Термомеханическая обработка (ТМО)

Этот метод появился сравнительно недавно. При ТМО сочетают пластическую деформацию с термической обработкой таким образом, чтобы наклеп оказывал влияние на кинетику фазовых и структурных превращений, происходящих при термообработке. Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности материала его пластичность снижается незначительно, а ударная вязкость повышается в 1,5 - 2 раза.

Сущность ТМО заключается в том, что перед термической обработкой проводят пластическую деформацию высокотемпературной фазы, в результате чего при закалке она претерпевает фазовое превращение в наклепанном или частично рекристаллизованном состоянии.

В зависимости от условий проведения деформации различают высоко- и низкотемпературную термическую обработку (ВТМО и НТМО соответственно). В ходе ВТМО изменение осуществляется при температурах выше точки А_с3. Примерный режим для стали 50ХН4М заключается в следующем: нагрев до 1050 – 1100 °С для получения однородной структуры аустенита, подстуживание до 900 - 950 °С, деформация 25 – 30 % и сразу же закалка (чтобы не произошло рекристаллизации), далее низкий отпуск. В результате ожидается s_в = 2600 - 2700 МПа при d = 8 – 10 % и KCU = 0,5 - 0,6 МДж/м². Модификацию свойств в данном случае объясняют тем, что мартенситное превращение протекает в сталях с субструктурой. При ВТМО редко удается получить s_в более 2400 МПа, по-видимому, все же успевает произойти частичная рекристаллизация аустенита. Данный вид обработки применим к любым металлам и сплавам, но ее эффект проявляется сильнее в сплавах, претерпевающих мартенситную трансформацию.

НТМО используют для среднеуглеродистых легированных сталях, закаливаемых на мартенсит. При ней видоизменению подвергается переохлажденный аустенит. Обычно пластическая деформация осуществляется при температурах ниже рекристаллизационных, но выше начала мартенситного превращения. Поэтому она применима для сталей с широкой зоной устойчивости аустенита в надмартенситной области. Ориентировочные условия процесса: аустенизация при 1100 – 1150 °С, быстрое охлаждение до 450 – 550 °С и видоизменение на 75 – 95 %, т. е. осуществляется так называемая «теплая деформация», при которой дробится блочная структура аустенита. Затем производят закалку и низкотемпературный отпуск при 150 –200 °С. В ходе такой обработки получают s_в до 2800 МПа при d = 6 – 8 %, ударная вязкость в 1,5 - 2,0 раза больше по сравнению с обычной ТО. Повышение прочности материала при ТМО объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен и блоков (уменьшение в 2 - 4 раза по сравнению с обычной закалкой), увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого деформированного аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, уменьшаются напряжения второго рода, что положительно влияет на пластичность и вязкость. Термомеханическую обработку можно применять для упрочнения не только конструкционных сталей, но и других сплавов, в частности, титановых.

Вопросы для самопроверки

1. Какова цель термообработки? Какие виды ТО Вы знаете? Дайте их краткую характеристику.

2. Перечислите этапы превращения ферритно-карбидной структуры в аустенит при нагреве.

3. Как получить в стали мелкое зерно аустенита?

4. Чем отличается механизм перлитного превращения от промежуточного и мартенситного?

5. Как получить сорбит и троостит? В чем заключается их отличие данных по структуре и свойствам от перлита?

6. Какое строение (реечное или пластинчатое) имеет мартенсит у низко-, средне- и высокоуглеродистых сталей?

7. Как влияют температуры мартенситных точек М_н и М_к на концентрацию остаточного аустенита в закаленной стали? Как освободиться от него?

8. Что определяет устойчивость переохлажденного аустенита? Перечислите факторы, влияющие на критическую скорость закалки.

9. При каком превращении в сталях образуются бейнитные структуры? Каких типов они бывают? Каково их строение?

10. Чем объясняется высокая твердость мартенсита?

11. Какие виды отжигов I и II рода Вы знаете? Каково их назначение и для каких типов сталей они проводятся? Каковы рабочие режимы данных процессов ТО?

12. Опишите фазовый состав стали после завершения первого превращения при отпуске.

13. Перечислите основные процессы, происходящие при первом, втором и третьем превращениях при отпуске.

14. Почему при низких температурах отпуска (до 200 °С) сохраняются высокие твердость и прочность s_в?

15. Какие причины вызывают необратимую и обратимую отпускную хрупкость?

16. Почему с повышением температуры отпуска снижаются временное сопротивление (s_в), предел текучести (s_0,2) и увеличивается пластичность (d, y)?

17. Как изменяются величина зерна и характер структуры после полного отжига?

18. Какую сталь нужно при отжиге охлаждать медленнее — углеродистую или легированную? Почему?

19. На диаграмме Fe-Fe₃C представьте области температур закалки доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей. Почему нагрев осуществляют до этих значений?

20. Зачем применяется закалка? На диаграмме изотермического распада переохлажденного аустенита покажите кривые охлаждения для различных способов закалки.

21. Каким требованиям должны отвечать закалочные жидкости? Какие жидкости применяют для закалки, каковы их достоинства и недостатки?

22. Приведите режим закалки до- и заэвтектоидных сталей (температура аустенитизации, время нагрева, среда нагрева и охлаждения).

23. Как влияет температура аустенитизации на устойчивость переохлажденного аустенита, закаливаемость и прокаливаемость стали?

24. Какую структуру должна иметь сталь после изотермической закалки для обеспечения высокой конструктивной прочности?

25. Какие преимущества перед обычной закалкой имеет термомеханичес­кая обработка и почему?

26. Почему после поверхностной закалки повышается предел выносливости?

27. Почему температура под закалку при индукционном нагреве выше, чем при нaгревe в печи? В каком случае будет более мелкое зерно аустенита?

28. Чем отличается химико-термическая обработка от термической обработки стали?

29. Насыщение железа проводится при температуре 1000 °С в течение 6 ч углеродом и хромом. В каком случае будет больше толщина слоя и почему?

30. Что понимают под термином «эффективная толщина слоя»?

31. В каких случаях применяют цементацию, нитроцементацию и азоти-рование?

32. Какую структуру имеет цементованный и азотированный слой? Увяжите строение слоя с диаграммой состояния Fe-Fe₃C и Fe-N.

33. Укажите преимущества газовой цементации перед проведением процесса в твердом карбюризаторе.

34. Нужно получить диффузионный слой толщиной 1,5 мм и твердостью 60 HRC. Какой процесс обеспечит эти требования? Опишите технологию принятого процесса.

35. При каких температурах проводится процесс цементации? Почему?

36. Какая термическая обработка и зачем проводится после цементации и нитроцементации?

37. Какова структура цементованного слоя после термической обработки?

38. В каких случаях применяют нитроцементацию?

39. Каково основное преимущество эндотермической атмосферы для цементации (нитроцементации)?

40. Когда будут больше толщина и твердость азотированного слоя после азотирования при 520 ° С и 24 ч или при 600 °С и 24 ч?