Главная

Терминология теории термообработки

Термообработка – это воздействие тепла на металл для того, чтобы была возможность направленно изменить его свойства и структуру.

Виды термообработки классифицируют:

Отжиг

Отжиг – это термообработка с целью получения в металлах структуры равновесного характера. Отжиг проходит в несколько этапов, включающих в себя прогрев до нужной температуры, а также выдержку при полученной температуре и медленное остывание. Целью отжига является уменьшение напряжения внутри металла, снижение прочностных свойств и увеличение пластичности. Отжиг бывает отжигом первого и второго рода.

Отжиг первого рода – это отжиг, во время которого не происходит изменений структуры, которые связаны с фазовым превращением.

Отжиг первого рода делится на четыре группы, представленные ниже.

1. Гомогенизация – это вид отжига, целью которого является снижение неоднородности металлов с химической точки зрения, образованных в итоге рекристаллизации. Различие чистых металлов и сплавов, полученных в ходе рекристаллизации, обусловлено неравновесной структурой. Другими словами, химический состав одного зерна и слитка в целом является переменным.

Из-за разной температуры во время плавки исходных элементов образуется химическая неоднородность. С уменьшением этого различия возрастает химическая неоднородность в полученном слитке. Избавиться от данного эффекта невозможно, но можно свести его к минимуму применением высокотемпературного отжига, выдержки во время которого, достаточно длительны (2-48 часов). Во время воздействия высоких температур наблюдается высокая подвижность атомов, находящихся в кристаллической решётке. Со временем химический состав постепенно выравнивается в результате диффузионных процессов. Тем не менее, химический состав усредняется только в одном зерне, устраняя главным образом дендритную ликвацию. Для устранения зональной ликвации, т.е. химической неоднородности в части слитка, нужна выдержка слитков, проходящая в данной температуре и составляющая несколько лет. К сожалению, на практике это невозможно.

Интерметаллидные неравновесные фазы понемногу растворяются в ходе отжига на гомогенизацию. Существует возможность образования этих фаз с большой скоростью в результате кристаллизации. После отжига происходит медленное охлаждение, которое приводит к тому, что подобные неравновесные фазы не выделяются. В результате гомогенизации, металл характеризуется повышенной пластичностью и его можно легко деформировать.

2. Отжиг рекристаллизационный. Изменение свойств металла и его структуры вызвано холодной пластической деформацией. Повышение в кристаллической решётке (дислокации, вакансии) плотности дефектов вызвано сдвиговой деформацией. Ячеистая структура образовывается с модификацией формы зёрен, которые вытягиваются, сплющиваются по направлению к главной деформации. Всё это приводит к уменьшению пластичности и постепенному повышению прочности металла. Другими словами, образуется нагартовка или наклёп. Деформация подобного металла в дальнейшем невозможна, потому что он может разрушиться. Чтобы снять эффект упрочнения используют рекристаллизационный отжиг. Во время этого процесса, металл сначала нагревают до температуры, выше, чем в начале кристаллизации, а затем выдерживают и постепенно охлаждают.

Температура нагрева определяется составом сплава. Если речь идёт о чистых металлах, температуру, во время которой начнётся рекристаллизация, рассчитывают по формуле: tp=0,4Тпл,ºК, а для сплавов: tp=0,6Тпл,ºК, и для сложных термически прочных сплавов: tp=0,8Тпл,ºК. Время подобного отжига обусловлено размерами детали. Если брать среднюю величину, то это 0,5-2 часа. Во время рекристализационного отжига образуются зародыши новых зёрен и растут в последующем.

Деформированные старые зёрна постепенно пропадают. В кристаллической решётке снижается количество дефектов, устраняется наклёп, а металл приобретает исходное состояние.

