Теория термообработки.
Термообработкой называется тепловое воздействие на металл с целью направленного изменения его структуры и свойств.
Классификация видов термообработки:

Отжиг.
Отжигом называют термообработку, направленную на получение в металлах равновесной структуры. Любой отжиг включает в себя нагрев до определенной температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение. Цель отжига – уменьшить внутренние напряжения в металле, уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность. Отжиг делят на отжиг 1 рода и 2 рода.
Отжиг 1 рода – это такой вид отжига, при котором не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями.
Отжиг 1 рода в свою очередь разделяют на 4 группы:
1. Гомогенизация – отжиг, направленный на уменьшение химической неоднородности металлов, образующейся в результате рекристаллизации. В отличие от чистых металлов, все сплавы после кристаллизации характеризуются неравновесной структурой, т.е. их химический состав является переменным как в пределах одного зерна, так и в пределах всего слитка.
Химическая неоднородность обусловлена различной температурой плавления исходных компонентов. Чем меньше это различие, тем более заметна химическая неоднородность, получающаяся в слитке. Избавится от нее невозможно, можно только уменьшить. Для этого применяют высокотемпературный отжиг с длительными выдержками (от 2 до 48 часов). При высокой температуре подвижность атомов в кристаллической решетке высокая и с течением времени за счет процессов диффузии происходит постепенное выравнивание химического состава. Однако усреднение химического состава происходит в пределах одного зерна, т.е. устраняется в основном дендритная ликвация. Чтобы устранить зональную ликвацию (химическую неоднородность в пределах части слитка), необходимо выдерживать слитки при данной температуре в течение нескольких лет. А это практически невозможно.
В процессе отжига на гомогенизацию происходит постепенное растворение неравновесных интерметаллидных фаз, которые могут образоваться в результате кристаллизации с большой скоростью. При последующем медленном охлаждении после отжига такие неравновесные фазы больше не выделяются. Поэтому после гомогенизации металл обладает повышенной пластичностью и легко поддается пластической деформации.
2. Рекристаллизационный отжиг. Холодная пластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, таких как вакансии, дислокации. Образование ячеистой структуры происходит с изменением формы зерен, они сплющиваются, вытягиваются в направлении главной деформации. Все эти процессы ведут к тому, что прочность металла постепенно увеличивается, пластичность падает, т.е. возникает наклеп или нагартовка. Дальнейшая деформация такого металла невозможна, т.к. происходит его разрушение. Для снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т.е. нагрев металла до температур выше начала кристаллизации, выдержку с последующим медленным охлаждением. Температура нагрева зависит от состава сплава. Для чистых металлов температура начала рекристаллизации tp=0,4Тпл, єК, для обычных сплавов порядка 0,6Тпл, для сложных термопрочных сплавов 0,8Тпл.
Продолжительность такого отжига зависит от размеров детали и в среднем составляет от 0,5 до 2 часов. В процессе рекристаллизационного отжига происходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих зародышей. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество дефектов в кристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и металл возвращается в исходное состояние.
Степень деформации определяет размер зерна после отжига. Если она близка к критической ((кр=5-15%), то в результате после отжига в металле возникают крупные зерна, что обычно нежелательно. Поэтому перед рекристаллизационным отжигом деформацию металлов производят со степенью 30-60%. В результате получается мелкозернистая однофазная структура, обеспечивающая хорошее сочетание прочности и пластичности. Увеличение степени деформации до 80-90% вызывает появление в металле текстуры деформации. После рекристаллизационного отжига текстура деформации меняется на текстуру рекристаллизации. Как правило, это сопровождается резким направленным ростом зерна. Увеличение размеров зерна, т.е. снижение механических свойств, может вызвать также слишком большая температура отжига или большая выдержка. Поэтому при назначении режимов отжига необходимо использовать диаграмму рекристаллизации.
Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная, промежуточная, так и как окончательная термообработка. Как предварительная термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между операциями холодной деформации, если суммарная степень деформации слишком велика и запасов пластичности металла не хватает. Как окончательный вид отжига его применяют в том случае, если потребитель требует поставки полуфабрикатов в максимально пластичном состоянии. В некоторых случаях потребителю требуется полуфабрикат, сочетающий определенный уровень прочности с необходимым запасом пластичности. В этом случае вместо рекристаллизационного отжига используют его разновидность – отжиг на полигонизацию. Отжиг на полигонизацию проводят при температуре, которая ниже температуры начала рекристаллизации. Соответственно при такой температуре происходит лишь частичное устранение наклепа за счет процессов возврата второго рода, т.е. происходит уменьшение плотности дефектов кристаллической решетки, образование ячеистой дислокационной структуры без изменения формы зерен. Степень уменьшения наклепа зависит, прежде всего, от температуры. Чем ближе температура к порогу рекристаллизации, тем меньше наклеп, тем больше пластичность и наоборот.
3. Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения в металле могут возникать в результате различных видов обработки. Это могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, т.е. появившиеся в результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т.е. возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений производится с помощью специальных видов отжига. Этот отжиг проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации: tотж=0,2-0,3Тпл є К. Повышенная температура облегчает скольжение дислокаций и, под действием внутренних напряжений, происходит их перераспределение, т.е. из мест с повышенным уровнем внутренних напряжений дислокации перемещаются в области с пониженным уровнем. Происходит как бы разрядка внутренних напряжений. При нормальной температуре этот процесс будет длиться в течение нескольких лет.
Увеличение температуры резко увеличивает скорость разрядки, и продолжительность такого отжига составляет несколько часов.
4. Патентирование. Смотреть термообработку стали.
Отжиг второго рода – термообработка, направленная на получение равновесной структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения.
При отжиге второго рода нагрев и последующее охлаждение может вызвать как частичную, так и полную замену исходной структуры. Полная замена (((((() в результате двойной перекристаллизации позволяет кардинально изменить строение сплава, уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние напряжения, т.е. полностью изменить структуру и свойства детали. Отжиг второго рода может быть полным и неполным.
Полный отжиг сопровождается полной перекристаллизацией. При неполном отжиге структурные превращения происходят не полностью, с частичным сохранением исходной фазы. Неполный отжиг применяется в тех случаях, когда можно изменить строение второй фазы, исчезающей и вновь появляющейся при этом виде отжига.
Закалка – это термообработка, направленная на получение в сплаве максимально неравновесной структуры и соответственно аномального уровня свойств. Любая закалка включает в себя нагрев до заданной температуры, выдержку и последующее быстрое резкое охлаждение. В зависимости от вида фазовых превращений, происходящих в сплаве при закалке, различают закалку с полиморфным превращением и закалку без полиморфного превращения.
Закалка с полиморфным превращением. Этот вид закалки применяется для сплавов, в которых один из компонентов имеет полиморфные превращения.
