Основные виды термической обработки

Термической обработкой называется процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структуры и свойств. Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, термомеханическую и химико–термическую. Собственно термическая заключается только в термическом воздействии на металл или сплав, термомеханическая – в сочетании термического воздействия на металл и пластической деформации, химико-термическая – в сочетании термического и химического воздействия.

На результат термической обработки оказывают влияние следующие факторы: температура нагрева, время (продолжительность) выдержки и время (скорость) нагрева и охлаждения. Их называют параметрами термообработки.Совокупность параметров, характеризующих процесс термообработки, называют режимом. Очень часто режим отображают в виде графика в координатах «температура – время» (рис. 4.1).

Т,^ОС

τ _н τ _в τ _охл

Т_н Рисунок 4.1 – График (режим) термической

обработкии его параметры:

Т_н – температура нагрева,

τ _н, τ _в, τ _охл – время (продолжи-

тельность) нагрева, выдержки,

v _охлист охлаждения,

v _охлист – мгновенное значение ско-

рости охлаждения

τ, с

Все виды термической обработки делятся на три группы: отжиг, закалка и отпуск.

Отжиг – термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.

Неустойчивое состояние может заключаться:

■ в искажении кристаллической структуры вследствие холодной пластической деформации (наклёпа),

■ в химической неоднородности сплава даже в объёме одного зерна, возникающей при быстром затвердевании, когда не успевают пройти диффузионные процессы,

■ в накоплении и неравномерном распределении механических напряжений в объеме изделия из-за быстрого охлаждения (термические напряжения) или приложения внешних сил при деформировании.

Нагрев, или увеличение тепловой подвижности атомов, приводит к заметному ускорению процессов перехода металла в устойчивое (равновесное) состояние (снятие механических напряжений, уменьшение искажений кристаллической структуры, выравнивание химического состава путём диффузии, рекристаллизация). Охлаждение металла от температуры отжига должно быть достаточно медленным, чтобы не привести вновь к состоянию неустойчивости. Обычно отжиг производится в термической печи, и медленное охлаждение отожжённого металла осуществляется вместе с выключенной печью (охлаждение с печью).

Различают два вида отжига.

Отжиг первого рода – происходит при нагреве, который не приводит к фазовым превращениям, а если и приводит, то не фазовые превращения играют решающую роль в достижении стабильного состояния. Переход металла в равновесное состояние достигается только за счёт увеличения диффузионной подвижности атомов.

Отжиг второго рода – имеет место в том случае, ели у сплава есть фазовое превращение, и именно оно является средством достижения равновесного состояния.При этом нагрев сплава с неравновесной структурой (только не обусловленной закалкой) должен осуществляться выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением. Такая термообработка тоже считается отжигом, но классифицируется как отжиг второго рода или фазовая перекристаллизация [5].

Закалка – термическая операция, состоящая в нагреве сплава выше температуры фазового превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния.

Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то при охлаждении могут происходить обратные фазовые превращения. Полнота обратного превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно представить такие условия охлаждения, когда обратное превращение вовсе не произойдёт, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой.

Во многих случаях закалка не фиксирует совсем или не фиксирует полностью высокотемпературное состояние сплава. Поэтому предельный случай закалки, когда полностью фиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур, называется истинной закалкой. Примером истинной закалки могут служить так называемая закалка вакансий или закалка пересыщенных твёрдых растворов. Иногда истинную закалку сплавов, в которых охлаждением подавляется фазовое превращение, называют закалкой без полиморфного превращения [12].

К случаям закалки, когда быстрым охлаждением не удаётся фиксировать высокотемпературное состояние, а фиксируется только некоторая стадия фазового и структурного превращения, при которой ещё не достигнуто равновесное состояние, относится закалка с полиморфным превращением. Самое яркое её проявление – закалка стали на мартенсит.

Между закалкой и отжигом второго рода есть общее –в обоих случаях сплав нагревается выше температуры фазового превращения и окончательное строение и свойства приобретает в результате фазового превращения при охлаждении. Принципиальная разница между этими термическими операциями в том, что цель отжига второго рода – максимальное приближение сплава к равновесному состоянию при достаточно медленном охлаждении, а цель закалки – отдалить структурное состояние сплава от равновесного быстрым охлаждением.

Отпуск – термическая операция, состоящая в нагреве закалённого сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.

Состояние закалённого сплава характеризуется неустойчивостью. Даже без всякого теплового воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий подвижность атомов, способствует этим превращениям. Приповышении температуры закалённыё сплав всё более приближается равновесному состоянию. Такая обработка, т.е. нагрев закалённого сплава, но ниже температуры равновесных фазовых превращений, и называется отпуском.

Между отпуском и отжигом первого рода есть общее – в обоих случаях сплав при нагреве приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние. Только для отжига первого рода оно было вызвано предшествующей обработкой, при которой не было фазовых превращений, а для отпуска – предшествующей ему закалкой. Поэтому отпуск – это вторичная операция, следующая за закалкой. В случае закалки сплавов цветных металлов последующий нагрев, или отпуск, называют старением.