Файл: 11. Термическая обработка металлов и сплавов 11. 1 Основные параметры термической обработки.pdf

1
11. Термическая обработка металлов и сплавов
11.1 Основные параметры термической обработки
Термическая обработка (ТО) является одним из способов получения заданных структуры и свойств материалов. Под термической обработкой металлов и сплавов понимают тепловую обработку, изменяющую их внутреннее строение и свойства за счет протекания структурно-фазовых превращений в твердом состоянии.
Целью любой термообработки является получение требуемой структуры и свойств сплава за счет нагрева его до определенной температуры, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения с определенной скоростью.
Основными факторами воздействия при термической обработке являются температура и время, поэтому режим ТО можно представить в виде графика в координатах «температура T – время

» (рисунок 11.1), который называется термическим циклом. Как видно из рисунка 11.1, режим конкретной термической обработки характеризуются следующими основными параметрами:

температура нагрева T
max
;

время выдержки при температуре нагрева

в
;

скорости нагрева и охлаждения υ
нагр и υ
охл
Рисунок 11.1 – Схема цикла термической обработки с указанием основных параметров

2
11.2 Классификация видов ТО
Существует несколько различных классификаций видов термической обработки. Согласно классификации по А.А. Бочвару, все виды ТО можно разделить на четыре основные группы. Рассмотрим каждую из них.
Первая группа (I).
К этой группе относятся виды термической обработки, которые способствуют переходу сплава из неустойчивого состояния в более устойчивое при отсутствии аллотропических (полиморфных) превращений.
В результате воздействия эксплуатационных факторов, а также при некоторых видах обработки металл может перейти в неустойчивое состояние. Основные причины перехода металла в неустойчивое состояние:

быстрое охлаждение;

неравномерное приложение напряжений;

кристаллизация в неравновесных условиях (при затвердевании могут не до конца протекать диффузионные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказывается неоднородным);

наклёп (под действием холодной пластической деформации искажается кристаллическая решетка).
Неустойчивое состояние при комнатной температуре сохраняется долго, так как тепловой подвижности атомов при этой температуре недостаточно для перехода металла в устойчивое состояние.
Нагрев металла при проведении термической обработки приводит к увеличению тепловой подвижности атомов, интенсифицирует диффузионные процессы, что вызывает протекание процессов перехода в устойчивое состояние. В результате в металле могут протекать рекристаллизационные и диффузионные процессы, способствующие снятию внутренних напряжений и уменьшению искаженности кристаллической решетки.

3
Вторая группа (II).
К этой группе относятся виды термической обработки, при которых металл переходит из неустойчивого состояние в устойчивое, при этом в процессе нагрева и охлаждения металл испытывает фазовые превращения.
Если в сплавах при нагреве происходит какое-либо фазовое превращение (полиморфное превращение, растворение второй фазы и т.д.), то нагрев выше некоторой критической температуры вызывает изменение в строении сплава. При последующем медленном охлаждении произойдет обратное превращение, однако металл перейдет в более устойчивое состояние, чем он находился до обработки.
Нагрев выше температур фазового превращения и охлаждение с
малой скоростью приводит сплав к структурному равновесию. После проведения термической обработки этой группы структура металла или сплава будет соответствовать диаграмме состояния (диаграмме равновесия).
Третья группа (III).
При этих видах термической обработки металл переводится в более неустойчивое (по сравнению с исходным) состояние. Это происходит в сплавах, испытывающих фазовые превращения при нагреве в условиях быстрого охлаждения.
При быстром охлаждении обратное превращение в сплаве не происходит или происходит лишь частично. При этом сплав оказывается в неустойчивом состоянии. К этой группе ТО относится закалка.
Между обработкой II и III групп есть общие черты, а также существенное отличие. Общее заключается в том, что нагрев производится
выше температуры фазовых превращений, и окончательное строение сплав приобретает при последующем охлаждении. Принципиальная разница заключается в том, что во второй группе ТО основная цель – приблизить сплав к равновесному состоянию (для этого охлаждение производят медленно), а в третьей – наоборот, отдалить от равновесного (для этого охлаждение проводят быстро).

