4.8.2. Термическая обработка

Термическая обработка — обработка, заключающаяся в изме­нении структуры и свойств материала заготовки вследствие тепловых воздействий.

Основные параметры термической обработки — температура нагрева, скорость нагрева, продолжительность выдержки при темпе­ратуре нагрева и скорость охлаждения.

Выбор температуры нагрева сплава при конкретном виде тер­мической обработки определяется температурами фазовых превра­щений (например, критическими температурами на соответствующей диаграмме состояния). Температура нагрева, чтобы не допустить оп­лавления, не должна превышать температуру плавления (линию солидус на диаграмме состояния).

Поскольку при нагреве и охлаждении сплавов с реальными скоростя­ми фазовые превращения в твердом состоянии протекают со значительным тепловым гистерезисом, следует отличать критические температуры при нагреве сплава от аналогичных температур при его охлаждении. Скорость нагрева выбирается в зависимости от ряда факторов: теплопроводности материала, формы и размеров изделий, общей массы нагреваемых изделий, характера их расположения в печи и не­которых других.

Продолжительность выдержки при заданной температуре на­грева определяется скоростью фазовых превращений. Выдержка не­обходима для полного завершения фазовых превращений и выравни­вания температуры по всему объему изделия.

Скорость охлаждения выбирается в зависимости от степени ус­тойчивости фиксируемой фазы при данном химическом составе, а также от требуемых структуры и свойств.

Основными видами термической обработки являются отжиг, закалка, отпуск и искусственное старение. Разновидности термиче­ской обработки − термомагнитная и электротермическая обработ­ки, обработка холодом и др.

Термомагнитная обработка − разновидность термической обработки, позволяющая улучшить некоторые магнитные свойства материалов в ре­зультате охлаждения изделий из них в магнитном поле.

Электротермическая обработка − разновидность термической обра­ботки материалов с использованием электрического нагрева (индукцион­ного, контактного и др.). Позволяет использовать большие скорости на­грева, а также нагревать отдельные участки изделия либо только его по­верхностный слой.

Термической обработке для перевода изделий в более стабильное состояние после механической обработки подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, а также сварные соединения, детали машин и инструменты.

Упрочнению термической обработкой подвергаются до 8... 10 % , общей выплавки стали в стране. Номенклатура упрочняемых деталей велика − от деталей приборов, разнообразных деталей машин до крупных элементов металлургического, тракторного, энергетическо­го оборудования.

4.8.2.1. Отжиг

Отжиг − термическая обработка материалов (например, металлов, полупроводников, стекол), заключающаяся в нагреве до определен­ной температуры, выдержке и медленном охлаждении (3...200 °С/ч). Цель отжига − улучшение структуры и обрабатываемости материалов, снятие внутренних напряжений и др. Микроструктура материа­лов в результате отжига становится равновесной.

Отжиг для металлов и сплавов в зависимости от температуры на­грева имеет разновидности: возврат и рекристаллизационный отжиг.

Возврат − нагрев деформированных металлов и сплавов ниже температуры их рекристаллизации (~ 0,2 t_пл), выдержка и медленное охлаждение (с печью) для частичного восстановления их структурного совершенства в результате уменьшения плотности дефектов строе­ния, однако без заметных визуально изменений микроструктуры. Возврат обусловлен микроструктурными изменениями внутри каждого зерна. Возврат включает две стадии − отдых и полигонизацию.

Отдых − начальная стадия процесса возврата деформированного металла, протекающая при низкотемпературном (до 0,2 t_пл) на­греве и объединяющая процессы, связанные с диффузионным пере­распределением точечных дефектов (сток к границам зерен и дислокациям) и их частичной аннигиляцией (взаимное уничтожение). При отдыхе также происходит перегруппировка дислокаций без образо­вания новых блоков внутри зерен. Отдых используют для устранения внутри отдельных зерен или в объеме сплава неоднородности химического состава, возникающей чаще всего в процессе кристаллиза­ции, а также для частичной релаксации напряжений.

