Основные виды термической обработки

Отжиг I рода возможен для любых металлов и сплавов. При его проведении не регистрируется никаких фазовых превращений в твердом состоянии. Нагревом частично или полностью устраняется химическая неоднородность, уменьшаются внутренние напряжения и получается равновесное состояние (структура) с максимальной пластичностью и минимальной прочностью. Это термическая операция, состоящая из нагрева выше линий точек А_с3 и А_с1 и последующим медленным охлаждением вместе с печью. Скорость остывания при этом самая минимальная и составляет около 8 °С/с.

Различают следующие разновидности отжига 1 рода:

- диффузионный (гомогенизирующий) для устранения химической неоднородности, которая образовалась при кристаллизации сплава. Режим нагрева до 1050 – 1200 °С, t_выд. – 8 – 10 ч. Гомогенизирующему отжигу подвергают в основном легированные стали;

- рекристаллизационный применяют после холодной пластической деформации для получения равновесного состояния сплава и восстановления его пластичности. Температура 680 – 730 °С, t_выд. – зависит от толщины сечения и для тонких листов и проволоки составляет 25 – 30 мин.

- для снятия напряжений, возникающих при ковке, сварке и литье. Отжиг осуществляют при 400 – 600 °С с выдержкой 2,5 мин на 1 мм толщины сечения. Его проводят для деталей из углеродистой стали (рис. 1.47).

Отжиг II рода - нормализация. Так называют отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения при нагреве (760 – 1040 °С) и охлаждении. Данную термическую обработку проводят для сплавов, в которых имеются полиморфные, эвтектоидные или перитектоидные превращения, а также может быть переменной растворимость в твердом состоянии. Основное его назначение - более полное изменение фазового состава. С уменьшением межпластинчатого расстояния твердость и прочность повышаются, а пластичность понижается.

В зависимости от температуры нагрева различают полный и неполный отжиг. Полный отжиг обычно применяют для доэвтектоидной стали. Изделия нагревают до температуры (830 – 1040 °С), обеспечивающей полную перекристаллизацию первоначальной структуры. При охлаждении сталь будет иметь мелкозернистую структуру.

Неполный отжиг (760 – 820 °С) используют в основном для заэвтектоидной стали. Вторичный цементит, входящий в состав стали, приобретает форму глобул. Поэтому такой отжиг называют сфероидизацией. Неполный отжиг для доэвтектоидной стали применяют в тех случаях, когда необходимо только понижение твердости (рис. 1.47).

Рис. 1.47. Оптимальные температуры нагрева сталей на фрагменте диаграммы состояния Fe - Fe₃C при начальных стадиях термической обработки (заштриховано): 1 – гомогенизация; 2 – 4 – отжиги: 2 - низкотемпературный для снижения твердости и рекристаллизационый; 3 - для снятия напряжений; 4 - полный с фазовой перекристаллизацией; 5 и 6- нормализация доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей для разрушения цементитной сетки; 7 - сфероидизация; 8 - неполный отжиг доэвтектоидных сталей.

Закалка, как и отжиг II рода, осуществляется только для металлов и сплавов, имеющих фазовые превращения в твердом состоянии. Цель процесса закалки – это получение структур высокой прочности и твердости. Нагрев доэвтектоидных сталей проводят до температур, превышающих значения А_С3, а заэвтектоидных – А_С1 на 30 - 50 °С. Главное отличие закалку проводят с быстрым охлаждением. Для получения нужной структуры детали остужают с различной скоростью. Охлаждение после закалки можно проводить в двух средах: минеральном масле и воде. В масле скорость остывания сталей составляет около 100 °С/с. Скорость охлаждения сплавов в воде составляет 450 – 1000 °С/с. Сплав мгновенно остывает до температур ниже 200 °С. Резкое охлаждение создает в металле большие внутренние напряжения. Под их действием в зернах возникают сдвиговые деформации. В плоскостях смещения подвижность ядер сильно повышается, в данном месте наблюдается перестройка первоначальной решетки, но для полного изменения структуры необходимо более глубокое охлаждение до отрицательных температур (рис. 1.48).

