Термины теории 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 плющиваются, 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 оследующим медленным охлаждением. Температура нагрева зависит от состава сплава. Для чистых металлов температура начала рекристаллизации tp=0,4Тпл, ºК, 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 (eкр=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 º 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 (aRbRa) 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

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.  αмRα+βII. 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 опровождается 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 кобразованию 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.

Коррозионностойкие стали

Коррозией называют разрушение металла под действием химического или электрохимического воздействия под действием окружаемой среды. Основные факторы воздействия коррозии и ее влияние на экономику:

1. Экономический фактор — экономические потери промышленности в результате коррозии.
2. Надежность эксплуатации объектов или машин.
3. Экологический фактор.

Виды коррозии:

1. Равномерная (поверхностная).
2. Местная (точечная).
3. Межкристаллитная (по границам зерен).
4. Коррозия под напряжением (ножевая).
5. Электрохимическая коррозия.

Межкристаллитная коррозия (МКК).

Железо не является коррозионностойким металлом. Чистое железо активно взаимодействует со всеми элементами. Повысить коррозионностойкость можно введением легирующих элементов, которые вызывают его пассивацию. Пассивация — эффект создания на поверхности стальной детали тонкой защитной пленки, подслоем которой является кислород. Результат - электронный потенциал становится положительным и поверхность становится менее склонной к коррозии. Усиливают пассивацию Cr, Ni, Cu, Mo, Pt, Pd. Особенно сильно влияет Cr.

Химический состав: Cr13-30%, Ni4-25%, Moдо 5%, Cuдо 1%. В зависимости от содержания легирующих элементов структура и свойства сталей могут быть различными. Если сталь содержит в основном Cr, который стабилизирует феррит, то сталь будет ферритной (низкая твердость, низкая прочность, высокая пластичность). Если сталь содержит в себе кроме Cr C, то ее структура будет мартенситной. Зная структуру стали, можно прогнозировать ее свойства и назначать режимы термообработки. Для определения, к какому структурному классу относится сталь, разработана диаграмма Шеффлера. 

Экв. Ni=%Ni + 30(%C) + 0,5(%Mn).

Экв. Cr=%Cr + %Mo + 1,5(%Si) + 0,5(%Nb).

Cr повышает коррозионную стойкость только в том случае, когда его количество в растворе превышает 13%. Если количество Cr не слишком высоко и при этом сталь содержит много углерода, то происходит взаимодействие Cr и С с образованием карбидов. Особенно энергично образование карбидов наблюдается на границах зерен. При этом количество Cr в твердом растворе снижается. И если Cr менее 13%, то границы зерен становятся незащищенными. В результате коррозия легко может пересылаться по границам, не затрагивая центров зерен. Если скорость охлаждения велика, то карбиды по границам зерен образовываться не успевают. Количество Cr не снижается меньше 13%. Если скорость охлаждения очень мала, то при этом сначала образуются карбиды по границам зерен. При этом количество Cr снижается, но за счет диффузии из центра зерна происходит увеличение содержания Cr и стойкость восстанавливается. Если охлаждение идет таким образом, что содержание Cr на границах не успевает увеличиться и остается меньше 13%, то такая сталь склонна к межкристаллитной коррозии. Чтобы сделать сталь нечувствительной к межкристаллитной коррозии, нужно:

1. Понизить содержание углерода и азота.
2. Вводить в сталь другие карбидообразующие элементы более сильные, чем Cr (Ti, Nb).
3. Увеличить скорость охлаждения при термообработке.
4. Делать отжиг.

Хромистые нержавеющие стали

Хромистые нержавеющие стали являются самыми дешевыми и поэтому самыми распространенными. Минимальное содержание Cr 13%. При содержании Cr больше 13% стабилизируется α - фаза (феррит) и никаких полиморфных превращений в таких сталях не происходит. Нагрев вызывает только увеличение зерна. Длительная выдержка при температуре около 600-650º С вызывает появление в сталях интерметаллидной фазы. Образование такой фазы сильно охрупчивает сталь, поэтому является нежелательной. Медленное охлаждение или длительная выдержка при 500º С вызывает образование упорядоченного твердого раствора, что также вызывает хрупкость стали. Такую хрупкость называют 475ºной хрупкостью. Увеличение температуры выше 1000º С вызывает бурный рост зерна и как следствие снижение вязкости, т.е. сталь тоже становится хрупкой. Поэтому при всех вариантах изготовления деталей из этих сталей и их термообработки необходимо избегать температурных интервалов, при которых возможно охрупчивание и потеря вязкости

Термообработка хромистых сталей.

Термообработка сталей в зависимости от необходимости может быть смягчающей, т.е. отжиг или упрочняющей, т.е. закалка + отпуск. Отжиг проводится либо для устранения хрупкости, либо для снятия наклепа, либо для стабилизации химического состава и устранения склонности стали к межкристаллитной коррозии. Для устранения хрупкости, вызванной появлением упорядоченного твердого раствора, применяют отжиг с нагревом 500-550º С. Время выдержки должно быть меньше, чем τminпри появлении хрупкости 475º. Скорость охлаждения 10º С в минуту. Для устранения наклепа, а так же σ-фазы применяют второй вариант отжига с температурой 850-900º С. Скорость охлаждения 10º С в минуту. Третий вариант отжига применяется для массивных деталей, когда требуется стабилизировать содержание Cr по сечению детали, чтобы избежать склонности стали к межкристаллитной коррозии. Выдержка от 2 до 4 часов. Для хромистых сталей мартенситного класса применяют упрочняющую термообработку: закалка + отпуск. Возможно применение одной закалки без отпуска, если деталь небольших размеров или охлаждение идет на воздухе. Для сталей мартенситного класса охлаждение в любом случае дает мартенситную структуру. Поэтому применение охлаждающих сред (вода, масло) не требуется. Лишь охлаждение печью вызывает ферритно-карбидную структуру. Такой же структуры можно добиться после закалки и отпуска при температуре 650º С.

