ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА металлов,
процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия
с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие
может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и др.

Историческая справка. Человек использует
Т. о. металлов с древнейших времён. Ещё в эпоху энеолита, применяя
холодную ковку самородных золота и меди, первобытный человек столкнулся
с явлением наклёпа, к-рое затрудняло изготовление изделий с тонкими
лезвиями и острыми наконечниками, и для восстановления пластичности кузнец
должен был нагревать холоднокованую медь в очаге. Наиболее ранние свидетельства
о применении смягчающего отжига наклёпанного металла относятся к
кон. 5-го тыс. до н. э. Такой отжиг по времени появления был первой операцией
Т. о. металлов. При изготовлении оружия и орудий труда из железа, полученного
с использованием сыродутного процесса, кузнец нагревал железную
заготовку для горячей ковки в древесноугольном горне. При этом железо науглероживалось,
т. е. происходила цементация - одна из разновидностей химико-термической
обработки. Охлаждая кованое изделие из науглероженного железа в воде,
кузнец обнаружил резкое повышение его твёрдости и улучшение др. свойств.
Закалка
в воде науглероженного железа применялась с кон. 2 -
нач. 1-го
тыс. до н. э. В "Одиссее" Гомера (8-7 вв. до н. э.) есть такие строки:
"Как погружает кузнец раскалённый топор иль секиру в воду холодную, и зашипит
с клокотаньем железо -крепче железо бывает, в огне и воде закаляясь".
В 5 в. до н. э. этруски закаливали в воде зеркала из высокооловянной
бронзы (скорее всего для улучшения блеска при полировке). Цементацию
железа в древесном угле или органич. веществе, закалку и отпуск
стали
широко применяли в ср. века в произ-ве ножей, мечей, напильников и др.
инструментов. Не зная сущности внутр. превращений в металле, ср.-век. мастера
часто приписывали получение высоких свойств при Т. о. металлов проявлению
сверхъестеств. сил. До сер. 19 в. знания человека о Т. о. металлов представляли
собой совокупность рецептов, выработанных на основе многовекового опыта.
Потребности развития техники, и в первую очередь развития сталепушечного
произ-ва, обусловили превращение Т. о. металлов из искусства в науку. В
сер. 19 в., когда армия стремилась заменить бронзовые и чугунные пушки
более мощными стальными, чрезвычайно острой была проблема изготовления
орудийных стволов высокой и гарантированной прочности. Несмотря на то что
металлурги знали рецепты выплавки и литья стали, орудийные стволы очень
часто разрывались без видимых причин. Д. К. Чернов на Обуховском
сталелитейном з-де в Петербурге, изучая под микроскопом протравленные шлифы,
приготовленные из дул орудий, и наблюдая под лупой строение изломов в месте
разрыва, сделал вывод, что сталь тем прочнее, чем мельче её структура.
В 1868 Чернов открыл внутр. структурные превращения в охлаждающейся стали,
происходящие при определённых темп-pax, к-рые он назвал критическими точками
а
и Ь. Если сталь нагревать до темп-р ниже точки а, то
её невозможно закалить, а для получения мелкозернистой структуры сталь
следует нагревать до темп-р выше точки Ь. Открытие Черновым критич.
точек структурных превращений в стали позволило научно обоснованно выбирать
режим Т. о. для получения необходимых свойств стальных изделий.

В 1906 А. Вильм (Германия) на
изобретённом им дуралюмине открыл старение после закалки (см. Старение
металлов) - важнейший способ упрочения сплавов на разной основе (алюминиевых,
медных, никелевых, железных и др.). В 30-е гг. 20 в. появилась термомеханическая
обработка стареющих медных сплавов, а в 50-е - термомеханич. обработка
сталей, позволившая значительно повысить прочность изделий. К комбинированным
видам Т. о. относится термомагнитная обработка, позволяющая в результате
охлаждения изделий в магнитном поле улучшать их нек-рые магнитные свойства
(см. Магнитно-мягкие материалы, Магнитно-твёрдые материалы).

Итогом многочисл. исследований изменений
структуры и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии явилась
стройная теория Т. о. металлов.

Классификация видов Т. о. основывается
на том, какого типа структурные изменения в металле происходят при тепловом
воздействии. Т. о. металлов подразделяется на собственно термическую, заключающуюся
только в тепловом воздействии на металл, химико-термическую, сочетающую
тепловое и хим. воздействия, и термомеханическую, сочетающую тепловое воздействие
и пластич. деформацию. Собственно термич. обработка включает след, виды:
отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку без полиморфного превращения
и с полиморфным превращением, старение и отпуск.

