1. Введение: сущность и виды термомеханической обработки

Важнейшей задачей в области металлических конструкционных материалов является создание сплавов, отличающихся повышенными прочностными свойствами, надежной повторяемостью (для массовых конструкционных, строительных и других сталей подразумевается повышение прочности на 15-30%, для высокопрочных сталей достижение уровня 3000 МПа и выше) и стабильностью этих свойств.

Такие требования обусловлены:

• Резко усложняющимися условиями работы конструкций (высокие напряжения и скорости их приложения, все более сложные схемы напряженного состояния, все чаще встречающееся при эксплуатации одновременное воздействие комплекса факторов);

• Необходимостью уменьшения массы конструкций (повышение удельной прочности материала), увеличения их долговечности.

Вместе с тем анализ показал, что в реальных условиях высокопрочные материалы часто внезапно хрупко разрушаются при напряжениях, значительно более низких, чем их предел прочности. Иными словами, повышенная склонность к хрупкому разрушению высокопрочных материалов не позволяет реализовать их потенциальную прочность. Отсюда следует естественный вывод о том, что необходимым условием реализации высокой прочности материала является одновременная достаточная его пластичность и вязкость.

Прочность материала (его сопротивление пластической деформации) и пластичность (сопротивление образованию и развитию трещин, приводящих к разрушению материала) – структурно чувствительные свойства, но по-разному зависящие от структуры. Следовательно, высокая конструктивная прочность может быть обеспечена созданием такого структурного состояния, которое обеспечивало бы оптимальное сочетание прочности и пластичности.

Условием высокой прочности поликристаллических материалов, упрочненных деформацией, является высокая плотность дислокаций, движение которых под влиянием внешних напряжений должно быть заторможено внутренними барьерами («стопорами»).

Для пластичности важны характер этих барьеров и их распределение. При определенных условиях («жестких» барьерах) они могут привести к очень большой локализации скопления дислокаций и соответственно к возникновению больших локальных напряжений, которые могут превысить предел прочности материала в этом локальном объеме. В результате произойдет релаксация этих локальных напряжений путем образования и развития трещины и в конечном счете разрушение материала.

Согласно М.Л. Бернштейну предотвратить релаксацию пиковых напряжений трещинообразованием и разрушением можно, если создать такие барьеры и такое их распределение, чтобы они были «полунепроницаемыми». Смысл этого заключается в том, чтобы барьеры давали возможность релаксации локальных «пиковых» напряжений путем прорыва скопившихся дислокаций в соседние объемы материала еще до того, как величина этих напряжений достигнет значений предела прочности.

Важны также число барьеров в единице объема и характер их распределения. Чем чаще и более однородно распределены «стопоры», тем более однородным будет распределение дислокаций в объеме материала, тем меньше вероятность и возможность создания чрезмерных локальных дислокационных нагромождений.

К «непроницаемым» барьерам относятся большеугловые границы случайной ориентировки, малопластичные частицы других фаз, некогерентные матрице, барьеры Ломер-Коттрелла; к «полунепроницаемым» - мало- и среднеугловые границы, пластичные частицы других фаз, частицы, когерентные матрице.

Поиски путей создания оптимальных по своей структуре и распределению барьеров показали, что в стали и многих сплавах, испытывающих фазовые превращения, такие барьеры можно создать, если подвергнуть материал комбинированному воздействию в одном технологическом цикле пластической деформации и термической обработке. Этот технологический метод получил название термомеханической обработки (ТМО). Ей можно дать такое определение: термомеханическая обработка – это совокупность выполненных в одном технологическом цикле в различной последовательности операций пластической деформации, нагрева и охлаждения сплавов, испытывающих фазовые превращения. Структура, фазовый состав и соответственно свойства сплава формируются при ТМО в условиях влияния структурных несовершенств, созданных деформацией на механизм фазового перехода и структуру новых фаз, и наоборот.

Особенность термомеханической обработки заключается в том, что одновременное воздействие деформации и термической обработки создает особое структурное, а часто и фазовое состояние сплавов, отличающееся высокой прочностью и повышенной пластичностью. Изменяя последовательность операций деформации и термической обработки и их конкретные режимы (степень, скорость и температуру деформации, скорость нагрева и охлаждения, продолжительность изометрических выдержек и др.), можно управлять структурой и свойствами в широком диапазоне значений.

Рациональное регламентирование несовершенств строения в сочетании с термической обработкой по специальным режимам приводит к созданию оптимального тонкого строения металлических сплавов, что, в конечном счете, определит их более высокие эксплуатационные свойства. В этом преимущество термомеханической обработки, когда наличие несовершенств не игнорируется, а они в той или иной мере сознательно используются для достижения поставленной цели.

Наиболее удобный технологический способ управления несовершенствами – пластическая деформация.