При закалке с полиморфным превращением нагрев металла производится до температуры, при которой происходит смена типа кристаллической решетки в основном компоненте. Образование высокотемпературной полиморфной структуры сопровождается увеличением растворимости легирующих элементов. Последующее резкое охлаждение ведет к обратному изменению типа кристаллической решетки, однако из-за быстрого охлаждения в твердом растворе остается избыточное содержание атомов других компонентов, поэтому после такого охлаждения образуется неравновесная структура. В металле сохраняются внутренние напряжения. Они вызывают резкое изменение свойств, увеличивается прочность, уменьшается пластичность. При быстром охлаждении перестройка кристаллической решетки происходит за счет одновременного смещения целы групп атомов. В результате вместо обычных зерен в металле появляется игольчатая структура, которая называется мартенситом. Неравновесное состояние металла после такого типа закалки является термодинамически неустойчивым. Поэтому, чтобы перевести металл в более устойчивое состояние, получить необходимый уровень внутренних напряжений, а соответственно и необходимые механические свойства, применяют дополнительную термообработку, которую называют отжиг.
Закалка без полиморфного превращения.
Применяется для сплавов, не испытывающих полиморфных превращений, но имеющих ограниченную растворимость одного компонента в другом.
Если сплав, содержащий вторичные фазы, нагреть до температуры выше линии солидус, то увеличение растворимости приведет к растворению вторичных фаз.
Если теперь такой твердый раствор быстро охладить, то выделение вторичных фаз образоваться не успеет, т.к. для этого требуется время на прохождение процесса диффузии, образование другой кристаллической решетки, границ раздела между фазами. В результате, при нормальной температуре пересыщенный метастабильный твердый раствор содержит избыток второго компонента. Такое изменение структуры изменяет свойства сплава, прочность может, как увеличиться, так и уменьшиться, а пластичность, как правило, увеличивается.
Состояние металла после такой закалки является термодинамически неустойчивым. Самопроизвольно или под влиянием предварительного нагрева метастабильный твердый раствор начинает распадаться с выделением вторичной фазы, т.е. ?м(?+?ІІ. Этот процесс называется старением. Таким образом, старение – это термообработка, которая проводится после закалки без полиморфного превращения, направленная на получение в сплаве более равновесной структуры и заданного уровня свойств.
Отпуск.
Отпуск – термообработка, направленная на уменьшение внутренних напряжений в сплавах после закалки с полиморфным превращением. Образование вторичных фаз после закалки с полиморфным превращением всегда сопровождается резким увеличением внутренних. Соответственно максимально увеличиваются прочность и твердость, до минимума падает пластичность. Чтобы получить необходимое соотношение прочности и пластичности, такой сплав после закалки подвергают дополнительной термообработке: отпуску. Нагрев вызывает уменьшение концентрации легирующих элементов в твердом растворе и выделение вторичных фаз.
После закалки без полиморфного превращения сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора. Такое состояние сплава – нестабильное и с течением времени начинает меняться. Пересыщенный твердый раствор распадается с выделением из него мелких включений вторичной фазы. Этот процесс проходит в несколько стадий:
На первой стадии в кристаллической решетке твердого раствора появляются зоны, обогащенные атомами второго компонента. С течением времени эти зоны увеличиваются.
На второй стадии концентрация атомов второго компонента достигает величины, соответствующей по концентрации выделения вторичной фазы.
Наступает третья стадия, т.е. формирование в этих зонах промежуточной кристаллической решетки, которая отличается то решетки твердого раствора и от решетки вторичной фазы.
На четвертой стадии увеличение концентрации второго компонента приводит к образованию окончательной кристаллической решетки вторичной фазы и образованию границы раздела между твердым раствором и вторичной фазой. Так как процесс распада твердого раствора основан, прежде всего, на диффузионных процессах, то он в значительной степени зависти от температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс распада. Если температура нормальная, то процесс распада называется естественным старением, а если температура повышенная, то - искусственным старением. В результате, после старения структура сплава представляет собой зерна твердого раствора равновесного химического состава, с равномерно распределенным по объему, огромным количеством мелких выделений вторичной фазы. Эти выделения, располагаясь на плоскостях скольжения, препятствуют перемещению дислокаций, требуют увеличение скалывающего напряжения.
Соответственно, прочность и твердость сплава увеличиваются.