4
Четвертая группа (IV).
К этой группе относятся виды ТО, которые переводят металл из неустойчивого состояния, полученного в результате закалки, в устойчивое при нагреве до температур ниже фазовых превращений.
Даже без всякого температурного воздействия в закаленном сплаве с неустойчивой структурой могут происходить процессы перехода, приближающие его к равновесному состоянию. При повышении температуры закаленный сплав все больше приближается к равновесному состоянию. Термическая обработка закаленных сплавов при температуре ниже фазовых превращений называется отпуском. Отпуск, если он происходит при комнатной температуре или при невысоких температурах, называется старением.
Отпуск – всегда вторичная операция, осуществляемая после закалки.
На основании сказанного выше можно выделить основные виды термической обработки:
Отжиг I рода (диффузионный отжиг) [ТО I группы] – термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.
Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация) [ТО II группы]– термическая операция, состоящая из нагрева выше температуры фазового превращения с последующим медленным охлаждением для получения структурно устойчивого состояния сплава.
Закалка [ТО III группы] – термическая операция, состоящая из нагрева выше температуры фазового превращения с последующим быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.
Отпуск [ТО IV группы] – термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры фазовых превращений для получения более устойчивого структурного состояния сплава.

5
Выбор вида термической обработки зависит от требований, которые предъявляются к обработанному металлу. Перевод металла в неустойчивое состояние путём закалки, как правило, приводит к повышению твердости, прочности и износостойкости металла. Поэтому закалку, например, можно применять в том случае, если необходимо получить металл с высокими характеристиками твердости.
Если же термически обработанный металл будет подвергаться механической обработке (резанием, давлением), то предпочтительнее для этих целей использовать металл после отжига.
11.3 Термическая обработка и диаграмма состояния
Используя диаграммы состояния, можно выбирать вид ТО конкретных сплавов и правильно назначать температуры их нагрева под термообработку. а б в
Рисунок 11.2 – Схемы диаграмм состояния двухкомпонентных систем

6
Рассмотрим случай, когда диаграмма состояния двухкомпонентной системы имеет вид, представленный на рисунке 11.2а. Из диаграммы видно, что сплавы данной системы не испытывают полиморфных превращений, и при этом отсутствует изменение растворимости компонента В в твердом растворе α при изменении температуры (линия DF вертикальна). В этом случае сплавы системы могут быть подвержены только термической обработке I группы (т.е. диффузионный отжиг), т.к. ТО остальных групп подразумевают наличие структурно-фазовых превращений при нагреве и охлаждении.
Другой случай – если компоненты системы образуют диаграмму, показанную на рисунке 11.2б. Сплавы системы так же, как и в предыдущем случае, не испытывают полиморфных превращений. При этом растворимость компонента В в твердом растворе α зависит от температуры (кривая DF). В данном случае все сплавы, лежащие левее точки F (область I), не имеют превращений в твердом состоянии, и поэтому для них осуществима ТО из I группы (диффузионный отжиг), как и в случае, описанном на рисунке 11.2а.
В любом сплаве, лежащем между точками F и D (область II), при нагреве выше линии DF происходит растворение избыточной фазы – в данном случае фазы B в твердом растворе α. Быстрое охлаждение с таких температур приведет к образованию после охлаждения пересыщенного твердого раствора α. Такая термическая обработка называется закалкой на твердый
раствор. Последующий нагрев пересыщенного раствора (отпуск) вызовет выделение избыточной фазы (фазы В) в дисперсном виде, позволяя получить высокие механические свойства сплава.
Для сплавов, лежащих правее точки D (область III), при нагреве часть фазы B, которая входит в эвтектику, останется нерастворенной, и эта часть в термической обработке участвовать не будет. Поэтому проведение закалки на твердый раствор с последующим отпуском для таких сплавов будет менее эффективно. При этом, чем правее относительно точки D будет находиться рассматриваемый сплав, тем менее эффективна будет термическая обработка.