Из расчёта размеров зерна, полученного в ходе отжига, определяют деформацию. После этого процесса, если деформация приближена к критической (eкр=5-15%), в металле появляются крупные зёрна, а это нежелательно. Для устранения данного эффекта непосредственно до процесса рекристаллизационного отжига производится деформация металлов со степенью 30-60%. Результатом этого является однофазная мелкозернистая структура, которая обеспечивает соединение пластичности и прочности. В металле появляется текстура деформации с повышением до 80-90% степени деформации. После завершения рекристаллизационного отжига изменяется текстура деформации, уступая место текстуре рекристаллизации. Чаще всего, во время этого направленно резко растёт зерно. Также размеры зерна могут быть увеличены, т.е. снижены механические свойства из-за большой выдержки или большой температуры отжига. Вот почему нужно применять диаграмму рекристаллизации для назначения режимов отжига.

Рекристаллизационный отжиг используют в качестве предварительной, промежуточной и окончательной термообработки. Для предварительной термообработки его используют перед процессом холодной деформации в случае, когда исходный металл имеет какую-либо степень упрочнения и неравновесное состояние. В качестве промежуточной термообработки рекристаллизационный отжиг используют между операциями, протекающими с холодной деформацией, когда запаса пластичности у металла не хватает и слишком велика степень деформации. В качестве окончательного отжига его используют, когда потребителю нужна поставка полуфабрикатов, находящихся в наиболее пластичном состоянии. Иногда потребителю нужны полуфабрикаты, соединяющие в себе необходимый запас пластичности с определённым уровнем прочности. Тогда применяют разновидность рекристаллизационного отжига, называемую отжигом на полигонизацию, проводимым при температуре, меньше той, при которой начинается рекристаллизация. За счёт процесса возврата второго хода при воздействии данной температуры наклёп устраняется лишь частично, т.е. плотность дефектов кристаллической решётки снижается, без модификации формы зёрен образуется ячеистая дислокационная структура. Существует зависимость от температуры степени снижения наклёпа: чем ближе к началу рекристаллизации, тем наклёп меньше и больше пластичность.

3. Освобождение от внутренних напряжений посредством отжига. В металле из-за разных видов обработки возникают внутренние напряжения. К ним относятся:

  • термические напряжения, полученные из-за неравномерного нагрева, разницы в скоростях охлаждения после процесса горячей деформации, проходящей в отдельных частях детали, резания, шлифовки, сварки и литья;
  • структурные напряжения, возникшие в результате прохождения в детали структурных изменений в разных местах с разной скоростью.

Рабочие напряжения, полученные в результате работы, складываются с внутренними, достигающими иногда больших величин. Из-за неожиданного увеличения предела прочности внутренних напряжений иногда возникает разрушение. Устраняют внутренние напряжения посредством специальных типов отжига. Данный отжиг проводят при температурах, которые ниже, чем во время рекристаллизации.

Температура отжига рассчитывается: tотжига=0,2-0,3Тпл,ºК. Скольжение дислокаций облегчается благодаря повышенной температуре, а их перераспределение происходит из-за действия внутренних напряжений. Такое перераспределение заключается в том, что дислокации перемещаются в область пониженного давления из мест, внутренние напряжения в которых повышены. Этот процесс займёт несколько лет, если будет проводиться при воздействии нормальных температур. С повышением температуры резко возрастает скорость разрядки, благодаря чему время прохождения данного отжига рассчитывается в часах.

4. Патентирование (см. термообработка стали)

Термообработка для получения в сплавах и металлах, которые испытывают фазовые напряжения, равновесной структуры, называется отжигом второго рода.

Во время отжига второго рода происходящий нагрев, а также последующее охлаждение вызывает полную или частичную замену начальной структуры. Замена полная, обозначаемая aRbRa, в ходе двойной перекристаллизации приводит к кардинальному изменению строения сплава, уменьшению размеров зерна, устранению наклёпа, снятию внутренних напряжений, другими словами, к полному изменению свойств и структуры детали. Различают отжиг 2-го рода неполный и полный.

При полном отжиге проходит полная перекристаллизация. Во время неполного отжига превращения структуры совершаются неполностью и частично сохраняется исходная фаза. Неполный отжиг используют, когда существует возможность изменения строения второй фазы, которая во время такого отжига исчезает и появляется вновь.

