Термическая обработка металлов: отжиг, закалка, отпуск и старение

Сущность и цели термической обработки. Термической обработкой называют комплекс технологических процессов, включающих операции нагрева, изотермической выдержки и охлаждения металлов и сплавов. Главной целью этих операций является целенаправленное изменение внутренней структуры материала для придания ему требуемых свойств. Эти свойства включают механические характеристики, такие как прочность и твердость, технологические, например, обрабатываемость, и эксплуатационные. Термическая обработка применяется как в качестве промежуточной операции для улучшения свойств полуфабрикатов, так и в качестве окончательной для готовых изделий.

Основные виды термической обработки.К фундаментальным операциям термической обработки относятся отжиг, закалка, отпуск и старение. Конкретная разновидность каждой операции определяется температурой нагрева, продолжительностью выдержки и скоростью последующего охлаждения. Выбор оптимального режима базируется на анализе диаграмм фазового равновесия для конкретного сплава. На основании этого анализа все сплавы классифицируют на группы: не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии, с переменной растворимостью компонентов и с эвтектоидным превращением.

Отжиг и его разновидности. Отжиг — это вид термической обработки, целью которого является получение структуры, близкой к равновесной. Этот процесс снимает остаточные напряжения, повышает пластичность и уменьшает химическую неоднородность, известную как ликвация. Различают несколько типов отжига: для уменьшения внутренних напряжений, рекристаллизационный отжиг и диффузионный отжиг, или гомогенизация. Отжиг для снятия напряжений особенно важен для отливок и полуфабрикатов, где неравномерное охлаждение может вызывать коробление и растрескивание.

Отжиг для снятия напряжений и рекристаллизационный отжиг.Для стальных и чугунных деталей отжиг для снятия напряжений проводят при температурах около 600°С в течение десятков часов. Для сплавов на основе меди или алюминия, например, для холоднодеформированной латуни, значительное снижение напряжений достигается при более низких температурах в диапазоне 200–250°С. Во всех случаях охлаждение после выдержки должно быть очень медленным для предотвращения возникновения новых напряжений. Рекристаллизационный отжиг применяется для снижения прочности и повышения пластичности деформированного металла, а также для управления размером зерна.

Диффузионный отжиг (гомогенизация). Диффузионный отжиг, или гомогенизация, проводится при высоких температурах, но ниже точки появления жидкой фазы, с длительной выдержкой. Это интенсифицирует диффузионные процессы и уменьшает ликвационную неоднородность в слитках и отливках. Например, для стальных слитков гомогенизацию проводят при 1100–1300°С в течение 20–50 часов, что приводит к выравниванию распределения углерода, фосфора, сульфидов и легирующих элементов по всему объему заготовки.

Сущность и цели закалки. Закалка — это процесс термической обработки, в результате которого в сплавах формируется неравновесная структура. Для этого сплав нагревают выше температур фазовых превращений в твердом состоянии и затем проводят очень быстрое охлаждение. Результатом является получение пересыщенного твердого раствора, характеризующегося высокой твердостью, но часто и хрупкостью. Как правило, операция закалки не является окончательной и требует последующего проведения отпуска или старения для стабилизации структуры и свойств.

Отпуск и старение: заключительные этапы. Отпуск и старение — это виды термической обработки, проводимые после закалки, которые приводят к фазовым превращениям в неравновесной структуре и ее стабилизации. Комбинация закалки с отпуском или старением позволяет достичь значительно более высокого комплекса физико-механических свойств по сравнению с отожженным состоянием. Термин «отпуск» применяется главным образом к сплавам, испытывающим при закалке полиморфные превращения, таким как стали и некоторые титановые сплавы.

Различие между отпуском и старением.Ключевое различие между отпуском и старением заключается в типе сплава, к которому они применяются. Отпуск используется для материалов с полиморфными превращениями, в то время как «старение» обозначает обработку сплавов, не претерпевающих таких превращений при закалке, например, аустенитных сталей, никелевых сплавов и большинства сплавов на основе алюминия. И отпуск, и старение, как правило, являются окончательными видами термической обработки, формирующими структуру с заданным комплексом эксплуатационных свойств готового изделия.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г., Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г., Третьякова Н.В., и др.

Источник: Основы производства металлов.

Данные публикации будут полезны студентам технических специальностей, начинающим специалистам в области металлургии и машиностроения, а также всем, кто интересуется основами промышленного производства.