Наибольшая твердость достигается после закалки. В этом состоянии сталь обладает наивысшей коррозионной стойкостью, т.к. Cr находится в твердом растворе. Если требуется сохранить твердость и коррозионную стойкость, то отпуск стали проводят при температуре 250-350º С. А если требуется повышенная вязкость, то проводят высокий отпуск (650º С).

Состав, структура и свойства хромистых сталей.

Основные легирующие элементы:

1. Cr- 13-28%.
2. С - 0,05-1%.
3. Ti, Nb< 1% — вводятся для стабилизации стали.
4. Ni, Cu, Mo — вводятся для повышения коррозионной стойкости и вязкости.

Хромистые стали делят на:

1. Cr 13%.
2. Cr 17%.
3. Cr 25-27%.

Увеличение содержания углерода вызывает в хромистых сталях мартенситное превращение, так же появление карбидов.

По содержанию углерода стали делят на:

1. Стали ферритного класса (08Х13, 08Х17, 05Х27).
2. Стали ферритно-мартенситного класса (12Х13).
3. Стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13).
4. Стали с мартенситом + карбиды (65Х16, 95Х18Ш).

В зависимости от структуры стали изменяются ее свойства и назначение. Стали ферритного класса из всех хромистых отличаются наилучшей пластичностью. Из них изготавливают листы и другие полуфабрикаты для изготовления деталей с применением сварки. Из всех хромистых стали ферритного класса хорошо поддаются сварке. При использовании стали следует помнить, что она может охрупчиваться при медленном охлаждении, а так же при увеличении зерна. Поэтому в эти стали добавляют Tiи Nb, которые образуют карбиды. Такие стали называют стабилизированными. Для сталей ферритного класса применяют отжиг в разных вариантах - 1, 2, иногда 3.

Стали мартенситного класса отличаются высокой твердостью и прочностью, поэтому их используют для изготовления деталей, которые должны сохранять высокую прочность и твердость при работе в агрессивных средах. Для таких сталей проводят закалку + низкий отпуск.

Стали со структурой мартенсит + карбиды имеют большое количество карбидов хрома. Они используются для изготовления деталей, которые работают в агрессивных средах при температуре от -150 до +250º С. Твердость 57 HRC. Термообработка: закалка (1000-1150º С - воздух) + отжиг (250-350º С).

Хромоникелевые стали

Если сталь кроме Cr содержит еще Ni, Mn, Mo, то ее структура из ферритной может измениться на ферритно-аустенитную или даже на чистую аустенитную. Т.е. после охлаждения на воздухе сталь сохраняет аустенитную структуру, которая не меняется ни при каких вариантах термообработки. При содержании Ni>10% сталь становится аустенитной. Аустенит позволяет получить не только коррозионную стойкость, но так же и высокие технические свойства. Сталь хорошо поддается обработке давлением, сварке, сохраняет свойства до 600-700º С, не охрупчивается, не чувствительна к хладноломкости, но сталь склонна к межкристаллитной коррозии и ее невозможно упрочнять закалкой. Термообработка: закалка + отжиг.

И после закалки и после отжига структура одинаковая, одинаковые и свойства. Закалке подвергают тонкостенные изделия простой формы и небольшого размера. Температура и закалки, и отжига одинакова и зависит от состава стали. Если сталь содержит только Cr,  Ni, то температура не должна превышать 950-1000º С. Увеличение температуры вызывает резкий рост зерна и снижение характеристик. Охлаждение при закалке должно быть таким, чтобы не попасть в область выделения карбидов Cr. Уменьшения стоимости хромоникелевых сталей можно добиться, если вместо Niвводить Mn.

Для того, чтобы стабилизировать структуру, необходимо, чтобы Cr<15%, Mn>15%. Если условие не выполняется, то мы получаем сталь с неустойчивым структурным состоянием. Для получения стабильной аустенитной структуры Niзаменяют частично (10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4Г9). Термообработка принципиально не отличается от термообработки хромоникелевых сталей. Такой недостаток хромоникелевых сталей, как склонность к росту зерна, можно устранить, используя для сварных деталей стали ферритно-аустенитного класса (15Х22Н5М5Т) или аустенитно-мартенситного класса (08Х15Н5Д2Т). Стали аустенитно-мартенситного класса обладают повышенной твердостью. Чисто аустенитные стали склонны к коррозии под напряжением. Даже самые лучшие аустенитные стали оказываются недостаточно стойкими при контакте с кислотами. Поэтому разработаны коррозионно-стойкие сплавы:

Fe - Ni - Cr (04ХН40МДТЮ).

Ni- Cr  (ХН45В).

Ni- Mo  (Н70МФ).

Cr - Ni - Mo  (ХН65МВ).