Термической обработкой называют нагрев до определенной температуры, выдержку и охлаждение металлов и сплавов с целью изменения их структуры.

Термическая обработка подразделяется на 3 группы собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую Собственно термическая обработка (ТО) предусматривает только термическое воздействие на металл или сплав, термомеханическая (ТМО) - сочетание термического воздействия и пластической деформации, химико-термическая (ХТО) - сочетание термического и химического воздействия.

Собственно термическая обработка включает в себя отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку без полиморфного превращения, закалку с полиморфным превращением, отпуск и старение. Эти виды термической обработки применяются и к сталям, и к цветным металлам, и к сплавам.

Термомеханическая обработка подразделяется на ТМО стареющих сплавов и ТМО сталей, закаливаемых на мартенсит. Различают низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО), высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и комбинацию ВТМО и НТМО - высоко-низкотемпературную термомеханическую обработку (ВНТМО).

Химико-термическая обработка подразделяется на диффузионное насыщение неметаллами, металлами и диффузионное удаление элементов.

Диффузионное насыщение неметаллами включает в себя следующие основные разновидности цементацию, азотирование, цианирование (нитроцементацию), борирование и оксидирование и др. Диффузионное насыщение металлами включает в себя алитирование, хромирование, силицирование, насыщение другими металлами Диффузионное удаление элементов включает в себя обезводороживание и обезуглероживание.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий в неравновесном состоянии, и приводящая его в более равновесное состояние, называется отжигом. Охлаждение после отжига производится вместе с печью.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг - это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации (химической неоднородности).

Рекристаллизационный отжиг- это термическая обработка деформированного металла, при которой главным процессом является рекристаллизация металла.

Отжиг, уменьшающий напряжения - это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений.

Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом второго рода или перекристаллизацией

Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состояниидает возможность упрочнять сплавы с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма 2 типа) путем термической обработки. Рассмотрим принцип упрочняющей термической обработки стареющих сплавов на примере системы с промежуточным соединением (рис. 3.9).

К термически упрочняемым относят сплавы составов от точки а до промежуточного соединения А_mВ_n, в которых при охлаждении из твердого раствора a выделяются вторичные кристаллы А_mВ_n. При этом степень упрочнения тем выше, чем больше масса вторичных кристаллов в равновесном сплаве.

Рассмотрим сплав I состава точки с, который в равновесном состоянии имеет двухфазную структуру, состоящую из кристаллов твердого раствора a концентрации точки а и вторичных кристаллов А_mВ_n.

При закалке сплавы нагревают до температур, обеспечивающих распад вторичных кристаллов. Для рассматриваемого сплава 1 такой будет температура, несколько превышающая t₁. Быстрым охлаждением полностью подавляют процесс выделения вторичных кристаллов и в результате получают однофазный сплав, пересыщенный компонентом В - твердый раствор, который представляет собой неравновесную структуру с повышенным уровнем свободной энергии. Поэтому, как только подвижность атомов окажется достаточно большой, твердый раствор будет распадаться - начнется процесс старения.

Старение, происходящее при повышенных температурах, называют искусственным. В сплавах на основе низкоплавких металлов старение может происходить при температуре 20-25°С: такое старение называют естественным.

При старении уменьшается концентрация пересыщающего компонента в твердом растворе; этот компонент расходуется на образование выделений нескольких типов.

В общем случае могут возникать образования следующих типов:

1) зоны Гинье-Престона, 2) кристаллы метастабильной фазы, 3) кристаллы стабильной фазы.

Зоны Гинье Престона (зоны ГП) представляют собой весьма малые (субмикронные) объемы твердого раствора с резко повышенной концентрацией растворенного компонента, сохраняющие решетку растворителя (Рисунок 3.10 а). Скопление растворенных атомов вызывает местное изменение периода решетки твердого раствора. При значительной разнице в размерах атомов А и В, как например, наблюдается в сплавах Аl-Сu, зоны ГП имеют форму дисков, толщина которых (учитывая искажения решетки) составляет несколько межатомных расстояний, диаметр 10-50 нм. Диски закономерно ориентированы относительно пространственной решетки растворителя. Многочисленные зоны ГП затрудняют движение дислокаций через зону и окружающую область с искаженной решеткой, требуется приложить более высокое напряжение. Следовательно, прочность сплава повышается.

Метастабильные фазы (Рисунок 3.10 б) имеют отличающуюся кристаллическую решетку, чем решетка твердого раствора, однако существует сходство в расположении атомов в определенных атомных плоскостях, что вызывает образование когерентной (или полукогерентной) границы раздела. Когерентная граница при некотором различии кристаллической структуры приводит к появлению переходной зоны с искаженной решеткой. Для метастабильных фаз характерна высокая дисперсность, что значительно повышает сопротивление движению дислокаций и приводит к дальнейшему упрочнению сплава.

Стабильная фаза (Рисунок 3.10 в) имеет сложную пространственную решетку с пониженным числом элементов симметрии и с большим числом атомов в элементарной ячейке. Вторичные кристаллы со стабильной структурой в большинстве сплавов выделяются в виде достаточно крупных частиц. Значительное различие кристаллической структуры твердого раствора и стабильных кристаллов приводит к образованию некогерентной межфазной границы раздела и к минимальным искажениям решетки твердого раствора вблизи границы. Упрочнение сплава стабильными кристаллами меньшее, чем при образовании зон ГП и метастабильных когерентных кристаллов.

Степень упрочнения при старении может быть очень высокой. Так, твердость, временное сопротивление разрыву дюралюмина при оптимальных условиях старения увеличиваются в 2 раза, в бериллиевых бронзах - в 3 раза. Термическую обработку, приводящую к получению стабильной структуры, называют стабилизацией.

Термическая обработка сталей с эвтектоидным превращением происходит в большинстве сталей, в двухфазных алюминиевых бронзах, во многих сплавах на основе титана. Принципы, лежащие в основе термической обработки для всех сплавов одни и те же, однако компоненты сплавов вносят ряд особенностей. Поэтому принято раздельно изучать превращения в сплавах с разной металлической основой.

Выделим основные фазовые превращения, влияющие на структуру и свойства сталей:

· · превращения при нагреве до аустенитного состояния - фазовая перекристаллизация:

· · превращения аустенита при различных степенях переохлаждения,

· · превращения при нагреве закаленных сталей.

Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния.Рассмотрим превращения при нагреве в сталях с исходной равновесной структурой: феррит и перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эвтектоидной стали, перлит с вторичным цементитом в заэвтектоидных сталях.

При рассмотрении разных видов термообработки железоуглеродистых сплавов (стали, чугуны) используются следующие условные обозначения критических точек (рис. 3.8).

Критические точки A₁ лежат на линии PSK (727°С). Критические точки A₂ находятся на линии МО (768°С) Критические точки А₃ лежат на линии GS, а критические точки А_m - на линии SE.

Вследствие теплового гистерезиса превращения при нагреве и охлаждении проходят при разных температурах. Поэтому для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении используются дополнительные индексы буквы “с” в случае нагрева и “r” в случае охлаждения