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.
Нагрев при отжиге может производиться ниже или выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига
Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производятся с целью приведения его в равновесное состояние за счет уменьшения (устранения) химической неоднородности, снятия внутренних напряжений и рекристаллизации, называетсяотжигом первого рода. Его проведение не связано с протеканием фазовых превращений. Он возможен для любых металлов и сплавов
Существуют следующие разновидности отжига 1-го рода: гомогенизационный, рекристаллизационный и уменьшающий напряжения.
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
Если после нагрева выше температур фазовых превращений охлаждение ведется не в печи, а на воздухе, то такой отжиг называетсянормализацией.
Существует два вида закалки: закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением. Закалка без полиморфного превращения заключается в нагреве металла или сплава до температур растворения избыточной фазы, выдержке при этой температуре с целью получения однородного пересыщенного твердого раствора и в фиксации полученного пересыщенного твердого раствора за счет быстрого охлаждения. В результате сплав имеет структурно неустойчивое состояние. Этот вид закалки характерен для сплавов алюминия с медью — дуралюминов
Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температур фазовых превращений с последующим быстрым охлаждениемдляполучения структурно-неравновесного состояния, называется закалкой с полиморфным превращением. Этот вид закалки характерен для сплавов железа с углеродом (сталей), титановых сплавов, бронз. После закалки образуется структура пересыщенного твердого раствора, которая называется мартенситом.
Состояние закаленного сплава характеризуется особой неустойчивостью. Процессы, приближающие его к равновесному состоянию, могут идти даже при комнатной температуре и резко ускоряются при нагреве.
Термическая обработка, представляющая собойнагрев закаленного сплава ниже температур фазовых превращений для приближения его структуры к структуре более устойчивого состояния, называется отпуском. Отпуск является операцией, проводимой после закалки с полиморфным превращением.
Между отпуском и отжигом 1-го рода много общего. Разница в том, что отпуск - всегда вторичная операция после закалки.
Самопроизвольный отпуск, происходящий после закалки без полиморфного превращения в результате длительной выдержки при комнатной температуре, или отпуск при сравнительно небольшом подогреве называется старением.
Применение способа термической обработки определено по диаграммам состояния. Можно выделить основные группы сплавов:
· · сплавы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии (ТР диаграмма и перитектика);
· · сплавы с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии (эвтектика);
· · Сплавы с эвтектоидным превращением.
Термическую обработку сплавов, не связанную с фазовым превращением в твердом состоянии проводят:
· · для уменьшения остаточных напряжений (отжиг для уменьшения напряжений), температура ниже порога рекристаллизации, выдержка и медленное охлаждение
· · рекристаллизации пластически деформированных заготовок (рекристаллизационный отжиг), температура Тр+100-200оС и охлаждение на спокойном воздухе,
· · уменьшения ликвации в отливках и слитках (диффузионный отжиг или гомогенизация), длительная выдержка при высоких температурах, при которых протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при кристаллизации. Подвергают слитки, иногда отливки. Для сталей -1100-1300оС в течение 20-50 ч, алюминиевые сплавы 420-450оС.
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 АmВn, в которых при охлаждении из твердого раствора a выделяются вторичные кристаллы АmВn. 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 АmВn.
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 Аm - 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