Закалка

Для получения в сплаве наиболее неравновесной структуры и аномальных показателей свойств, применяют особую термообработку – закалку. Закалка проходит в несколько этапов: нагрев до нужной температуры, выдержка и быстрое охлаждение. Закалка бывает без превращения полиморфного характера и с полиморфным превращением, что зависит от типа фазовых превращений, которые происходят в сплаве во время закалки.

Закалка с превращением полиморфного характера

Используют такую закалку для сплавов, хоть один элемент которых характеризуется полиморфными превращениями.

Во время данной закалки происходит нагрев металла до такой температуры, под воздействием которой в основном элементе произойдет изменение типа кристаллической решётки.

Высокотемпературная полиморфная структура образуется вместе с повышением растворимости легирующих компонентов. Обратное изменение вида кристаллической решётки происходит в результате резкого охлаждения. Но из-за того, что такое охлаждение пройдёт слишком быстро, в твёрдом растворе останется много атомов других элементов, в результате появятся неравновесные структуры. В металле остаются внутренние напряжения, которые влекут за собой сильное изменение свойств, благодаря чему снижается пластичность и повышается прочность. Во время быстрого охлаждения из-за одновременных сдвигов групп атомов происходит процесс перестройки всей кристаллической решётки. Обычные зёрна в металле сменяет игольчатая структура, называемая мартенситом. После закалки неравновесное состояние, в котором прибывает металл, характеризуется термодинамической неустойчивостью. Для перевода металла в наиболее устойчивое состояние, получения нужного уровня внутренних напряжений и нужных механических свойств используется дополнительная термообработка, называемая отжигом.

Закалка без процесса полиморфного превращения

Её используют для тех сплавов, которые не испытывают полиморфные превращения, но один компонент растворяется в другом достаточно ограниченно. Если сплав, имеющий вторичные фазы, нагревают до температуры, превышающей линию солидус, то вторичные фазы растворяться в результате увеличения растворимости. Во время быстрого охлаждения этого твёрдого раствора не успевают выделяться вторичные фазы. Ведь для того, чтобы это произошло нужно время, за которое успеет пройти процесс диффузии, а также образуются другие кристаллические решётки и границы междуфазного раздела. В результате, твёрдый метастабильный пересыщенный раствор в условиях нормальной температуры содержит избыточное количество второго элемента. Это структурное изменение приводит к изменению свойств сплава: пластичность обычно снижается, а прочность может и снижаться, и увеличиваться. После закалки такого типа металл характеризуется термодинамической неустойчивостью. Из-за влияния предварительного нагрева или самопроизвольно, твёрдый метастабильный раствор распадается, выделяя вторичные фазы (αмRα+βII). Это называют старением.

Следовательно, старение представляет собой термообработку, которую проводят после закалки, не сопровождающейся полиморфным превращением и направленную на то, чтобы получить в сплаве наиболее равновесную структуру, а также заданный уровень свойств.

Отпуск

Термообработка для снижения внутренних напряжений сплавов после процесса закалки, проходящим с превращением полиморфного характера называется отпуском. Появление после этой закалки вторичных фаз всегда происходит с увеличением внутренних. Значит, твёрдость и прочность увеличиваются до максимума, а пластичность снижается до минимума. Чтобы добиться нужного соотношения пластичности и прочности, по завершению закалки этот сплав дополнительной термически обрабатывают, что носит название отпуска. В результате нагрева снижается концентрация легирующих компонентов в твёрдом растворе, выделяются вторичные фазы.

Сплав получает структуру твёрдого пересыщенного раствора после того, как произошла закалка без процесса полиморфного превращения. Это состояние сплава характеризуется нестабильностью и меняется со временем. Распадаясь, твёрдый пересыщенный раствор выделяет мелкие включения вторичной фазы. Данный процесс включает в себя несколько стадий:

  • В кристаллической решётке твёрдых растворов на первой стадии возникают зоны, которые обогащены атомами второго элемента. Со временем такие зоны увеличиваются.
  • Концентрация атомов, принадлежащих второму элементу, на второй стадии достигает величины, которая соответствует выделению вторичной фазы по концентрации.
  • Формирование в данных зонах на третьей стадии промежуточной кристаллической решётки, резко отличающейся от решёток вторичной фазы и твёрдого раствора.

