8. Теория термической обработки

Термической обработкой называют процессы теплового воздействия на металл с целью изменения его структуры и свойств. Это один из самых распространенных и самых эффективных способов изменения структуры и свойств сталей и сплавов, обусловленных протеканием различных фазовых превращений. Основы термообработки заложены Д. К. Черновым, который открыл критические температуры фазовых превращений в сталях. Дальней­шее развитие термообработка получила благодаря работам С.С. Штейнберга, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюмова, Э. Бейна, Р. Мейла и др.

8.1. Классификация видов термической обработки

Термообработку подразделяют на предварительную и окончательную. Предварительная термообработка применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (например, горячей обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием и т.д.). Окончательная термообработка формирует свойства готового изделия.

Существующие способы реализации термической обработки подразде­ляются на термическую, деформационно-термическую и химико-термическую.

Термическая обработка включает четыре основных вида: отжиг, закалку, отпуск и старение. Принадлежность к тому или иному виду обработки опреде­ляется типом происходящих при этом структурных изменений в материале. Су­ществует два основных типа отжига: отжиг 1-го рода и отжиг 2-го рода.

При отжиге 1-го рода не протекают фазовые превращения. Нагрев при отжиге 1 рода повышает подвижность атомов, частично или полностью уст­раняет химическую неоднородность, уменьшает внутреннее напряжение спо­собствует получению более равновесного состояния. Различают следующие разновидности отжига 1 рода: диффузионный, рекристаллизационный и от­жиг для снятия внутренних напряжений.

Диффузионный отжиг стали (гомогенизация) применяется тогда, когда сталь имеет внутрикристаллическую ликвацию. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. По результатам отжига, сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией.

Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога, оплавления зерен. Если допустить пережог, то кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком.

Диффузионный отжиг стали обычно приводит к слишком сильному укрупнению зерна, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).

Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) - нагрев до температур 500 – 550o; Вследствиии рекристаллизационного отжига из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются.

Отжиг для снятия внутренних напряжений – нагрев до температур 600 – 700^o. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: вследствии ускоренного охлаждения металла вновь возникают внутренние напряжения.

Отжиг 2-го рода - проводят для сплавов, в которых имеются полиморф­ные, эвтектоидные или перитектические превращения, а также имеет место пе­ременная растворимость компонентов в твердом состоянии. Целью этого вида отжига является приближение стали к равновесному состоянию, измельчение структуры, а также подготовка стали к последующей термической обработке.

В зависимости от температур нагрева относительно критических точек А_с1и А_с3, способов охлаждения и степени переохлаждения аустенита, разли­чают основные разновидности отжига второго рода: полный отжиг, непол­ный отжиг, изотермический отжиг, нормализацию.

Закалкой называют процесс, при котором металл нагревают до темпе­ратур, выше температур фазовых превращений и быстро охлаждают для получения неравновесных состояний, с целью придания ему высокой проч­ности и твердости.

Отпуском и старением предварительно закаленных сталей и сплавов называют технологические операции, проводимые с целью получения более устойчивых структурных состояний.

При этом термин отпуск применяют к тем материалам, в которых при закалке протекают полиморфные превращения. Старением называют про­цесс распада пересыщенных твердых растворов, в которых при закалке по­лиморфных превращений не происходило.

Деформационно-термическая обработка - сочетает в себе процессы тер­мической обработки и пластической деформации. В зависимости от того, когда осуществляют деформацию - до протекания фазового превращения или после- различают термомеханическую (ТМО) и механико-термическую об­работку (МТО).

Химико-термическая обработка сочетает тепловое воздействие с хими­ческим и заключается в насыщении поверхности заготовки каким-либо эле­ментом с целью получения в этом слое необходимых свойств (твердость, из­носостойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость и т.д.).

Возможность или невозможность проведения того или иного вида об­работки определяют на основании анализа диаграмм состояния.

Для определения режимов термообработки углеродистых сталей ис­пользуют диаграмму состояния "Fe-Fe₃C". Температуры фазовых превраще­ний при термической обработке сталей (критические точки) определяются линиями PSK, GS и SE диаграммы состояния Fe-Fe₃C.

Нижняя критическая точка, соответствующая обратимому превраще­нию аустенита в перлит при температуре линии PSK обозначается А_Г (727 ^оС) Верх­няя критическая точка, соответствующая началу выделения из аустенита феррита или концу превращения феррита в аустенит (линия GS) (727-910 ^оС), обознача­ется А_з Температура линии ES обозначается А_ст. (727-1147 ^оС)

Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении (они не совпадают), к обозначению критической точки при нагреве приписывают букву с, при охлаждении букву r, соответственно кри­тические точки обозначают как А_cГ „ А_сз , и А_rГ „ А_rЗ