неравновесных избыточных фаз, в результате чего сплав становится более гомогенным (однородным). После такого отжига повышаются пластичность и стойкость против коррозии. Рекристаллизационный отжиг устраняет отклонения в структуре от равновесного состояния, возникающие при пластической деформации. При обработке давлением, особенно холодной, металл наклепывается — его прочность возрастает, а пластичность снижается из-за повышения плотности дислокаций в При нагреве наклепанного металла выше некоторой температуры развивается первичная и затем собирательная рекристаллизация, при которой плотность дислокаций резко снижается. В результате металл разупрочняется и становится пластичнее. Такой отжиг используют для улучшения обрабатываемости давлением и придания металлу необходимого сочетания твердости, прочности и пластичности. Как правило, при рекристаллизационном отжиге стремятся получить бестекстурный материал, в котором отсутствует анизотропия свойств. В производстве листов из трансформаторной стали рекристаллизационный отжиг применяют для получения желательной текстуры металла, возникающей при рекристаллизации. Отжиг, уменьшающий напряжения, применяют к изделиям, в которых при обработке давлением, литье, сварке, термообработке и др. технологических процессах возникли недопустимо большие остаточные напряжения, взаимно уравновешивающиеся внутри тела без участия внешних нагрузок. Остаточные напряжения могут вызвать искажение формы и размеров изделия во время его обработки, эксплуатации или хранения на складе. При нагревании изделия предел текучести снижается и, когда он становится меньше остаточных напряжений, происходит быстрая их разрядка путем пластического течения в разных слоях металла.

Отжиг 2-го рода применим только к тем металлам и сплавам, в которых при изменении температуры протекают фазовые превращения. При отжиге 2-го рода происходят качественные или только количественные изменения фазового состава (типа и объемного содержания фаз) при нагреве и обратные изменения при охлаждении. Основные параметры такого отжига — температура нагрева, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения. температуру и время отжига выбирают так, чтобы обеспечить необходимые фазовые изменения, например полиморфное превращение (см. Полиморфизм) или растворение избыточной фазы. При этом обычно следят за тем, чтобы не выросло крупное зерно фазы, стабильной при температуре отжига. Скорость охлаждения должна быть достаточно мала, чтобы при понижении температуры успели пройти обратные фазовые превращения, в основе которых лежит диффузия. При отжиге 2-го рода изделия охлаждают вместе с печью или на воздухе. В последнем случае процесс называется нормализацией. Отжиг 2-го рода применяют чаще всего к стали для общего измельчения структуры, смягчения и улучшения обрабатываемости резанием.

Закалка без полиморфного превращения применима к любым сплавам, в которых при нагревании избыточная фаза полностью или частично растворяется в основной фазе. Важнейшие параметры процесса — температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Скорость охлаждения должна быть настолько большой, чтобы избыточная фаза не успела выделиться (процесс выделения фазы обеспечивается диффузионным перераспределением компонентов в твердом растворе). Это условие выполняется, если дуралюмин и сплавы закаливают в воде; же сплавы и некоторые аустенитные стали можно закаливать с охлаждением на воздухе. В результате закалки образуется пересыщенный твердый раствор. Закалка без полиморфного превращения может как упрочнять, так и разупрочнять сплав (в зависимости от фазового состава и особенностей структуры в исходном и закаленном состояниях). сплавы с (см. Магналии) закаливают для повышения прочности; у бериллиевой бронзы же после закалки прочность оказывается ниже, а пластичность выше, чем после отжига, и закалку этой бронзы можно использовать для повышения пластичности перед холодной деформацией. Основное назначение закалки без полиморфного превращения — подготовка сплава к старению (см. ниже).

Закалка с полиморфным превращением применима к любым металлам и сплавам, в которых при охлаждении перестраивается кристаллическая решетка. Основные параметры процесса — температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Нагрев производят до температуры выше критической точки, чтобы образовалась высокотемпературная фаза. Охлаждение должно идти с такой скоростью, чтобы не происходило "нормального" диффузионного превращения и перестройка решетки протекала по механизму бездиффузионного мартенситного превращения. При закалке с полиморфным превращением образуется мартенсит, и поэтому такую термообработку называют закалкой на мартенсит. стали закаливают на мартенсит в воде, а многие легированные, в которых диффузионные процессы протекают замедленно, можно закаливать на мартенсит с охлаждением в масле и даже на воздухе. Основная цель закалки на мартенсит — повышение твердости и прочности, а также подготовка к отпуску. Сильное упрочнение сталей при закалке на мартенсит обусловлено образованием пересыщенного раствора внедрения на базе a- появлением большего числа двойниковых прослоек и повышением плотности дислокаций при мартенситном превращении, закреплением дислокаций и дисперсными частицами карбида, которые могут выделяться на дислокациях в местах сегрегации стали при закалке на мартенсит резко охрупчиваются. Основная причина этого — малая подвижность дислокаций в мартенсите. Безуглеродистые сплавы после закалки на мартенсит остаются пластичными.