Преимущество пластической деформации как способа создания несовершенств в том, что при этом способе создается их ориентированное расположение, причем характер ориентировки зависит от схемы деформации. В результате превращений при последующей термомеханической обработке созданные структурные составляющие должны иметь особое тонкое строение, отличающееся тем, что элементы его строго ориентированы. В случае зависимости ориентированности от схемы напряженного состояния, действующего на сплав извне, можно достичь максимального упрочнения, если «отодвинуть» плоскости легкого скольжения в ориентированной структуре от направления внешних касательных напряжений и, наоборот, резко повысить пластичность сплава даже в упрочненном состоянии, если ориентировать плоскости легкого сдвига по направлению касательных напряжений.

Тогда нужно, чтобы в каждом конкретном случае были выбраны оптимальный способ пластической деформации; наиболее эффективная степень деформации; наилучшая схема совмещения термической обработки и пластической деформации; скорректированные режимы термической обработки.

Предложено большое количество разных схем (вариантов) ТМО в зависимости от природы фазовых превращений в сплаве, от температуры деформации, от последовательности операций деформации и термообработки.

Эти режимы имеют общие принципиальные моменты для двух групп сплавов, отличающихся характером фазовых превращений, а именно:

• для сплавов, претерпевающих полиморфные (в том числе мартенситные) превращения;

• для сплавов, претерпевающих распад пересыщенных твердых растворов (дисперсионно твердеющие сплавы).

Режимы ТМО принято также классифицировать, исходя из того, как расположена температура деформации по отношению к температурному порогу рекристаллизации . При этом различают низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО) и высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО).

Под НТМО понимают технологический процесс, включающий деформацию сплава при такой температуре, последеформационная выдержка при которой практически любой продолжительности не приводит к началу рекристаллизации.

Под ВТМО понимают ТМО, когда сплав деформируют при такой температуре, при которой рекристаллизация не успевает совершиться непосредственно в процессе самой деформации или при кратковременных последеформационных выдержках.

Кратко основные схемы ТМО сводятся к следующему.

В случае ВТМО деформацию производят в однофазном высокотемпературном состоянии и, не дав сплаву рекристаллизоваться, охлаждают его для реализации фазового превращения с тем, чтобы оно протекало в материале, сохранившем в себе ту или иную долю структурных несовершенств, созданных деформацией.

При ВТМО стали деформацию осуществляют в аустенитной области выше температуры перлитного превращения . При этом возможно два варианта в зависимости от температуры, до которой охлаждают сталь. Если охлаждение проводят (рисунок 1,а) до температуры ниже мартенситной точки (), то в деформированном аустените протекает мартенситное превращение. Если сталь охлаждают до области повышенной стабильности переохлажденного аустенита (рисунок 1,б), то превращение носит промежуточный характер между перлитными и мартенситными (бейнитное превращение). Превращения стремятся при этом вести в изотермических условиях, в силу чего эту разновидность обработки называют высокотемпературной термомеханической изотермической обработкой. В обоих этих случаях новая фаза (или смесь фаз) наследует дефекты деформированной высокотемпературной фазы.

При ВТМО стареющих сплавов их также деформируют в однофазной области (рисунок 1,в), после чего охлаждают до температуры двухфазной области с тем, чтобы распад пересыщенного твердого раствора происходил в наклепанной матрице и прежде всего по деформационным дефектам.

Рисунок 1 – Схемы ВТМО стали (а, б) и стареющих сплавов (в): - температура конца альфа- гамма превращения; - температура начала альфа-гамма превращения; - температура начала мартенситного превращения аустенита; линии Н-Н и К-К – начала и конца изотерического превращения аустенита; волнистой линией показана деформация.

Принципиальное отличие ВТМО от термической обработки с прокатного (ковочного) нагрева заключается в создании таких условий высокотемпературной пластической деформации и последующей закалки, при которых подавляется развитие рекристаллизационных процессов и создается особое структурное состояние, характеризующееся повышенной плотностью несовершенств и особым их расположением с образованием разветвленных субграниц. Отсюда и большая мозаичность строения стали после ВТМО.

Все виды комбинированных обработок, относящиеся к ВТМО, характеризуются общим отличительным признаком – совмещением термической операции закалки с высокотемпературной деформацией, выполняемыми с одного нагрева.

Отметим особенность используемого термина – высокотемпературная деформация, вместо горячая деформация.

Под горячей деформацией принято подразумевать такую деформацию, в процессе которой успевает завершиться первичная рекристаллизация. В рассматриваемом же случае первичная рекристаллизация полностью или в значительной степени устраняется. Поэтому при описании ВТМО правильнее использовать термин высокотемпературная деформация.