Химико-термическая обработка (ХТО).
Это одновременное воздействие на металл химической среды, тепла с целью направленного изменения состава и свойств поверхности детали. Различные виды ХТО направлены либо на повышение коррозионной стойкости, либо прочности и твердости, износостойких, антифрикционных свойств. Изменяя состав химической среды, можно в одних и тех же деталях получать различные свойства.

Термомеханическая обработка.
Это сочетание пластической деформации, упрочняющей термообработки, причем образующийся в результате деформации наклеп сохраняется и влияет на фазовые превращения, происходящие при термообработке.
Такое комплексное воздействие на металл позволяет получить уровень свойств в металле более высокий, чем можно получить после деформации или после термообработки в отдельности.

Термообработка сталей.
Критические точки в диаграмме FE-C.
Это температурные точки фазовых превращений. Их обычно принято обозначать буквами Ас и Аr.
Ас – точка соответствует нагреву, температура увеличивается.
Аr – точка соответствует охлаждению, температура уменьшается.
1) Точка АС1 – первая критическая точка (линия PSK). Температура равновесная, равная 727 (С. На этой линии идет реакция перехода П (А.
2) Точка АС2 =768 (С. Переход железа из магнитного в парамагнитное состояние.
3) Точка АС3 (линия GS), в зависимости от химического состава, температура меняется от 911 до 727 (С. Превращение: Ф (А.
4) Точка АС4 (линия NY), температура 1400 (С и выше. Превращение: А (S
–феррит. Выше этой точки стараются не нагревать.
5) Точка Асm (линия SE) А+Ц(( (А

Нагрев и охлаждение.
Процесс термообработки стали, в любом случае, включает в себя нагрев и охлаждение, при этом происходят структурные и фазовые превращения. Эти превращения принято разделять на четыре основных вида:
1. П ( А при повышении температуры;
2. А ( П при уменьшении температуры;
3. А ( М при закалке (температура значительно уменьшается, быстрое охлаждение);
4. М ( П при отпуске (температура увеличивается).
По прохождении этих процессов при редких вариантах термообработки зависит окончательная структура сталей а, следовательно, свойства деталей.
Первое основное превращение в стали:

П ( А (температура увеличивается)
Первое основное превращение происходит, практически, при всех видах отжига и закалки в процессе нагрева стали. Превращение перлита в аустенит начинается при нагреве стали выше первой критической точки АС1. При этом зерна (Ф+Ц) в перлитном зерне взаимодействуют между собой и образуется зародыш зерна аустенита: Ф+Ц(А
Так как поверхности раздела между ферритом и цементитом в зерне перлита очень много, то в начальный момент времени возникает огромное количество зародышей аустенита. Начальное зерно аустенита всегда очень мелкое.
Увеличение температуры нагрева вызывает постепенный рост зерна аустенита.
Чем выше температура, тем крупнее зерно.
Одновременно с ростом зерна аустенита происходит растворение крупных включений цементита и выравнивание содержания углерода по сечению деталей.
Рост зерна аустенита в различных сталях идет по-разному. Если увеличение температуры вызывает медленный рост зерна, чем больше температура, тем больше зерно, то такую сталь называют наследственно крупнозернистой. Если же увеличение температуры вызывает рост зерна только при нагреве до температуры 950-1000 (С, то такую сталь называют наследственно мелкозернистой.
Крупнозернистая сталь – это кипящая, т.е. раскаленная Mg и C.
В структуре этой стали нет никаких включений, сдерживающих границы зерен.
Поэтому зерно в такой стали увеличивается пропорционально росту температуры.
Наследственно мелкозернистая сталь – это спокойная сталь, она раскалена Al.

FeO + Al ( Fe + Al2O3
Мелкое включение окиси Al сдерживает границы зерен от перемещения при нагреве до температур до 950 (С, но дальнейший рост температуры вызывает резкий рост зерна и его размер может даже превысить размер зерна в крупнозернистой стали. Для того чтобы определить, к какому типу относится данная сталь, проводят испытания на стандартную пробу, т.е. нагревают сталь до температуры 930 (С и держат 8 часов. Если зерно увеличилось, то сталь крупнозернистая, если не увеличилось, то сталь мелкозернистая.
Размер зерна аустенита является очень важной характеристикой. Чем крупнее зерно аустенита, тем соответственно будет крупнее зерно перлита или мартенсита, образующиеся после отжига или закалки. Крупное же зерно всегда нежелательно, т.к. снижает ударную вязкость стали.

Второе основное превращение:

А ( П (температура уменьшается)

Это превращение происходит при медленном охлаждении стали, т.е. в процессе отжига. Начинается оно образованием первых зародышей цементита на границе зерна аустенита при понижении температуры ниже точки А1.

Если зерно А было крупным, соответственно крупным будет и зерно П.

Если охлаждение идет медленно, то диффузия углерода успевает пройти на большее расстояние, соответственно образуется зерно перлита и цементита большой толщины.

Если охлаждение идет быстро, то диффузия пройти не успевает, образуются

тонкие пластины Ф и Ц, структура перлита будет мелкодисперсной, от которой зависти твердость стали. Чем крупнее перлитные пластины, тем меньше твердость и наоборот. Поэтому, при медленном охлаждении твердость стали всегда получится меньше.

