11. Термическая обработка

Цель проведения термообработки заключается в достижении требуемого изменения структуры и служебных свойств металла нагревом до определенной температуры и последующим охлаждением.

Режим термической обработки характеризуется следующими основными параметрами: температура нагрева t_max, т.е. максимальная температура до которой был нагрет металл при термической обработке, время выдержки металла при температуре нагрева _в, скорость нагрева v_нагр. и скорость охлаждения v_охл.

Каждая сталь претерпевает полиморфное превращение, связанное с переходом -Fe (ОЦК) в -Fe (ГЦК) и обратно. Данные превращения происходят в определенном температурном интервале. Нижняя критическая температура обозначается как А₁, а верхняя А₃. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении добавляют букву «с» в первом случае и букву «r» во втором. Таким образом, температуры начала и конца превращений при нагреве обозначаются Ac₁ и Ac₃, а при охлаждении Ar₁ и Ar₃.

11.1. Классификация видов термической обработки.

Для требуемого изменения свойств сплава необходимо чтобы в сплаве в результате термической обработки произошли необратимые изменения, обусловленные фазовыми превращениями.

Все виды термической обработки можно разделить на четыре группы.

Первая группа. Металл на пути к готовой продукции претерпевает различные изменения в результате плавления, литья, механической обработки, сварки и т.д., способствующие переходу структуры в неустойчивое состояние. При затвердевании не успевают протекать диффузионные процессы и состав металла, даже в объеме одного зерна, оказывается неоднородным. Холодная пластическая деформация создает наклеп – искажение кристаллической решетки, повышается уровень внутренних микронапряжений. Неустойчивое состояние при комнатной температуре сохраняется долго, т.к. теплового движения атомов недостаточно для перехода в устойчивое состояние, для этого нужен нагрев.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла находящегося в неустойчивом состоянии и переводящая его в устойчивое состояние, называется отжигом.

Существует два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых превращений (полиморфных превращений, растворения второй фазы и т.д.), то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг называется отжигом первого рода. Если у сплава есть фазовое превращение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусловленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка называется отжигом второго рода или фазовой перекристаллизацией.

Вторая группа. Если в сплаве происходят фазовые изменения, то полнота превращений в металле, охлаждаемого после нагрева выше температуры конца превращений, зависит от скорости охлаждения. Теоретически возможна такая скорость охлаждения, при которой обратные превращения не успеют начаться и в структуре металла при комнатной температуре зафиксируются признаки высокотемпературного состояния. Такая операция называется закалкой. В большинстве случаев закалка не полностью фиксирует высокотемпературное состояние сплава. В любом случае закалкой достигается структурно неустойчивое состояние сплава.

Третья группа. Для перевода неустойчивой структуры закаленного сплава в устойчивое состояние необходимо температурное воздействие. Нагрев увеличивающий тепловую подвижность атомов способствует этим превращениям. Такая обработка закаленного сплава, т.е. нагрев и некоторая выдержка, но ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском.

Нагрев и выдержка закаленного сплава не испытывающего фазовых превращений называется старением. В результате закалки такого сплава фиксируется пересыщенный твердый раствор, из которого в результате старения выделяются вторичные фазы требуемого состава, формы и количества.

Способность металлов растворять различные элементы позволяет при повышенных температурах атомам вещества окружающего поверхность металла, диффундировать внутрь его, создавая поверхностный слой измененного состава. При этом изменяется и структура поверхностных слоев, а иногда и сердцевины. Такая обработка называется химико-термической.