В каждый из вариантов обработки, относящихся к ВТМО, обязательно включается нагрев до температуры нормальной закалки. Обычно этот нагрев предшествует всем последующим операциям обработки и осуществляется за счет внешнего источника тепла или пропусканием электрического тока через заготовку. Исключение составляет лишь один из вариантов обработки, при котором нагрев осуществляется в ходе деформирования за счет работы, затраченной на деформацию и на преодоление сил внешнего трения между заготовкой и инструментом.

Отличие одного вида комбинированной обработки от другой (ВТМО) в основном заключается в разных условиях проведения высокотемпературной деформации.

В случае НТМО сплав (сталь) нагревают до однофазного состояния с целью растворения дисперсных фаз, затем резко охлаждают до температуры деформации и деформируют с тем, чтобы процессы фазового превращения протекали параллельно с деформацией.

При НТМО стали деформацию проводят чаще в низкотемпературной области устойчивого состояния аустенита (рисунок 2) или завершая деформацию до начала превращения аустенита (рис.2,а), или совмещая ее с превращением (рис. 2,б).

При НТМО стареющих сплавов (рис. 2,в) деформацию проводят при комнатной или повышенных температурах, лежащих в двухфазной области. Деформация в условиях НТМО обеспечивает повышенную дисперсность выделяющихся фаз и высокую прочность.

Схема НТМО заключается в деформировании переохлажденного аустенита в области его высокой устойчивости и последующей закалке. Смысл переохлаждения аустенита заключается в том, чтобы вести деформацию ниже температуры его рекристаллизации (в отличие от разработанной несколько позднее высокотемпературной термомеханической обработки). Последнее уточнение важно в том смысле, что в случае высоколегированной стали аустенит может быть достаточно устойчив против распада (или выделения избыточной фазы) и при температурах выше порога рекристаллизации.

Рисунок 2 – Схемы НТМО стали (а, б) и стареющих сплавов (в).

НТМО – процесс довольно сложный (многостадийный). Предусматривается нагрев до аустенитного состояния, выдержка при этой температуре, охлаждение до изотермы, соответствующей максимальной устойчивости аустенита, выдержка на этой изотерме, деформация, охлаждение и заключительный отпуск. Соответственно велико и число факторов, которые могут оказывать влияние на окончательные свойства стали, подвергнутой НТМО.

На результаты получаемые при НТМО могут влиять по крайней мере десять факторов:

1. химический состав стали;

2. температура аустенизации;

3. продолжительность выдержки при температуре аустенизации;

4. скорость охлаждения до температуры деформирования;

5. температура деформирования;

6. продолжительность выдержки при температуре деформации;

7. степень деформации;

8. скорость деформирования;

9. скорость охлаждения до комнатной температуры;

10. режим заключительного отпуска.

Кроме того, существенное значение при НТМО могут иметь способ (схема и дробность) деформирования, вид следующего за деформированием превращения аустенита (мартенситное, бейнитное, перлитное) и некоторые другие факторы.

Ясно, что значения перечисленных факторов различно. Наименее важным из них является, например, скорость охлаждения до температуры деформирования. Очевидно, что охлаждение должно быть достаточно интенсивным, чтобы предотвратить распад аустенита в перлитной области, и (при соблюдении этого условия) варьировать скорость охлаждения не имеет смысла.

Другие факторы, например, температура и степень деформации, режим окончательного отпуска, оказывают определяющее внимание на свойства стали, подвергнутой НТМО. Соответственно изучению влияния этих параметров процесса на окончательные свойства стали уделяется повышенное внимание.

К НТМО могут быть отнесены комбинированные обработки, выполняемые по следующим схемам:

• закалка, деформация, естественное старение;

• закалка, деформация, искусственное старение (одно- или двухступенчатое);

• закалка, естественное (или искусственное) старение, деформация, искусственное старение (одно- или двухступенчатое);

• закалка, естественное старение, искусственное старение, деформация, искусственное старение.

Помимо перечисленных могут быть еще более сложные схемы обработок.

В зависимости от температурных условий старения и деформации, а также от последовательности проведения этих операций в значительной степени изменяется физическая природа и кинетика процессов, сопровождающих комбинированную обработку. В соответствии с этим изменяется влияние обработки на физико-механические свойства сплавов.

Установилась практика включения холодной деформации в число других операций технологического процесса обработки.

Эти процессы обработки выполняются по следующим схемам:

Т3 – закалка, холодная деформация, естественное старение,

Т8 – закалка, холодная деформация, искусственное старение;

Т9 – закалка, искусственное старение, холодная деформация;

Т10 – искусственное старение, холодная деформация.

В ряде случаев ТМО включает в себя двукратную деформацию (высокотемпературную и низкотемпературную) в разной последовательности.

Двукратную холодную деформацию включает и технология процесса патентирования проволоки из углеродистой стали (0.45 – 0.85%С), которую можно рассматривать как одну из разновидностей НТМО.