Повышение концентрации вторичного компонента на четвёртой стадии ведёт к появлению окончательно сформированной кристаллической решётки вторичной фазы, а также к появлению границ разделения между вторичной фазой и твёрдым раствором. Главным образом, распад твёрдого раствора основывается на диффузионных процессах, поэтому он сильно зависит от температуры.

Увеличение температуры ведёт к повышению скорости распада. В условиях нормальной температуры распад называется старением естественного характера, а при повышенной – искусственным.

Структура сплава в результате старения представлена зёрнами твёрдого раствора в равновесном химическом составе, которые имеют большое число мелких выделений из вторичной фазы, равномерно распределённых по объёму. Такие выделения располагаются на плоскостях скольжения, препятствуя перемещению дислокаций и требуя повышения скалывающего напряжения. Следовательно, увеличиваются твёрдость и прочность сплава.

Обработка химико-термическая (ХТО)

Одновременное действие тепла и химической среды на металл для направленного изменения свойств и состава поверхности детали называется термохимической обработкой. Её различные виды нужны для повышения либо стойкости к коррозии, либо твёрдости, прочности, антифрикционных и износостойких свойств. Различные свойства получают в аналогичных деталях путём изменения состава химической среды.

Термомеханическая обработка

Термомеханической обработкой называется сочетание упрочняющей термообработки и пластической деформации, образующийся в результате которой наклёп, сохраняется, влияя на проходящие при термообработке фазовые превращения.

Благодаря этому комплексному действию на металл уровень свойств металла получается выше, чем после термообработки или после деформации в отдельности.

Коррозионные стали

Благодаря воздействию окружающей среды в результате электрохимического или химического воздействия происходит разрушение металла, называемое коррозией. Главные факторы влияния коррозии на экономику и её воздействия:

  1. экологический фактор;
  2. экономический фактор, рассчитывающий экономические потери в промышленном секторе из-за коррозии;
  3. надёжность эксплуатации объектов и машин.

Виды коррозии:

  1. электрохимическая;
  2. ножевая (коррозия под воздействием напряжения);
  3. коррозия по зерновым границам (межкристальная);
  4. точечная (местная);
  5. поверхностная (равномерная) коррозия.

Железо не относится к коррозионностойким металлам. Чистое железо достаточно активно взаимодействует практически со всеми элементами. Для повышения коррозионностойкости можно ввести легирующие элементы, вызывающие его пассивацию, т.е. создание тончайшей защитной плёнки на стальной детали, причём кислород будет являться её подслоем. В итоге положительным оказывается электронный потенциал, а поверхность получается наименее склонной к коррозии.

Пассивацию усиливают хром, никель, медь, молибден, платина, палладий. Причём, хром оказывает наибольшее влияние.

Химический состав: медь≤1%, молибден≤5%, 4≤никель≤25, 13≤хром≤30%. Различия в свойствах и структуре сталей обусловлены наличием легирующих элементов. Когда содержание хрома, стабилизирующего феррит, в стали достаточно большое, тогда сталь будет называться ферритной и обладать низкой твёрдостью, высокой пластичностью и низкой прочностью. Если кроме хрома сталь содержит углерод, структура будет называться мартенситной. Зная тип структуры стали, можно предугадывать её свойства, а также определять режимы термообработки. Диаграмма Шеффлера разработана для того, чтобы узнать структурный класс стали.
Экв.Cr=Cr%+Mo%+1,5(Si%)+0,5(Nb%).
Экв.Ni=Ni%+30(C%)+0,5(Mn%).