Рис. 1.48 - Оптимальные температуры нагрева сталей на фрагменте диаграммы состояния Fe - Fe₃C при заключительных операциях ТО (заштриховано): 1, 2 – закалка доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей; 3 – высокий; 4 – средний и 5 – низкий отпуск

Отпуск или старение заключается в нагреве до температур ниже точек фазовых превращений А₁ (727 °С), выдержке при этом параметре, длительностью, обеспечивающей диффузионные трансформации в соответствии с данными условиями, габаритами толщиной деталей, и охлаждении преимущественно на воздухе, так как скорость остывания не влияет на формирование строения структуры. Целью отпуска является частичное разложение закалочных структур, снятие внутренних напряжений, повышение пластичности и уменьшение твердости. Этот вид термической обработки применим лишь к закаленным сталям, находящимся в термодинамически неустойчивом состоянии. Поэтому при последующем разогревании сплав стремится к более стабильному состоянию. В результате него уменьшается внутреннее напряжение, стали переходят в более равновесное состояние. Отпуск является окончательной термической обработкой. В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска:

1. При низкотемпературном (низком) в процессе нагрева закаленной стали происходит заметный распад закалочных структур. Вследствие весьма большого запаса свободной энергии и повышения диффузионной подвижности ядерных остовов избыточный углерод выделяется из твердого раствора и образует зародыши карбидных частиц. Концентрация неметалла в решетке убывает, тетрагональность ее уменьшается. Блоки мозаики кристаллов укрупняются.

Это заметно снижает прочность, приобретенную закалкой, т. е. «отпускает». Существенно уменьшаются внутренние закалочные напряжения, поэтому значительно повышается пластичность. Низкотемпературный отпуск применяется для обработки инструментальных сталей, после закалки цементованных деталей. Низкотемпературный отпуск проводят с нагревом до 160 – 250 °С.

2. Среднетемпературный (средний) отпуск закаленной стали приводит к дальнейшему разложению структуры. Его выполняют при 250 – 450 °С. В ходе данного процесса ТО у некоторых легированных сталей в ряде случаев снижается ударная вязкость. Это явление, происходящее в интервале 300 – 400 °С, получило название отпускной хрупкости первого рода (необратимой). Поэтому температуру среднего отпуска следует назначать такую, чтобы не вызвать отмеченного факта. Ему подвергают закаленные пружины, рессоры, штампы и тому подобное.

3. При высокотемпературном (высоком) отпуске распад закалочной структуры протекает с высокой скоростью, полнее снимаются внутренние напряжения, повышается пластичность, снижаются прочность и твердость. Нагрев при высокотемпературном отпуске проводят до 450 – 650 °С (для легированных сталей – 680 °С) (рис. 1.48). В некоторых случаях у отдельных легированных сплавов при 500 – 550 °С наблюдается отпускная хрупкость второго рода (обратимая). Это происходит тогда, когда после отпуска сталь продолжительно выдерживают при указанной температуре или медленно охлаждают.

При отпуске необходимо принимать в расчет, что процесс протекает значительно медленнее, так как при низких температурах разогрев осуществляется главным образом конвекцией, а не лучеиспусканием.

Закалка в сочетании с высоким отпуском называется термоулучшением и применяется для обработки ответственных деталей машин: шестерен, валов и других. Металлические изделия после термоулучшения хорошо работают при ударных и знакопеременных нагрузках.

Структуры отпуска в отличие от одноименных структур закалки имеют зернистую, а не пластинчатую форму. Это изменение конфигурации улучшает многие свойства сталей. При одинаковых значениях твердости, пределов прочности (s_в) и текучести (s_0,2) сталь с отпускными структурами имеет более высокие значения относительного сужения (j) и коэффициент ударной вязкости (КСV), а также сопротивление усталостному разрушению, чем сплав с аналогичными строениями закалки. В то же время при равных величинах пластичности и вязкости сталь после закалки и отпуска обладает наибольшей прочностью.