7
Если диаграмма состояния сплавов системы имеет вид, представленный на рисунке 11.2в, то все сплавы такой системы могут быть подвержены ТО по второй, третьей и четвертой группам. При комнатной температуре все сплавы системы имеют структуру (

+

). При нагреве сплава до температуры Т
эвт происходит эвтектоидная реакция (

+

→

), в результате которой образуется

-фаза. При последующем охлаждении

-фазы в зависимости от скорости охлаждения, можно проводить: при медленном охлаждении – отжиг II рода (ТО II группы), а при быстром охлаждении – закалку (ТО III группы) с последующим отпуском (ТО IV группы).
11.4 Термическая обработка сталей
Основой для изучения термической обработки сталей является
«стальной» участок диаграммы «железо-цементит» (участок диаграммы, ограниченный содержанием углерода 2.14%). Верхней температурной границей при любом виде термической обработки является линия солидуса, поэтому процесс первичной кристаллизации и, следовательно, верхняя часть диаграммы нас в данном случае не интересует. Участок диаграммы «железо- цементит», который рассматривается при изучении ТО сталей, изображен на рисунке 11.3.
Рисунок 11.3 – Участок диаграммы «железо-цементит»

8
Температуры структурно-фазовых превращений в сталях (критические точки) принято обозначать буквой А.
Нижняя критическая точка, обозначаемая А
1
, лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенита в перлит при охлаждении и, наоборот, перлита в аустенит при нагреве.
Верхняя критическая точка, обозначаемая А
3
, лежит на линии GSE. В доэвтектоидных сталях температура А
3
соответствует началу процесса выпадения феррита из аустенита при охлаждении или, наоборот, концу растворения феррита при нагреве. В заэвтектоидных сталях температура А
3
соответствует началу процесса выпадения цементита из аустенита при охлаждении или, наоборот, концу растворения цементита при нагреве.
На рисунке 11.3 для двух произвольных сталей (I и II) обозначены температуры А
1
и А
3
. Для эвтектоидной стали (содержание углерода 0,8%) температуры А
1
и А
3
равны.
На самом деле, значения критических температур при нагреве и охлаждении немного отличаются. Чтобы отличать критические точки при нагреве и охлаждении, их принято обозначать индексами c и r: критические точки при нагреве – индексом c (А
с1
, А
с3
); при охлаждении – индексом r (А
r1
,
A
r3
). Например, для стали 10кп значения критических температур составляют: А
с1
= 732ºС, А
r1
= 680ºС, А
с3
= 870ºС и А
r3
= 854ºС. Это означает, что превращение перлита в аустенит при нагреве происходит при температуре 732ºС, а распад аустенита при охлаждении – при температуре
680ºС; феррит заканчивает растворяться в аустените при нагреве до температуры 870ºС, а начинает выделяться из аустенита при охлаждении – при температуре 854ºС.
В соответствии с приведенной в п. 11.2 классификацией, к основным
видам ТО сталей относятся:

Отжиг – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше температуры А
с3
, выдержке при этой температуре и последующем медленным охлаждением. При отжиге состояние стали

9 приближается к равновесному. Структура после отжига соответствует структуре, указанной на диаграмме состояния «железо – цементит»: доэвтектоидные стали имеют структуру (перлит + феррит), эвтектоидная сталь имеет перлитную структуру, а заэвтектоидные стали – (перлит + цементит).

Закалка – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше критической температуры А
с3
с последующим быстрым охлаждением. При больших скоростях охлаждения не происходит выделения цементита из аустенита, и структура стали превращается в пересыщенный твердый раствор углерода в

-железе (мартенсит), обладающий высокой твердостью.

Отпуск – термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали ниже температуры А
с1
, при котором происходит распад мартенсита, и восстанавливается требуемый для конкретных условий эксплуатации баланс механических характеристик.