Коррозионная стойкость благодаря хрому, увеличивается, только если он превышает 13% в растворе. Если в стали содержится много углерода, а количество хрома не очень высоко, углерод взаимодействует с хромом, образуя карбиды. Этот процесс наиболее заметен на границах зёрен. В твёрдом растворе снижается количество хрома и при достижении содержания, меньше 13% границы зёрен оказываются незащищены. Поэтому коррозия легко пересылается по границе зёрен, не трогая их центра. Если охлаждение происходит быстро, по границе зёрен не успевают образовываться карбиды, а количество хрома остаётся больше 13%. При маленькой скорости охлаждения первыми карбиды образуются на границах зёрен и снижается количество хрома. Но повышение содержания хрома происходит изнутри зерна за счёт диффузии, благодаря чему восстанавливается стойкость. Если во время охлаждения не успевает повыситься содержание хрома, оставаясь менее 13%, сталь будет склонна к коррозии между кристаллами. Чтобы сталь стала нечувствительна к данной коррозии, необходимо:

  1. снизить содержание азота и углерода;
  2. ввести иные карбидообразующие компоненты в сталь, которые будут сильнее хрома, титана, ниобия;
  3. при термообработке повысить скорость охлаждения;
  4. сделать отжиг.

Нержавеющие хромистые стали

Это наиболее распространённые стали благодаря своей дешевизне. Допускается наименьшее содержание хрома в 13%. Если содержание больше этого показателя, происходит стабилизация α – фазы (феррита), после которой не происходит никаких превращений полиморфного характера в таких сталях. В результате нагрева зерно только увеличивается. Долгая выдержка стали в температуре 600-650ºС приводит к появлению интерметаллидной фазы, которая приводит сталь к хрупкости, являясь поэтому нежелательной. При длительной выдержке около 500ºС или медленном охлаждении твёрдый слой становится упорядоченным, опять приводя к хрупкости стали. Эту хрупкость называют четырестасемидесятипятиградусной. Зерно бурно растёт при повышении температурных показателей более 1000ºС, в результате чего снижается вязкость и сталь опять становится хрупкой. Следовательно, во время любых вариантов производства деталей из подобных сталей, а также их термообработки, нужно избегать таких интервалов температуры, которые ведут к потере вязкости и увеличению хрупкости.

Термическая обработка хромистых сталей

Сталь термически обрабатывается двумя способами: отжигом (смягчающей термообработкой) или закалкой в сочетании с отпуском (упрочняющей термообработкой). Отжиг применяют, чтобы устранить хрупкость или снять клёп, или стабилизировать химический состав, или устранить склонность стали к коррозии между кристаллами. Чтобы убрать хрупкость, вызванную благодаря возникновению твёрдого упорядоченного раствора, используют отжиг, нагревая до 500-550ºС. Время выдержки делают меньше τmin во время возникновения хрупкости в 475º, причём скорость охлаждения составляет 10ºС в минуту.

Чтобы устранить σ-фазу или наклёп используют второй вид отжига, проходящий при температуре 850-900ºС и скорости охлаждения в 10ºС в минуту. Третий вид используют, когда деталь достаточно массивная для стабилизации содержания хрома в детали по сечению с целью избежания склонности к межкоррозионной коррозии. Выдержка составляет 2-4 часа. Упрочняющая термообработка (закалка и отпуск) используется для хромистых деталей, относящихся к мартенситному классу. Если охлаждение проходит на воздухе или размеры детали небольшие, можно использовать одну только закалку, без отпуска. Хромистые стали данного класса в результате охлаждения всё равно приобретают мартенситную структуру. Вот почему не требуется использование охлаждающих средств (масло, вода). Вызовет ферритно-карбидную структуру только охлаждение печью или закалка с отпуском при температуре в 650ºС.

Самой большой твёрдости добиваются после закалки. Сталь в данном состоянии обладает наибольшей стойкостью к коррозии, потому что хром оказывается в твёрдом растворе. Для сохранения показателей коррозионной стойкости и твёрдости, отпуск стали производят при температуре в 250-350ºС. А для повышения вязкости, производят высокий отпуск (650ºС).

Свойства, структура и состав хромистых сталей

Главные легирующие элементы:

  • 0,05≤углерод≤1%;
  • 13≤хром≤28%;
  • ниобий и титан вводятся, чтобы стабилизировать сталь и составляют менее 1%;
  • молибден, медь и никель вводят, чтобы увеличить вязкость и коррозионную стойкость.

Хромистые стали делятся на:

  • хром 13%;
  • хром 17%;
  • 25≤хром≤27%.

