Термомеханическая обработка металла: виды, характеристики

Введение
Термомеханическая обработка (ТМО) (англ. Thermomechanical processing, thermomechanical treatment, TMT) металлов - обработка металлов (сплавов), заключающаяся в последовательном нагревании их до температуры, превышающей верхнюю критическую точку полиморфного превращения, пластическом деформировании и закалке в течение одного технологического процесса, которые обусловливают формирование повышенной плотности дефектов кристаллического строения металла или сплава, что приводит к повышению прочности.
Различают несколько видов термомеханической обработки, предназначенных главным образом для обработки сталей. Основные среди них - высокотемпературная (ВТМО) и низкотемпературная (НТМО) термомеханическая обработка. Если сталь подвергать высокотемпературной обработке, ее пластически деформируют (степень деформации 20 ... 30%) в области температур устойчивого аустенита (выше точки AС3), что исключает (частично или полностью) рекристаллизацию в процессе деформирования. Во время низкотемпературной обработки сталь деформируют (степень деформации 75 ... 95%) в области температур метастабильного аустенита, ниже температуры её рекристаллизации. При закалке стали после деформирования мартенсит наследует изменения структуры аустенита. В обоих случаях после закалки проводят низкий отпуск. ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО - только стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита (легированные стали) [1].
Термомеханическая обработка обеспечивает высокие показатели прочности и пластичности стали (после НТМО предел прочности составляет 2800 ... 3300 МПа, остаточная деформация - 6%), а также прочность и холодостойкость, она уменьшает ее склонность к хрупкости при отпуске [2].
Рост прочности стали после проведения термомеханической обработки объясняется тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен. При дальнейшей закалке из такого аустенита образуются мелкие пластинки мартенсита, что положительно сказывается на пластических свойствах и вязкости стали.
Термомеханическую обработку некоторых сплавов (например, алюминиевых, медных) проводят по схеме: закаливание - холодное деформирование - искусственное старение металлов. Термомеханическая обработка является важным средством повышения эксплуатационных характеристик конструкционных материалов и получения высокопрочных сталей.
Целью данной работы является более подробное рассмотрение видов термомеханической обработки металлов.
1. Термомеханическая обработка стали
Представление о решающей роли структуры в формировании ряда важнейших, так называемых структурно-чувствительных свойств очень развились, и экспериментально доказанные положения о влиянии на эти свойства несовершенства строения реальных кристаллов. Показано, что несовершенство строения во многом определяет механизм и кинетику фазовых и структурных превращений при термической обработке, то есть характер окончательной структуры, задает свойства металлического сплава. Отсюда следует, что целесообразно управлять плотностью и распределением несовершенства (главным образом, дислокации) в металле на разных стадиях термической обработки с той целью, чтобы рационально направить процессы структурообразования и приобрести оптимальных свойств. Одним из основных методов регулирования структуры дислокации является пластическая деформация. Эти утверждения приводят к выводу о целесообразности соединения пластической деформации и фазовых (структурных) превращений в единой технологической схеме обработки сплавов [3,4].
Такое комплексное действие на структуру металлического сплава и составляет суть термомеханической обработки (ТМО).Термомеханическую обработку нужно понимать как совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения (в разной последовательности), в результате которых формирование окончательной структуры металлического сплава, а следовательно и его свойств, происходит в условиях повышенной плотности и соответствующего распределения несовершенства строения, созданных пластической деформацией.
При термомеханической обработке обычную операцию закаливания будто разрывают на две отдельные операции - деформацию аустенита с образованием определенной субзеренной и структуры дислокации и закалки с образованием мартенсита. Затем осуществляют отпуск стали.
Основными параметрами термомеханической обработки, от которых зависит ее эффективность, является температура, скорость, степень и схема (способ) деформации, а также продолжительность пребывания стали в аустенитном состоянии после деформации. Чем ниже температура и больше степень деформации аустенита, тем больше повышается прочность после термомеханической обработки. Существует примерная линейная зависимость между укреплением аустенита при деформации и приростом мартенсита, образовавшегося из него. После деформации при относительно высоких температурах, когда деформационное упрочнение аустенита той или иной степени снимается мимолетными процессами разупрочнения, достигается значительно меньшее повышение сопротивления деформации [5].
В зависимости от необходимого уровня свойств и состава стали температура деформации берется от 950-900 °С до 500 °С, а степень - от 15-20% до 90%. При сравнительно высоких температурах (700-950 °С) степень деформации обычно не превышает 30-40%; при повышении скорости деформации, и легировании элементами, задерживающими рекристаллизацию, суммарная степень деформации может быть увеличена. Термомеханическая обработка с деформацией аустенита приводит к повышению степени упрочнения по мере повышения степени деформации (как правило, берется степень деформации до 75-90%).
Такой вид обработки приводит к существенному упрочнению материалов.
Рост прочности стали после термомеханической обработки объясняется повышением плотности дислокаций в мартенсит, дроблением его кристаллов на отдельные фрагменты величиной в доли микрона, разделенные границами дислокаций или скоплениями дислокаций [3,6].
Технологические процессы ТМО применяются в машиностроении и металлургии

. При этом деформация выполняется путем прокатки, волочения, выдавливания, выкаткой в ковочных вальцах или штамповкой.