Отжиг< 1-го рода (гомогенизационный,
рекристаллизационный и для уменьшения остаточных напряжений) частично
или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния структуры,
возникшие при литье, обработке давлением, сварке и др. технологич. процессах.
Процессы, устраняющие отклонения от равновесного состояния, идут самопроизвольно,
и нагрев при отжиге 1-го рода проводят лишь для их ускорения. Осн. параметры
такого отжига - темп-pa нагрева и время выдержки. В зависимости от того,
какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают разновидности
отжига 1-го рода. Гомогенизационный отжиг (см. Гомогенизация) предназначен
для устранения последствий дендритной ликвации, в результате к-рой
после кристаллизации внутри кристаллитов твёрдого раствора хим. состав
оказывается неоднородным и, кроме того, может появляться неравновесная
фаза, напр. хим. соединение, охрупчивающее сплав. При гоМогенизац. отжиге
диффузия
приводит к растворению неравновесных избыточных фаз, в результате чего
сплав становится более гомогенным (однородным). После такого отжига
повышаются пластичность и стойкость против коррозии. Рекристаллизационный
отжиг устраняет отклонения в структуре от равновесного состояния, возникающие
при пластич. деформации. При обработке давлением, особенно холодной, металл
наклёпывается - его прочность возрастает, а пластичность снижается из-за
повышения плотности дислокаций в кристаллитах. При нагреве наклёпанного
металла выше нек-рой темп-ры развивается первичная и затем собирательная
рекристаллизация, при к-рой плотность дислокаций резко снижается.
В результате металл разупрочняется и становится пластичнее. Такой отжиг
используют для улучшения обрабатываемости давлением и придания металлу
необходимого сочетания твёрдости, прочности и пластичности. Как правило,
при рекристаллизац. отжиге стремятся получить бестекстурный материал, в
к-ром отсутствует анизотропия свойств. В произ-ве листов из трансформаторной
стали рекристаллизац. отжиг применяют для получения желательной текстуры
металла, возникающей при рекристаллизации. Отжиг, уменьшающий напряжения,
применяют к изделиям, в к-рых при обработке давлением, литье, сварке, термообработке
и др. технологич. процессах возникли недопустимо большие остаточные напряжения,
взаимно уравновешивающиеся внутри тела без участия внеш. нагрузок. Остаточные
напряжения могут вызвать искажение формы и размеров изделия во время его
обработки, эксплуатации или хранения на складе. При нагревании изделия
предел текучести снижается и, когда он становится меньше остаточных напряжений,
происходит быстрая их разрядка путём пластич. течения в разных слоях металла.

Отжиг 2-го рода применим только к
тем металлам и сплавам, в к-рых при изменении темп-ры протекают фазовые
превращения. При отжиге 2-го рода происходят качественные или только количеств,
изменения фазового состава (типа и объёмного содержания фаз) при
нагреве и обратные изменения при охлаждении. Осн. параметры такого отжига
- темп-ра нагрева, время выдержки при этой темп-ре и скорость охлаждения.
Темп-ру и время отжига выбирают так, чтобы обеспечить необходимые фазовые
изменения, напр, полиморфное превращение (см. Полиморфизм) или растворение
избыточной фазы. При этом обычно следят за тем, чтобы не выросло крупное
зерно фазы, стабильной при темп-ре отжига. Скорость охлаждения должна быть
достаточно мала, чтобы при понижении темп-ры успели пройти обратные фазовые
превращения, в основе к-рых лежит диффузия. При отжиге 2-го рода изделия
охлаждают вместе с печью или на воздухе. В последнем случае процесс наз.
нормализацией.
Отжиг 2-го рода применяют чаще всего к стали для общего измельчения
структуры, смягчения и улучшения обрабатываемости резанием.