Старение применимо к сплавам, которые были подвергнуты закалке без полиморфного превращения. Пересыщенный твердый раствор в таких сплавах термодинамически неустойчив и склонен к самопроизвольному распаду. Старение заключается в образовании путем диффузии внутри зерен твердого раствора участков, обогащенных растворенным элементом (зон Гинье — Престона) и (или) дисперсных частиц избыточных фаз, чаще всего соединений. Эти зоны и дисперсные частицы выделившихся фаз тормозят скольжение дислокаций, чем и обусловлено упрочнение при старении. Стареющие сплавы называют поэтому дисперсионно-твердеющими. Основные параметры старения — температура и время выдержки. С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы распада пересыщенного твердого раствора, и сплав быстрее упрочняется. Начиная с определенной выдержки, при достаточно высокой температуре происходит перестаривание — снижение прочности сплава. Причиной перестаривания является коагуляция дисперсных выделений из раствора, которая заключается в растворении более мелких и росте более крупных частиц выделившейся фазы. В результате коагуляции расстояние между этими частицами возрастает и торможение дислокаций в зернах твердого раствора уменьшается. Одни сплавы, например дуралюмины, после закалки сильно упрочняются уже во время выдержки при комнатной температуре (естественное старение). Большинство сплавов после закалки нагревают, чтобы ускорить процессы распада пересыщенного твердого раствора (искусств. старение). Иногда проводят ступенчатое старение с выдержкой вначале при одной, а затем при другой температуре. Старение применяют главным образом для повышения прочности и твердости конструкционных материалов ( сплавов и некоторых легированных сталей), а также для повышения коэрцитивной силы материалов. Время выдержки для достижения заданных свойств в зависимости от состава сплава и температуры старения колеблется от десятков мин до нескольких сут.

Отпуску подвергают сплавы, главным образом стали, закаленные на мартенсит. Основные параметры процесса — температура нагрева и время выдержки, а в некоторых случаях и скорость охлаждения (для предотвращения отпускной хрупкости). В сталях мартенсит является пересыщенным раствором, и сущность структурных изменений при отпуске та же, что и при старении, — распад термодинамически неустойчивого пересыщенного раствора. Отличие отпуска от старения связано прежде всего с особенностями субструктуры мартенсита, а также с поведением в мартенсите закаленной стали. Для мартенсита характерно большое число дефектов строения (дислокаций и др.). быстро диффундируют в решетке мартенсита и образуют на дислокациях сегрегации, а возможно и дисперсные частицы карбида сразу после закалки или даже в период закалочного охлаждения. В результате закаленная сталь оказывается в состоянии максимального дисперсного твердения или в близком к нему состоянии. Поэтому при выделении из мартенсита дисперсных частиц карбида во время отпуска прочность и твердость стали или вообще не повышаются, или достигается лишь незначительное упрочнение. Уменьшение же концентрации в мартенсите при выделении из него карбида является причиной разупрочнения мартенсита. В итоге отпуск сталей, как правило, приводит к снижению твердости и прочности с одновременным ростом пластичности и ударной вязкости. Отпуск безуглеродистых сплавов, закаленных на мартенсит, может приводить к сильному дисперсионному твердению из-за выделения из пересыщенного раствора дисперсных частиц интерметаллических соединений. Причина упрочнения при этом та же, что и при старении. Термины "отпуск" и "старение" часто используют как синонимы.

Т, вызывая разнообразные по природе структурные изменения, позволяет управлять строением металлов и сплавов и получать изделия с требуемым комплексом механических, физических и свойств. Благодаря этому, а также простоте и дешевизне оборудования Т является самым распространенным в промышленности способом изменения свойств металлических материалов.

На металлургических заводах применяют гомогенизационный отжиг слитков для повышения их пластичности перед обработкой давлением, рекристаллизационный отжиг листов, лент, труб и проволоки для снятия наклепа между операциями холодной обработки давлением и после нее, закалку, отпуск, старение и термомеханическую обработку для упрочнения проката и прессованных изделий. На машиностроительных заводах отжигают поковки и др. заготовки для уменьшения твердости и улучшения обрабатываемости резанием, применяют закалку, отпуск, старение и химико-термическую обработку разнообразных деталей машин, а также инструмента для повышения их прочности, твердости, ударной вязкости, сопротивления усталости и износу и отжигают изделия для уменьшения остаточных напряжений. В приборостроении, электротехнической и радиотехнической промышленности с помощью отжига, закалки, отпуска и старения изменяют механические, электрические, и др. физические свойства металлов и сплавов.

О величине изменения механических свойств при Т металлов дают представление следующие примеры. Рекристаллизационный отжиг холоднокатаной меди снижает предел прочности с 400 до 220 Мн/м² (с 40 до 22 кгс/мм²). одновременно повышая относительное удлинение с 3 до 50%. Отожженная сталь У8 имеет твердость 180 НВ; закалка повышает твердость этой стали до 650 НВ. Сталь 38 ХМЮА после закалки имеет твердость 470 , а после твердость поверхностного слоя достигает 1200 . Предел прочности дуралюмина Д16 после отжига, закалки и естественного старения равен соответственно 200, 300 и 450 Мн/м² (20, 30 и 45 кгс/мм²). У бериллиевой бронзы Бр. Б2 предел упругости s_0,002 после закалки равен 120 Мн/м² (12 кгс/мм²), а после старения 680 Мн/м² (68 кгс/мм²).

Лит.: Бочвар А. А., Основы термической обработки сплавов, 5 изд., М.— Л., 1940; Гуляев А. П., Т стали, 2 изд., М., 1960; Металловедение и термическая обоаботка стали. Справочник, под ред. М. Л. Бернштейна и А. Г. Рахштадта. 2 изд., т. 1—2, М., 1961—62; Новиков И. И., Теория термической обработки металлов, М., 1974.

И. И. Новиков.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.