Особенно сильно ТМО сказывается на кратковременных укрепляющих свойствах, в меньшей степени - на параметрах длительной высокотемпературной прочности. Однако практически для каждого материала, который может быть подвергнут термомеханической обработке, существует область рабочих температур, где ТМО может быть эффективна и при длительной эксплуатации.
Термомеханическая обработка, как это следует из результатов промышленных испытаний, является в даней время эффективным способом экономии широко распространенных в технике сталей. Использование ТМО позволяет уменьшить расход металла при производстве массовых видов металлоизделий, уменьшить сечения, сократить количество запасных частей (в связи с увеличением надежности, заменить легированные стали на углеродные) [6,7].
При определенных условиях проявляется так называемый эффект преемственности. Он состоит в том, что укрепленная ТМО сталь может быть подвергнута высокому отпуску и затем обычной термической обработке, закалке и отпуску. При этом укрепляющий эффект ТМО частично сохраняется. Физические причины, определяющие повышение прочности в результате термомеханической обработки, состоят в том, что те изменения в строении аустенита, создаваемые при его деформации, «наследуются» мартенситом, образующийся при дальнейшей закалке.
При деформации аустенита увеличивается число («плотность»), дислокаций в нем, кристаллы аустенита дробятся на отдельные фрагменты. В зависимости от температуры деформации формируется та или иная субструктура (внутризернистая структура) аустенита. При относительно низких температурах деформации плотность дислокаций больше; при более высоких температурах - меньше, но их размещения более упорядоченное, и внутри зерен аустенита образуются суб пределы дислокаций; при еще более высоких температурах нагрева деформации, уже в ходе ее начинается рекристаллизация. Если деформация аустенита осуществляется в таких температурно-временных условий, которые приводят к рекристаллизации, но без роста зерен, может быть получено очень мелкое зерно аустенита (диаметр зерна 10-1 мкм), а при дальнейшем закаливании - соответственно кристаллы мартенсита очень малых размеров.
Это приводит к повышению значений временного сопротивления, предела текучести и понижению критической температуры хрупкости.
Опыт показывает, что ТМО применяется, в первую очередь, для получения усиленных стальных изделий со сравнительно простой геометрией с минимальной последующей механической обработкой (лист, полоса, лента, рессоры).
ТМО позволяет повысить механические свойства как сталей с низким, средним и высоким содержанием углерода, так и низко-, средне- и высоколегированных сталей [6-8].
Так, например, обкатка роликами и немедленное закаливание нагретого токами высокой частоты поверхностного слоя валов холодной прокатки позволяют повысить их износостойкость в 2-3 раза.
Широкой группой материалов, укрепляемый термомеханической обработкой, является стали с различным содержанием углерода.
В результате нагрева до температур выше точки АС3 сталь переходит в состояние аустенита, зерна которого при правильно выбранном режиме пластической деформации дробятся на фрагменты. Благодаря наличию высокой температуры параллельно с деформацией проходят диффузные процессы, направленные на перераспределение дефектов решетки и образования субструктуры [6-8].
Размеры субструктурных элементов, формируемых при ТМО, в 2-4 раза меньше аналогичных элементов, образующихся при обычном закаливании. При дальнейшей закалке такого деформированного аустенита образуются мелкие пластинки мартенсита, снижается уровень микро- напряжений, что положительно влияет на пластичность и вязкость.
Такая схема ТМО называется высокотемпературной (ВТМО) (рис. 1 а) [6].
Рис. 1. Графики режимов ТМО стали: а - ВТМО; б - НТМО (зигзагами обозначена пластическая деформация) [6]
После достижения точки Мн (начало мартенситного превращения) происходит образование мартенсита по обычной схеме.
Если предыдущую пластическую деформацию аустенита проводить в температурных условиях, когда он является тем, что переохлаждает (ниже точки АС3 и, как правило, при Т ~ 500 ° С или еще ниже), происходят аналогичные процессы и материал также значительно укрепляется. Это объясняется тем, что явление возвращения в таких условиях проходит со значительно меньшими температурами, чем в случае высокотемпературной деформации, а процессы рекристализаций вообще исключаются. Такая схема ТМО называется низкотемпературной (НТМО) (рис. 1 б) [6].
Проведение ТМО обеспечивает получение высокопрочностных сталей при испытании на растяжение. Это достигается при высокотемпературной (ВТМО) и низкотемпературной (НТМО), предусматривающей закаливания в мартенсит после теплой или горячей деформации аустенита.
Некоторое промежуточное положение между технологиями механико-термической и термомеханической обработок занимают процессы редварительной термомеханической обработки (ПТМО) [8-10].
ПТМО проводят по схеме холодная пластическая деформация -дорекристаллизационный нагрев - закалка со скоростным нагревом и короткой выдержкой - отпуск.
Перед деформированием исходной является структура ферритно-карбидной смеси. Холодная деформация повышает плотность дислокаций, перестройка которых при дорекристаллизационном нагреве создает полигонизованную структуру феррита. При последующей закалке со скоростным нагревом и короткой выдержкой субструктура наследуется при α-γ- и γ-α-превращениях, и кристаллы мартенсита получаются фрагментированными. Следовательно, механизм упрочнения при ПТМО тот же, что и в случае получения повышенной прочности при повторной закалке после ВТМО.
Предварительная термомеханическая обработка привлекает простотой технологии. Перерыв между холодной деформацией и нагревом никак не регламентирован