Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.
Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин и инструменты.
Основными видами термической обработки являются отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей.
Отжиг - термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной. Отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.
Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретного вида отжига. Скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика и лежит в пределах 30…200 °С/ч.
Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии - полиморфные превращения твердых растворов, распад твердого раствора по эвтектоидной реакции, переменная растворимость и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии. Затем его быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при снижении температуры.
Отпуск и старение - термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение, а термин «старение» - применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения.
Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием. При этом температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге.
Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения обычно не влияет на структуру и свойства сплавов.
На рис. 1 представлена диаграмма термических превращений. Если превращение происходит при температурах более 650…670 º С, образуется сравнительно грубая смесь кристаллов феррита и цементита с межпластиночным расстоянием 500…700 нм. Такую смесь называют перлитом (П). Превращение при температуре 640…590°С дает межпластиночное расстояние 300…400 нм, такую перлитную структуру называют сорбитом (С).
При температуре превращения 580…550°С межпластиночное расстояние уменьшается до 100-200 нм, такую структуру называют трооститом (Т).
В интервале температур промежуточного превращения аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом (Б). Бейнит представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита. Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму.
Рис. 1. Диаграмма термических превращений.
Бейнит, образовавшийся при температуре 400…550 °С называют верхним, он имеет перистое строение. Бейнит, образовавшийся при более низких температурах, называют нижним, он имеет пластинчатое строение.
Высокой прочностью и одновременно достаточно высокими пластичностью и вязкостью обладает нижний бейнит, а именно бейнит, полученный при температуре на 50…100 °С выше мартенситной точки Мн.
Мартенситное превращение интенсивно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от Мн до Мк. Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо очень быстро и непрерывно охлаждать, применяя для этого холодную (лучше соленую) воду. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных и бейнитных структур. Мартенсит представляет собой неравновесную фазу - пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в ά -железе.
Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Мартенсит имеет очень высокую твердость, равную или превышающую НRСэ 60, при содержании углерода, которое составляет более 0,4 %. С увеличением содержания углерода возрастает хрупкость мартенсита. Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объема. Весьма сильно изменяются и другие физические свойства.
Отпуск стали - заключительная операция, определяющая ее конечные свойства после закалки.
В зависимости от температуры различают:
- низкотемпературный или низкий отпуск (120…250 °С);
- среднетемпературный или средний отпуск (350…500 °С),
- высокотемпературный или высокий отпуск (500…680 °С).
Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию.
Средний отпуск применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов.
Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.
Комплексную термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска конструкционных сталей, называют улучшением.
Улучшению подвергают среднеуглеродистые конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости.
Однако износостойкость улучшенной стали, вследствие ее пониженной твердости, не высокая.