Закалка без полиморфного превращения
применима к любым сплавам, в к-рых при нагревании избыточная фаза полностью
или частично растворяется в осн. фазе. Важнейшие параметры процесса -темп-pa
нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Скорость охлаждения должна
быть настолько большой, чтобы избыточная фаза не успела выделиться (процесс
выделения фазы обеспечивается диффузионным перераспределением компонентов
в твёрдом растворе). Это условие выполняется, если дуралюмин и медные
сплавы закаливают в воде; магниевые же сплавы и нек-рые аустенитные стали
можно закаливать с охлаждением на воздухе. В результате закалки образуется
пересыщенный твёрдый раствор. Закалка без полиморфного превращения может
как упрочнять, так и разупрочнять сплав (в зависимости от фазового состава
и особенностей структуры в исходном и закалённом состояниях). Алюминиевые
сплавы с магнием (см. Магналии) закаливают для повышения прочности;
у бериллиевой бронзы же после закалки прочность оказывается ниже, а пластичность
выше, чем после отжига, и закалку этой бронзы можно использовать для повышения
пластичности перед холодной деформацией. Осн. назначение закалки без полиморфного
превращения - подготовка сплава к старению (см. ниже).

Закалка с полиморфным превращением
применима к любым металлам и сплавам, в к-рых при охлаждении перестраивается
кристаллическая
решётка. Осн. параметры процесса - темп-pa нагрева, время выдержки
и скорость охлаждения. Нагрев производят до темп-ры выше критич. точки,
чтобы образовалась высокотемпературная фаза. Охлаждение должно идти с такой
скоростью, чтобы не происходило "нормального" диффузионного превращения
и перестройка решётки протекала по механизму бездиффузионного
мартенситного
превращения. При закалке с полиморфным превращением образуется мартенсит,
и поэтому такую термообработку называют закалкой на мартенсит. Углеродистые
стали закаливают на мартенсит в воде, а многие легированные, в к-рых диффузионные
процессы протекают замедленно, можно закаливать на мартенсит с охлаждением
в масле и даже на воздухе. Осн. цель закалки на мартенсит - повышение твёрдости
и прочности, а также подготовка к отпуску. Сильное упрочнение сталей при
закалке на мартенсит обусловлено образованием пересыщенного углеродом раствора
внедрения на базе а-железа, появлением большего числа двойниковых прослоек
и повышением плотности дислокаций при мартенситном превращении, закреплением
дислокаций атомами углерода и дисперсными частицами карбида, к-рые могут
выделяться на дислокациях в местах сегрегации углерода. Углеродистые стали
при закалке на мартенсит резко охрупчиваются. Осн. причина этого - малая
подвижность дислокаций в мартенсите. Безуглеродистые железные сплавы после
закалки на мартенсит остаются пластичными.

Старение применимо к сплавам, к-рые
были подвергнуты закалке без полиморфного превращения. Пересыщенный твёрдый
раствор в таких сплавах термодинамически неустойчив и склонен к самопроизвольному
распаду. Старение заключается в образовании путём диффузии внутри зёрен
твёрдого раствора участков, обогащённых растворённым элементом (зон Гинье
<-
Престона) <и (или) дисперсных частиц избыточных фаз, чаще всего
хим. соединений. Эти зоны и дисперсные частицы выделившихся фаз тормозят
скольжение дислокаций, чем и обусловлено упрочнение при старении. Стареющие
сплавы называют поэтому дисперсионно-твердеющими. Осн. параметры старения
<-
темп-pa и время выдержки. С повышением темп-ры ускоряются диффузионные
процессы распада пересыщенного твёрдого раствора, и сплав быстрее упрочняется.
Начиная с определённой выдержки, при достаточно высокой темп-ре происходит
перестаривание <- снижение прочности сплава. Причиной перестаривания
является коагуляция дисперсных выделений из раствора, к-рая заключается
в растворении более мелких и росте более крупных частиц выделившейся фазы.
В результате коагуляции расстояние между этими частицами возрастает и торможение
дислокаций в зёрнах твёрдого раствора уменьшается. Одни сплавы, напр, дуралюмины,
после закалки сильно упрочняются уже во время выдержки при комнатной темп-ре
(естеств. старение). Большинство сплавов после закалки нагревают,
чтобы ускорить процессы распада пересыщенного твёрдого раствора (искусств,
старение). Иногда проводят ступенчатое старение с выдержкой вначале
при одной, а затем при другой темп-ре. Старение применяют гл. обр. для
повышения прочности и твёрдости конструкц. материалов (алюминиевых, магниевых,
медных, никелевых сплавов и нек-рых легированных сталей), а также
для повышения коэрцитивной силы магнитно-твёрдых материалов. Время
выдержки для достижения заданных свойств в зависимости от состава сплава
и темп-ры старения колеблется от десятков мин до неск. сут. Отпуску
подвергают сплавы, гл. обр. стали, закалённые на мартенсит. Осн. параметры
процесса - темп-pa нагрева и время выдержки, а в нек-рых случаях и скорость
охлаждения (для предотвращения отпускной хрупкости). В сталях мартенсит
является пересыщенным раствором, и сущность структурных изменений при отпуске
та же, что и при старении,<- распад термодинамически неустойчивого
пересыщенного раствора. Отличие отпуска от старения связано прежде всего
с особенностями субструктуры мартенсита, а также с поведением углерода
в мартенсите закалённой стали. Для мартенсита характерно большое число
дефектов кристаллич. строения (дислокаций и др.). Атомы углерода
быстро диффундируют в решётке мартенсита и образуют на дислокациях сегрегации,
а возможно и дисперсные частицы карбида сразу после закалки или даже в
период закалочного охлаждения. В результате закалённая сталь оказывается
в состоянии максимального дисперсного твердения или в близком к нему состоянии.
Поэтому при выделении из мартенсита дисперсных частиц карбида во время
отпуска прочность и твёрдость стали или вообще не повышаются, или достигается
лишь незначит. упрочнение. Уменьшение же концентрации углерода в мартенсите
при выделении из него карбида является причиной разупрочнения мартенсита.
В итоге отпуск сталей, как правило, приводит к снижению твёрдости и прочности
с одноврем. ростом пластичности и ударной вязкости. Отпуск безуглеродистых
железных сплавов, закалённых на мартенсит, может приводить к сильному дисперсионному
твердению из-за выделения из пересыщенного раствора дисперсных частиц интерметаллич.
соединений. Причина упрочнения при этом та же, что и при старении. Термины
"отпуск" и "старение" часто используют как синонимы.