Изотермическая диаграмма распада.

Четвертое превращение М ( П.
Структура закаленной стали, то есть М является т/д неустойчивой. Это объясняется, во-первых чрезмерным количеством с в твердом растворе. Во- вторых, большим количеством внутренних дефектов кристаллического строения, в-третьих наличием остаточного аустенита. Однако, самопроизвольно при нормальной температуре сталь не может перейти в более устойчивое состояние, так как для перестройки структуры требуется дополнительная энергия. Распад неустойчивой структуры возможен лишь при повышении температуры. Такая перестройка начинается начиная с небольшого нагревания до 1000 и заканчивается при достижении температурой т. А1 (то есть 7000). Условно процесс перестройки температуры можно разбить на три стадии:
1. При нагреве до 2000С. В этом интервале температур из М закалки выделяется избыток углерода в виде мельчайших выделений цементита Fe3C. В результат внутреннее напряжение в мартенсите уменьшается, и такой мартенсит называют мартенситом отпуска. Выделение из мартенсита цементита сопровождается уменьшением объема стали.
2. 200-4000С. При этих температурах продолжается превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска при уменьшении объема и одновременно с этим остаточный аустенит, который сохранился в закаленной стали, превращается в мартенсит закалки. Этот процесс идет с увеличением объема стали. Если остаточного аустенита много, то это увеличение объема можно компенсировать. Изменение объема связано с переходом мартенсита закалки в мартенсит отпуска.
3. 400-6000С. При этих температурах мартенсит отпуска распадается на смесь феррита и цементита Мотп ( Ф+Ц. Чем выше температура, тем больше размер образовавшихся зерен феррита и цементита. Кроме того, меняется и форма цементитных включений. В отличии от пластинчатой формы, которая образуется при распаде аустенита в момент перехода его в перлит, при превращении мартенсита в перлит частицы цементита округлые, то есть сферические. В результате такого изменения структуры меняется вязкость стали. Чем мельче частицы цементита и чем они более круглые, тем выше вязкость. Размер округлых включений цементита зависит только от температуры, чем выше температура, тем включений больше, но одновременно с увеличением размера включений уменьшается и твердость и вязкость стали.

Практика термообработки сталей.

При изготовлении деталей для изменения структуры и свойств стали применяют различные операции термообработки. К ним относят отжиг, закалку и отпуск.

Отжиг сталей.
Отжиг – это термообработка, направленная на уменьшение прочности и твердости и повышение пластичности стали. Температура отжига определяется его назначением и зависит от содержания углерода.
Для доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей применяют различные виды отжига.
Это объясняется разным назначением сталей.

Отжиг доэвтектоидной стали.
Для доэвтектоидной стали можно применять как отжиг 1 рода, так и отжиг 2 рода. Из отжигов 1 рода для стали применяют отжиг на рекристаллизацию
(применяют для малоуглеродистой стали, то есть содержании с менее от
0,25%). Эта сталь предназначена для холодной штамповки. При деформации в ней возникает упрочнение, то есть наклеп, который снимается отжигом на рекристаллизацию.
1. Рекристаллизационный отжиг проходит при температурах 6800С, время отжига

4-12 часов.
2. Отжиг на снятие внутренних напряжений. Этот вид отжига применяется для устранения внутренних напряжений, которые возникают в процессах резки, сварки, шлифования. Снятие внутренних напряжений происходит за счет процессов возврата. Продолжительность и температура такого отжига зависит от вида напряжений, от размеров деталей, химического состава стали (до

6000С), 2-12 часов. Большинство конструкционных деталей изготавливается из средне- и высокоуглеродистых сталей. Температура рекристаллизационного отжига таких сталей практически совпадает с температурой т. А1, поэтому в большинстве случаев для изменения структуры и свойств стали применяют отжиг 2 рода.

Для доэвтектоидной стали в основном применяют полный отжиг. При таком отжиге происходит полная смена структуры стали, что позволяет устранить все дефекты, вызванные холодной деформацией, сваркой, резкой и так далее.

Отжиг 2 рода для доэвтектоидной стали принято разделять на 4 вида: