Главная | Обратная связь

Виды собственно термической обработки

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 предназначен для устранения последствий дендритной ликвации, в результате которой после кристаллизации внутри кристаллитов твёрдого раствора химический состав оказывается неоднородным и, кроме того, может появляться неравновесная фаза, например химическое соединение, приводящая к охрупчиванию сплава. При гомогенизационном отжиге диффузия приводит к растворению неравновесных избыточных фаз, в результате чего сплав становится более 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 наклёпывается — его прочность возрастает, а пластичность снижается из-за повышения плотности дислокаций в кристаллитах. При нагреве наклёпанного 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 твёрдости, прочности и пластичности. Как правило, при рекристаллизационном отжиге стремятся получить безтекстурный 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 путём 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 объёмного 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 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 твёрдом растворе). Это условие выполняется, если дуралюмин и медные сплавы закаливают в воде; магниевые же сплавы и некоторые аустенитные стали можно закаливать с охлаждением на воздухе. В результате закалки образуется пересыщенный твёрдый раствор. Закалка без полиморфного превращения может, как упрочнять, так и разупрочнять сплав (в зависимости от фазового состава и особенностей структуры в исходном и закалённом состояниях). Алюминиевые сплавы с магнием 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.

Закалка с полиморфным превращением применима к любым металлам и сплавам, в которых при охлаждении перестраивается кристаллическая решётка. 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 решётки протекала по механизму бездиффузионного мартенситного превращения. При закалке с полиморфным превращением образуется мартенсит, и поэтому такую термообработку называют закалкой на мартенсит. Углеродистые 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 твёрдости и прочности, а также подготовка к отпуску. Сильное упрочнение сталей при закалке на мартенсит обусловлено образованием пересыщенного углеродом раствора внедрения на базе a-железа, появлением большего числа двойниковых прослоек и повышением плотности дислокаций при мартенситном превращении, закреплением дислокаций атомами углерода и дисперсными частицами карбида, которые могут выделяться на дислокациях в местах сегрегации углерода. Углеродистые стали при закалке на мартенсит резко охрупчиваются. Основная причина этого — малая подвижность дислокаций в мартенсите. Безуглеродистые железные сплавы после закалки на мартенсит остаются пластичными.

Отпуск металлов, вид термической обработки, заключающийся в нагреве закалённого сплава до температуры ниже нижней критической точки, выдержке и последующем охлаждении. Термин «отпуск» применяют главным образом к сталям. Процессы распада зафиксированного закалкой состояния других сплавов чаще называют старением. Основное назначение отпуска — достижение необходимых свойств стали, в особенности оптимального сочетания прочности, пластичности и ударной вязкости. С повышением температуры свойства стали изменяются постепенно, однако наблюдаются сравнительно узкие интервалы температур резкого их изменения. В соответствии с этими интервалами различают первое (100—150°С), второе (250—300°С) и третье (325—400°С) превращения. При первом происходит уменьшение, при втором — увеличение, при третьем — значительное уменьшение объёма металла.

Первое и третье превращения связаны с распадом мартенсита, а второе — остаточного аустенита. Распад мартенсита в процессе О. при 100—150°С имеет двухфазный характер; наряду с твёрдым раствором исходной концентрации появляется раствор, содержащий 0,25—0,3% углерода. При отпуске в интервале температур до 200—300°С из твёрдого раствора выделяется низкотемпературный карбид железа, а при более высоких температурах — цементит. Традиционная классификация превращений при отпуске имеет относительную ценность. В низкоуглеродистых сталях (до 0,2% углерода) отсутствует первое превращение. Легирование Cr, Mo, W, V, Со, Si сдвигает второе превращение при отпуске к более высоким температурам. В сталях, легированных Mo, W, V, при отпуске в интервале температур 450—550°С наблюдается выделение частиц карбидов этих элементов в дисперсной форме, что вызывает так называемое вторичное твердение. В конечном счете, высокий отпуск приводит к превращению структуры стали в феррито-карбидную смесь.

Процессы, происходящие в закалённой стали при вылёживании и нагреве, на основании современных экспериментальных данных представляются следующим образом: перераспределение атомов углерода в мартенсите — сток некоторой части атомов углерода к дислокациям и к границам мартенситных кристаллов, перемещения их в порах кристаллической решётки; распад мартенсита с образованием выделений той или иной карбидной фазы в зависимости от температуры отпуска, легирования, реальной структуры кристаллов мартенсита; релаксация внутренних микронапряжений в результате микропластической деформации; превращения остаточного аустенита в зависимости от легирования и температурного интервала — бейнитное и перлитное; превращение остаточного аустенита при охлаждении после отпуска (вторичная закалка).

С повышением температуры отпуска твёрдость и прочность понижаются, пластичность и ударная вязкость повышаются; понижается критическая температура хладноломкости (Т_кр). При отпуске до 300°С повышается сопротивление малым пластическим деформациям. При отпуске в интервалах температур 300—400°С и 500—600°С, особенно в легированных сталях, наблюдается падение ударной вязкости и повышение Т_кр — явления необратимой и обратимой отпускной хрупкости. Быстрое охлаждение после отпуска при 600—650°С и легирование Mo, W подавляют обратимую хрупкость. Низкий отпуск (120—250°С) главным образом уменьшает склонность к хрупкому разрушению и используется при термообработке инструментальных, цементуемых и высокопрочных конструкционных сталей, отпуск при 300—400°С применяется при термообработке пружин и рессор, высокий отпуск (450—650°С) — при термообработке деталей машин, испытывающих динамические и вибрационные нагрузки.

Отпуску подвергают сплавы, главным образом стали, закалённые 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 углерода в мартенсите закалённой стали. Для мартенсита характерно большое число дефектов кристаллического строения (дислокаций и др.). Атомы углерода быстро диффундируют в решётке мартенсита и образуют на дислокациях сегрегации, а возможно и дисперсные частицы карбида сразу после закалки или даже в период закалочного охлаждения. В результате закалённая 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 твёрдость стали или вообще не повышаются, или достигается лишь незначительное упрочнение. Уменьшение же концентрации углерода в мартенсите при выделении из него карбида является причиной разупрочнения мартенсита. В итоге отпуск сталей, как правило, приводит к снижению твёрдости и прочности с одновременным ростом пластичности и ударной вязкости. Отпуск безуглеродистых железных сплавов, закалённых 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.

Старение металлов, изменение механических, физических и химических свойств металлов и сплавов, обусловленное термодинамической неравновесностью исходного состояния и постепенным приближением структуры к равновесному состоянию в условиях достаточной диффузной подвижности атомов. При быстром охлаждении от высоких температур (при закалке или после кристаллизации и горячей пластической деформации) металлы и сплавы полностью или частично сохраняют атомную структуру, характерную для высокотемпературного состояния. В чистых металлах неравномерность этой структуры состоит в избыточной (для низких температур) концентрации вакансий и наличии др. дефектов кристаллической структуры. В сплавах неравновесность структуры может быть связана с сохранением фаз, неустойчивых при низких температурах. Наиболее важно старение сплавов, обусловленное процессами распада пересыщенного твёрдого раствора. Состояние пересыщения твёрдого раствора возникает после охлаждения сплавов от высоких температур, поскольку обычно с повышением температуры растворимость примесей (или специально вводимых легирующих элементов) растет.

Имеется большое число сплавов, для которых старение проводится как специальная операция термической обработки и обеспечивает получение комплекса важных механических или физических свойств. Старение, или «дисперсионное твердение», — основной способ упрочняющей термическую обработки сплавов на основе Al, Mg, Cu, Ni. Кроме высокой прочности, стареющие сплавы могут приобретать и др. ценные свойства, например высокую коэрцитивную силу.

При достаточно большой степени пересыщения твёрдый раствор оказывается полностью нестабильным и его расслоение идёт во всей массе материала с образованием сначала неоднородного твёрдого раствора с непрерывно меняющимся составом, а затем периодически расположенных частиц с чёткими границами раздела. Распад такого типа называется спинодальным и наблюдается в ряде технически важных сплавов (сплавы для постоянных магнитов типа кунифе). Более общим для стареющих сплавов является метастабильное состояние твёрдого раствора, распад которого должен идти путём образования и роста зародышей новой фазы, а процесс зарождения требует преодоления энергетического барьера. Этот барьер оказывается существенно пониженным при образовании когерентных частиц, т. е. частиц, у которых кристаллическая решётка упруго сопряжена с решёткой исходного твёрдого раствора. При сравнительно низких температурах распад твёрдых растворов часто останавливается на стадии образования зон дисперсных областей, обогащенных избыточным компонентом и сохраняющих кристаллическую структуру исходного раствора. Образование зон характерно для т. н. естественного старения, которое протекает при комнатных температурах в случае сплавов на основе Al, а также низкоуглеродистой стали или технического железа, где имеется твёрдый раствор (феррит), пересыщенный углеродом или азотом. В некоторых случаях зоны можно рассматривать как зародыши фазы выделения.

Понятию «естественное старение» противопоставляется «искусственное старение», которое в случае алюминиевых сплавов (исторически первых материалов, упрочняемых старением) проводилось при повышенных температурах (выше 100°С); в современной литературе вместо этих терминов чаще используются термины «низкотемпературное старение» и «высокотемпературное старение». В связи с различиями процесса распада в разных температурных интервалах для некоторых сплавов оптимальный комплекс свойств достигается после сложного старения в определенной последовательности при низкой и при более высокой температурах.

Различают 2 основных механизма распада пересыщенного твёрдого раствора:

– непрерывный, который идёт путём образования и роста отдельных зародышей — частиц фазы, содержащей избыточный компонент твёрдого раствора,

– и прерывистый (или ячеистый), при котором возникают и растут ячейки или колонии, состоящие обычно из равновесных фаз — новой фазы, обогащенной избыточным компонентом, и обеднённого (равновесного) твёрдого раствора. В первом случае частицы образуются по всему объёму и их рост сопровождается постепенным и непрерывным обеднением матричного твёрдого раствора. Во втором случае происходит движение границы раздела колония — непревращённая область твёрдого раствора. Колонии имеют обычно пластинчатое строение, зарождаются на границе зерна, и их движущийся фронт представляет собой подвижную высокоугловую границу с зерном исходного твёрдого раствора.

При распаде твёрдых растворов в условиях высокой концентрации дефектов кристаллического строения (дислокаций и др.), которые создаются предварит. сильной холодной деформацией, получают особенно высокие значения прочности. Процессы распада твёрдых растворов могут приводить и к нежелательным изменениям свойств сплавов, например к ухудшению пластичности и охрупчиванию низкоуглеродистой котельной стали, к увеличению коэрцитивной силы и потерь на перемагничивание электротехнического железа. Некоторые сплавы склонны к т. н. «деформационному старению». Сравнительно слабая холодная пластическая деформация, сама по себе не очень сильно меняющая свойства материала, существенно ускоряет процессы размежевания компонентов твёрдого раствора, которые приводят к образованию сегрегатов (а затем выделений) возле дислокаций. Этот суммарный эффект деформации и старения («деформационное старение») резко ухудшает вязкость и пластичность сплавов, что особенно нежелательно для материалов, подвергаемых глубокой штамповке (например, листовая сталь для автомобилестроения). Специальным легированием и термической обработкой можно существенно снизить вредные эффекты старения.

Старение применимо к сплавам, которые были подвергнуты закалке без полиморфного превращения. Пересыщенный твёрдый раствор в таких сплавах термодинамически неустойчив и склонен к самопроизвольному распаду. Старение заключается в образовании путём диффузии внутри зерен твердого раствора участков, обогащенных растворённым элементом и (или) дисперсных частиц избыточных фаз, чаще всего химических соединений. Эти зоны и дисперсные частицы выделившихся фаз тормозят скольжение дислокаций, чем и обусловлено упрочнение при старении. Поэтому стареющие сплавы называют дисперсионно-твердеющими. Основные параметры старения — температура и время выдержки. С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы распада пересыщенного твёрдого раствора, и сплав быстрее упрочняется. Начиная с определённой 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 зёрнах твёрдого 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 твёрдого раствора (искусственное старение). Иногда проводят ступенчатое старение с выдержкой вначале при одной, а затем при другой температуре. Старение применяют главным образом для повышения прочности и твёрдости конструкционных материалов (алюминиевых, магниевых, медных, никелевых сплавов и некоторых легированных сталей), а также для повышения коэрцитивной силы магнитно-твёрдых материалов. Время выдержки для достижения заданных свойств в зависимости от состава сплава и температуры старения колеблется от десятков минут до нескольких суток.