Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

В статье проведен обзор основных видов термической обработки изделий, изготовляемых из сталей и цветных сплавов, применяемых на производстве в термических цехах.
Значительное внимание уделено физическим процессам, протекающим при таких видах обработки.
В машиностроении термическая обработка деталей и заготовок (далее – ТО) используют для направленного изменения микроструктуры конкретного сплава, которой соответствуют определенные свойства детали: механические, коррозионные свойства детали и т.п. К основным факторам, которые влияют на изменения микроструктур при ТО, относят: температуру, до которой нагревают деталь; время, в течение которого деталь находится нагретой; время охлаждения с температуры выдержки до комнатной (среда охлаждения). Варьируя данные параметры, можно получать различные варианты микроструктур и соответствующие им различные комплексы свойств.
Традиционно, в зависимости от целей, ТО делят на предварительную и окончательную. Предварительную обработку проводят для подготовки микроструктуры и свойств для того или иного технологического передела – например, устранения литейной структуры, улучшения обрабатываемости резанием, снятие сварочных напряжений и т.д., окончательной же получают необходимые эксплуатационные свойства, предъявляемые к конкретной детали [1].
В зависимости от природы обрабатываемых сплавов, целей, в машиностроении применяются следующие виды ТО: отжиг I и II рода; закалка с полиморфным превращением с последующим отпуском; закалка без такого превращения с последующим старением. Далее рассмотрим приведенные виды ТО более подробно.
Под отжигом I рода понимают ТО, где полиморфные превращения в металле не являются самоцелью, которую проводят для диффузионного выравнивания химического состава – гомогенизации; снятия литейных, сварочных напряжений; перестройки кристаллов после холодной деформации – рекристаллизация; снижение прочностных свойств и твердости [2]

.
Отжиг II рода проводят с целью прохождения полиморфных превращений в процессе обработки, тем самым получая равновесные структуры и, как следствие, снижая прочностные свойства и повышая пластические. При нагреве сплава выше критических точек полиморфного превращения образуется высокотемпературная модификация металла, а при медленном охлаждении, при перестройке кристаллической решетке успевают в полном объеме пройти нормальные, диффузионные процессы, результатом которых становится образование равновесных частиц (карбидов, интерметаллидов), свободных и в составе эвтектоидов, за счет снижения растворимости химических элементов, их образующих. Температура отжига напрямую зависит от температуры критических точек, выбирается на 30…500С выше их [1].
Закалка с полиморфным превращением, как и отжиг II рода, напрямую зависит от прохождения критических точек при охлаждении высокотемпературной модификации металла. Однако, отличием будет является большие скорости охлаждения, которые достигают варьированием охлаждающих сред (вода, масло, различные полимерные среды). При таких скоростях нормальное превращение становится невозможным; карбиды выделиться не успевают и остаются растворенными, создавая искажения и напряжения в кристаллической решетке. Однако, при охлаждении, вследствие многих энергетических условий, перестроение решетки все-таки происходит, но своеобразно: перемещение атомов решетки происходит на минимально возможное расстояние. Следствием является получение так называемой закалочной структуры, характеризующейся высоким уровнем прочностных свойств и остаточных напряжений, которые недопустимы при эксплуатации деталей.
Отпуск проводится после закалки с целью получения комплекса свойств, закладываемых конструктором при проектировании детали при температурах от 1000С до температур чуть ниже критических. Если в процессе выдержки при низких температурах только снимаются закалочные напряжения, то при более высоких происходит выделение и коагуляция карбидов, их размеры прямо пропорционально зависят от температуры отпуска