Патентирование включает холодную деформацию, нагрев на 870 – 920*С для получения крупнозернистого аустенита, изотермический распад переохлажденного аустенита с образованием тонкопластинчатого сорбита и заключительную деформацию (и выше), в процессе которой в феррите возникает очень дисперсная ячеистая структура, уменьшается расстояние между пластинками цементита, создается высокая плотность дислокаций на межфазных границах. Патентирование позволяет получать очень высокую прочность стали в прутках до 4000МПа.

Практически реализация ТМО связана с трудностями. Скорость структурных и фазовых изменений, особенно при ВТМО, весьма велика и зависит от большого числа факторов. Получение заданной структуры и свойств, а также надежная повторяемость результатов требует хорошего понимания природы структурных и фазовых превращений в условиях ТМО, влияния различных факторов, очень строгого соблюдения режимов деформации, нагрева и охлаждения с температурно-временной точностью, значительно превосходящей ту, которая предусмотрена обычной технологией обработки давлением, требует специальной аппаратуры.

В силу особенностей влияния на свойства стали, а также по технологическим соображениям наиболее перспективным промышленным способом использования ТМО для улучшения качества массовых конструкционных и строительных сталей, а также сталей и сплавов, работающих в условиях больших и сложных по схеме нагрузок, является ВТМО.

ВТМО обеспечивает несколько меньшую прочность, чем НТМО, но позволяет получить более высокую пластичность, повышает ударную вязкость, снижает склонность к хрупкому разрушению и температурный порог хладноломкости, затрудняет распространение трещин, повышает контактную и ударную выносливость, чувствительность к надрезу.

В последние годы приобретает распространение новая схема термомеханического упрочнения – так называемая предварительная термомеханическая обработка (ПТМО).

При этой обработке холодная пластическая деформация предшествует термической обработке и может быть отделена от последней в технологическом цикле ТМО сколь угодно большим промежутком времени. Последнее обстоятельство определяет высокую технологичность ПТМО при производстве из холоднодеформированных полуфабрикатов.

В отличие от других способов термомеханического упрочнения (например, ТМО с деформированием мартенсита, при которой холодный наклеп также предшествует окончательной термической обработке, в данном случае, старению) холодной деформации при ПТМО подвергается сталь со структурной феррито-карбидной смеси той или иной степени дисперсности. Режим последующей термической обработки следует подбирать таким образом, чтобы изменения, вызванные в структуре стали холодным наклепом, были возможны полнее сохранены и оптимальным образом видоизменены (текстура деформационных несовершенств определяющая конечную субструктуру).

Таким образом, принципиальная схема ПТМО (холодная деформация плюс закалка и отпуск) может быть в ряде случаев усложнена введением промежуточной (между деформированием и закалкой) термической обработки, облегчающей сохранение влияния наклепа после двойной -перекристаллизации.

Одна из возможных схем ПТМО с использованием в качестве промежуточной обработки дорекристаллизационного нагрева и скоростной закалки с заключительным отпуском.

ВНТМО представляет собой технологический процесс, состоящий из одного из способов ВТМО и НТМО. Судя, по числу способов обработок количество теоретически возможных вариантов ВНТМО может быть очень большим. Однако на практике не один из них не нашел применения.

ПНТМО представляет собой технологический процесс, состоящий из одного из способов ПТМО и одного из способов НТМО. Наряду с большим количеством возможных вариантов основных групп термомеханических обработок (ПТМО и НТМО) может быть очень большое количество вариантов ПНТМО. Однако эти варианты в основном являются теоретическими схемами, незначительно апробированными на практике.

УТМО осуществляют, воздействуя на деталь динамической нагрузкой при термической обработке. Один из способов такой обработки заключается а том, что в закалочной ванне во время охлаждения детали электрическим разрядом создают ударные волны, которые воздействуют на металл. Вызванное этим динамическое нагружение не вызывает пластической деформации, однако обработка оказывает очень большое влияние на тонкое строение и свойство сплавов.

Наименование УТМО – термомеханическая – является, по-видимому, не совсем удачным, так как это ставит данную обработку в один ряд со всеми ранее рассмотренными способами термомеханической обработки. Однако это не совсем правильно, так как все термомеханические способы обработок характеризуются применением пластической деформации, которая не используется при УТМО. Последняя по природе воздействия на металл вибрирующей жидкости, в которой производят импульсные разряды, ближе к обработке ультразвуком.

Классификационная схема основных способов комбинированных обработок представлена на рисунке 3.

ТМО

ВТМО

НТМО

ПТМО

ВНТМО

ПНТМО

Рисунок 3 – Классификационная схема основных способов термомеханической обработки деформируемых и термически упрочненных сплавов.