Сл.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Сл.2. Под термической обработкой понимают процессы, при которых путем теплового воздействия изменяют структуру металлов и сплавов.

Между структурой и многими свойствами материала существует закономерная связь. Использование термической обработки позволяет в широких пределах изменять механические, физико-химические и технологические свойства металлов и сплавов. В технологическом процессе изготовления деталей машин термическая обработка может быть как промежуточной операцией, которая подготавливает структуру и улучшает технологические свойства для последующих операций, например обработки давлением или резанием, так и окончательной ступенью, когда формируются требуемые структура и комплекс свойств.

Термическая обработка заключается в нагреве до определенной температуры, регламентированной выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Ее основными параметрами являются

температура нагрева,

длительность выдержки,

скорости нагрева и охлаждения.

Термическая обработка может быть весьма сложной и включать несколько циклов нагрева и охлаждения, осуществление нагрева и охлаждения по ступенчатому режиму, охлаждение в область отрицательных температур. Она может выполняться в сочетании с такими воздействиями, как пластическая деформация, насыщение поверхностных слоев изделий некоторыми элементами и т. д.

Сл.3. Классификация видов термической обработки

Вид термической обработки определяется типом фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах, происходящих при тепловом воздействии. В настоящее время наиболее распространенной считается классификация видов термической обработки, схема которой приведена на рис. 1.1. Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, химико-термическую и термомеханическую.

Рис. 1.1. Классификация основных видов термической обработки

Собственно термическая обработка включает следующие основные виды: отжиг первого рода, отжиг второго рода, закалку без полиморфного превращения, закалку с полиморфным превращением, старение и отпуск.

Под отжигом понимают термическую обработку обеспечивающую достижение равновесного состояния или близкого к нему. При отжиге первого рода для этой цели не используются фазовые превращения, хотя они могут протекать во время его осуществления.

При отжиге второго рода используются фазовые превращения, протекающие при нагреве и охлаждении по нормальному диффузионному механизму, для достижения равновесного или близкого к нему состояния.

Закалка– это термическая обработка, при которой получают неравновесные структуры. Такой обработке подвергают сплавы, имеющие фазовые превращения в твердом состоянии. Различают два вида закалки: без полиморфного превращения и с полиморфным превращением.

Закалка без полиморфного превращения– это обработка, при которой быстрым охлаждением фиксируют состояние сплава, характерное для высоких температур. При такой закалке возникает пересыщенный твердый раствор.

При закалке с полиморфным превращением в результате быстрого охлаждения высокотемпературной фазы возникает новая метастабильная структура, отличная от той, которая наблюдается в равновесном состоянии.

Термическая обработка, при которой закаленный сплав подвергают дополнительному нагреву в целях перехода в более стабильное состояние, называется старением, или отпуском. Обычно термин «старение» применяется к сплавам, закалка которых не сопровождается полиморфным превращением и приводит к образованию пересыщенного твердого раствора, а термин «отпуск» – к сплавам, при закалке которых возникает промежуточная метастабильная структура.

Химико-термическая обработка (ХТО) сочетает тепловое воздействие с изменением химического состава поверхностных слоев изделий. Обычно при ХТО происходит насыщение наружной зоны металла одним или несколькими химическими элементами.

Для сталей чаще всего используют насыщение поверхностных слоев изделий углеродом – цементацию, азотом – азотирование или совместно обоими элементами – нитроцементацию и цианирование.

Термомеханическая обработка (ТМО) — это совокупность операций пластической деформации и термической обработки, выполняемых в определенной последовательности. Создавая при пластической деформации повышенную плотность дефектов и определенное их распределение, можно в существенной мере воздействовать на структурообразование при термической обработке и целенаправленно изменять свойства.

Сл.4. Связь термической обработки с диаграммой состояния

Анализ диаграмм состояний позволяет определить, каким видам термической обработки может быть подвергнут сплав, и наметить температурные интервалы ее проведения. Рассмотрим несколько примеров.

При неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии, например сплавы системы Cu – Ni (рис. 1.2, а), любые сплавы этой системы не претерпевают при нагреве фазовых превращений, поэтому кроме отжига первого рода никакие другие виды термической обработки в них не осуществимы. Неограниченная растворимость компонента В в основном металле позволяет проводить химико-термическую обработку.

Рис. 1.2. Диаграммы состояний

В случае ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии (рис. 1.2, б) сплавы, состав которых соответствует участку AF диаграммы, например сплавы системы Al – Cu при малом содержании меди, могут быть подвергнуты лишь отжигу первого рода. Для сплавов, располагающихся правее точки F, характерно изменение растворимости компонента В в основном металле при повышении температуры. Их можно подвергать как отжигу второго рода, так и закалке без полиморфного превращения.

Нагрев сплава состава C₁ до температуры t₁ приводит к образованию однородного α-твердого раствора. При последующем медленном охлаждении ниже линии DF выделяется β-фаза, т. е. реализуется отжиг второго рода. Если сплав быстро охладить, то можно сохранить высокотемпературное состояние при нормальных условиях. Возникнет пересыщенный твердый раствор, так как состав насыщенного твердого раствора соответствует точке F. Следовательно, в таких сплавах осуществима закалка без полиморфного превращения.

Закаленный сплав может быть подвергнут старению. Нагрев проводят до температур, лежащих ниже линии DF. При нагреве из пересыщенного твердого раствора выделяется избыточная β-фаза и сплав переходит в более равновесное состояние.

Сплавы системы с эвтектоидным превращением, например сплавы на основе железа (рис. 1.2, в), могут подвергаться различным видам термической обработки. Если сплавы этой системы нагреть до температур, обеспечивающих получение γ-твердого раствора, то при последующем медленном охлаждении может быть реализован отжиг второго рода, а при быстром – закалка с полиморфным превращением. Возможно и проведение химико-термической обработки, но ее следует осуществлять при температурах, когда основной компонент А находится в γ-модификации и растворимость компонента В в А достаточно велика.

Диаграммы состояний дают информацию о системах, находящихся в равновесных условиях. Используя диаграммы, можно при различных температурах и для разных сплавов найти число фаз, определить их химический состав и количественное соотношение. Но диаграммы состояний не позволяют судить о механизме превращений и их кинетике.

Сл.5. ОТЖИГ ПЕРВОГО РОДА

Отжиг 1-го рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, возникшие при предыдущей обработке, причем его проведение не обусловлено фазовыми превращениями. Обработкой, предшествующей отжигу 1-го рода, могут быть литье, обработка давлением, сварка, термическая обработка и другие технологические процессы.

В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают следующие разновидности отжига 1-го рода:

гомогенизационный,

дорекристаллизационный,

рекристаллизационный и

уменьшающий напряжения отжиг.

Процессы, устраняющие отклонения от равновесного состояния, идут самопроизвольно, и нагрев при отжиге 1-го рода проводят лишь для ускорения этих процессов. Основные параметры отжига 1-го рода – температура нагрева и время выдержки, Скорости нагрева и охлаждения имеют подчиненное значение.