Мартенситное превращение в углеродистых сталях вызвано повышением содержания углерода. Карбиды возникают аналогично.

По включению углерода стали относятся к:

  • ферритно-мартенситному классу (12Х13);
  • ферритному классу (05Х27, 08Х17, 08Х13);
  • мартенситному классу (40Х13, 30Х13, 20Х13);
  • мартенситному классу+карбиды (95Х18Ш, 65Х16).

Назначение и свойства стали меняются в зависимости от структуры. Из хромистых сталей, стали данного класса отличает наилучшая пластичность. Из них производят листы и прочие полуфабрикаты для тех деталей, которые изготавливаются с использованием сварки. Сталь ферритного класса наилучшим образом, по сравнению со всеми хромистыми, поддаётся сварке. Используя сталь, не следует забывать, что во время медленного охлаждения или увеличения зерна, она может стать хрупкой. Поэтому в данные стали добавляют ниобий и титан, образующие карбиды. Эти стали назвали стабилизированными. Отжиг для ферритных сталей используется в различных видах – 1,2, реже 3.

Мартенситные стали отличает высокая прочность и твёрдость, вот почему их применяют для производства деталей, которые при работе в агрессивной среде должны сохранить высокую твёрдость и прочность. Для подобных сталей делают закалку, характеризующуюся низким отпуском.
В сталях, в структуру которых входят мартенсит и карбиды, есть большое число карбидов хрома. Их применяют для производства деталей, работающих в агрессивной среде, при температурах -150 до +250ºС. Термообработка проводится закалкой (1000-1150ºС – воздух) и отжигом (250-350º С).

Стали хромоникелевые

Если кроме хрома, сталь содержит никель, молибден и марганец, тогда из ферритной, её структура может превратиться в ферритно-аустенитную или в начистую аустенитную. Сталь хранит аустенитную структуру, не изменяющуюся в зависимости от варианта термообработки, после воздушного охлаждения. Аустенитной сталь становится при содержании никеля более 10%. Благодаря аустениту достигается не только стойкость к коррозии, но и хорошие технические показатели. Сталь легко можно обрабатывать под давлением, сваривать, она хранит свойства при температурах, достигающих 600-700ºС, не становится хрупкой, не восприимчива к хладноломкости, но имеет склонность к межкристаллической коррозии, её нельзя упрочнить закалкой. Термообработка происходит посредством закалки и отжига.

После отжига и закалки остаётся идентичными структура и свойства. Закаливают изделия с тонкими стенками, имеющие небольшой размер и простую форму. Температура данных процессов одинакова и определяется составом стали. Когда в стали содержится только никель и хром, температура будет менее 950-1000ºС. Благодаря увеличению температуры, происходит быстрый рост зерна и уменьшение характеристик. Охлаждение во время закалки не должно попадать в область, где выделяются карбиды хрома. Если вместо никеля ввести марганец, можно достичь снижения цены хромоникелевых сталей.

Для стабилизации структуры нужно, чтобы содержание марганца не превышало 15%, а хрома, наоборот, было меньше указанного процента. Если этого не происходит, сталь получается со структурой, состояние которой неустойчивое. Чтобы получить стабильную аустенитную структуру, никель частично заменяют (20Х13Н4Г9, 10Х14Г14Н4Т). Принципиального отличия от термообработки сталей хромоникелевых нет. Недостаток склонности к увеличению зерна легко устраняется применением в качестве сварных деталей ферритно-аустенитных (15Х22Н5М5Т) или аустенитно-мартенситных сталей (08Х15Н5Д2Т). Аустенитно-мартенситная сталь обладает увеличенной твёрдостью. Под напряжением чистые аустенитные стали имеют склонность к коррозии. Известно, что наилучшие среди них при контакте с кислотой не имеют достаточной стойкости. Вот почему разработаны сплавы, стойкие к коррозии:

  • ХН65МВ (Ni – Mo - Cr);
  • Н70МФ (Ni- Mo);
  • ХН45В (Ni- Cr);
  • 04ХН40МДТЮ (Ni – Cr - Fe).