Полигонизация − стадия процесса возврата деформированного металла, протекающая при нагреве до 0,3...0,4 t_пл, связанная с разде­лением деформированных зерен на полигоны (блоки, субзерна) с ма­лой плотностью дислокаций. Границы полигонов (стенки, субграни­цы) образуются при энергетически выгодном выстраивании дислока­ций в результате их диффузионного движения, а также их частичной аннигиляции (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Схемы полигонизации: а - распределение дислокаций после деформации; б – образование внутризеренных блоков

Полигонизация приводит к дальнейшему снятию упругих ис­кажений (внутренних напряжений) кристаллической решетки и более полному восстановлению физических свойств. Механические свойст­ва при этом изменяются незначительно (происходит снижение проч­ности). Текстура сохраняется, хотя и становится блочной.

Полигонизация после больших деформаций, как правило, яв­ляется начальной стадией рекристаллизации.

Рекристаллизация − процесс зарождения новых кристалличе­ских зерен в поликристалле и их роста за счет имевшихся ранее.

Рекристаллизацию можно представить в виде стадий: первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки), собирательная и вторичная рекристаллизации. Для того чтобы в металле протекала рекристаллизация, необходима его хотя бы минимальная предвари­тельная холодная обработка, обеспечивающая критическую степень деформации.

Первичная рекристаллизация − процесс зарождения и роста новых равноосных зерен при нагреве до полного исчезновения тек­стуры, созданной деформацией. Температура начала первичной рек­ристаллизации (температурный порог рекристаллизации) меняется от 0,1...0,2 t_пл − для чистых металлов до 0,5...0,6 t_пл − для твердых растворов. Зародышами новых зерен являются отдельные энергетически выгодные блоки (центры рекристаллизации).

После исчезновения текстуры в процессе первичной рекри­сталлизации металл приобретает равноосную мелкозернистую структуру. Наклеп практически полностью снимается, и свойства материала приближаются к их исходным значениям. Разупрочнение объясняется снятием искажения кристаллической решетки и резким уменьшением плотности дислокаций. Свойства металлов и сплавов после первичной рекристаллизации близки к свойствам после их от­жига.

Для полного снятия наклепа металлы нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристалли­зации и полноту ее протекания. Такая термическая обработка получила название рекристаллизационного отжига.

Рекристаллизационный отжиг − нагрев деформированных ме­таллов и сплавов до температур более 0,4 t_пл − для технически чистых металлов и 0,5...0,6 t_пл − для сплавов (твердых растворов), выдержка и медленное охлаждение (с печью) для улучшения структуры и обраба­тываемости, снятия внутренних напряжений, управления формой и размерами зерен, текстурой и свойствами металлов. Разновидностью рекристаллизационного отжига является нормализация.

Нормализация (нормализационный отжиг) − вид термической обработки, заключающийся в нагреве деформированных металлов и сплавов до температур выше температурного порога рекристаллиза­ции, выдержке и охлаждении на воздухе для придания металлу однородной мелкозернистой структуры, что обеспечивает повышение пластичности и ударной вязкости.

Собирательная рекристаллизация − процесс роста одних равноосных зерен за счет исчезновения других путем фронтального пе­ремещения граничных зон растущих зерен и поглощения при этом мелких. Собирательная рекристаллизация происходит после завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагре­ва. Структура материала в результате такого процесса характеризу­ется увеличением размеров зерен при уменьшении их числа.

Вторичная рекристаллизация − процесс ускоренного роста отдельных зерен, приводящий структуру материала к разнозернистости. Зерна, растущие с большей скоростью, можно условно рассматривать как зародышевые центры. В результате вторичной рекристаллизации образуется разнозернистая структура, которая представляет собой множество мелких зерен и небольшое число очень крупных. Вторичная рекристаллизация приводит к ухудшению механических свойств.

При вторичной рекристаллизации после высоких степеней предшествующей деформации нередко возникает текстура рекри­сталлизации. Характер текстуры рекристаллизации определяется ви­дом предшествующей обработки давлением (прокатка, волочение и др.), условиями проведения отжига, а также количеством и природой примесей. Текстуру рекристаллизации можно наблюдать в меди, алюминии, железе и других металлах. При образовании текстуры рекристаллизации отожженный поликристаллический металл харак­теризуется анизотропией свойств.

Влияние нагрева при отжиге на микроструктуру деформационно-упрочненного металла и величину механических свойств (пла­стичности, прочности) схематически представлено на рис. 4.23.

Рис. 4.23. Влияние нагрева при отжиге на изменение структуры деформационно-упрочненного материала и величину его механических свойств