Т. о., вызывая разнообразные по природе
структурные изменения, позволяет управлять строением металлов и сплавов
и получать изделия с требуемым комплексом механич., физич. и химич. свойств.
Благодаря этому, а также простоте и дешевизне оборудования Т. о. является
самым распространённым в пром-сти способом изменения свойств металлич.
материалов.

На металлургич. з-дах применяют гомогенизац.
отжиг слитков для повышения их пластичности перед обработкой давлением,
рекристаллизац. отжиг листов, лент, труб и проволоки для снятия наклёпа
между операциями холодной обработки давлением и после неё, закалку, отпуск,
старение и термомеханич. обработку для упрочнения проката и прессованных
изделий. На маш.-строит, з-дах отжигают поковки и др. заготовки для уменьшения
твёрдости и улучшения обрабатываемости резанием, применяют закалку, отпуск,
старение и химико-термич. обработку разнообразных деталей машин, а также
инструмента для повышения их прочности, твёрдости, ударной вязкости, сопротивления
усталости и износу и отжигают изделия для уменьшения остаточных напряжений.
В
приборостроении, электротехнич. и радиотехнич. пром-сти с
помощью отжига, закалки, отпуска и старения изменяют механич., электрич.,
магнитные и др. физич. свойства металлов и сплавов.

О величине изменения механич. свойств
при Т. о. металлов дают представление след, примеры. Рекристаллизац. отжиг
холоднокатаной меди снижает предел прочности с 400 до 220 Мн/м²(с
40 до 22 кгс/мм²), одновременно повышая
относит, удлинение с 3 до 50%. Отожжённая сталь У8 имеет твёрдость 180
НВ; закалка повышает твёрдость этой стали до 650 НВ. Сталь
38 ХМЮА после закалки имеет твёрдость 470 ЯУ, а после азотирования твёрдость
поверхностного слоя достигает 1200 HV. Предел прочности дуралюмина
Д16 после отжига, закалки и естеств. старения равен соответственно 200,
300 и 450 Мк/л² (20, 30 и 45 кгс/мм²).
У бериллиевой бронзы Бр. Б2 предел упругости ао,ооравен 120 Мн/м² (12 кгс/мм²), а после
старения 680 Мн/м² (68 кгс/мм²).

Лит.: Б о ч в а р А. А,, Основы
термической обработки сплавов, 5 изд., М.- Л., 1940; Гуляев А. П., Термическая
обработка стали, 2 изд., М., 1960; Металловедение и термическая обработка
стали. Справочник, под ред. М. Л. Бернштейна и А.
Г. Рахштадта, 2 изд., т. 1 - 2, М., 1961 - 62; H ов и к о в И. И., Теория
термической обработки металлов, М., 1974. И. И. Новиков.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я