Также по теме

МЕТАЛЛОВ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

МЕТАЛЛОВ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, определенный временной цикл нагрева и охлаждения, которому подвергают металлы для изменения их физических свойств. Термообработка в обычном смысле этого термина проводится при температурах, не достигающих точки плавления. Процессы плавления и литья, оказывающие существенное влияние на свойства металла, в это понятие не включаются. Изменения физических свойств, вызываемые термической обработкой, обусловлены изменениями внутренней структуры и химических соотношений, происходящими в твердом материале. Циклы термической обработки представляют собой различные комбинации нагрева, выдерживания при определенной температуре и быстрого или медленного охлаждения, соответствующие тем структурным и химическим изменениям, которые требуется вызвать.

Зернистая структура металлов.

Всякий металл обычно состоит из множества соприкасающихся друг с другом кристаллов (называемых зернами), как правило, имеющих микроскопические размеры, но иногда и видимых простым глазом. Внутри каждого зерна атомы расположены так, что образуют правильную трехмерную геометрическую решетку. Тип решетки, называемый кристаллической структурой, является характеристикой материала и может быть определен методами рентгеноструктурного анализа. Правильное расположение атомов сохраняется в пределах всего зерна, если не считать небольших нарушений, таких, как отдельные узлы решетки, случайно оказавшиеся вакантными. Все зерна имеют одинаковую кристаллическую структуру, но, как правило, по-разному ориентированы в пространстве. Поэтому на границе двух зерен атомы всегда менее упорядочены, чем внутри них. Этим объясняется, в частности, то, что границы зерен легче поддаются травлению химическими реагентами. На полированной плоской поверхности металла, обработанной подходящим травителем, обычно выявляется четкая картина границ зерен. Физические свойства материала определяются свойствами отдельных зерен, их воздействием друг на друга и свойствами границ зерен. Свойства металлического материала существенным образом зависят от размеров, формы и ориентации зерен, и цель термической обработки состоит в том, чтобы управлять этими факторами.

Атомные процессы при термической обработке.

При повышении температуры твердого кристаллического материала его атомам становится все легче переходить из одного узла кристаллической решетки в другой. Именно на этой диффузии атомов и основана термическая обработка. Наиболее эффективный механизм движения атомов в кристаллической решетке можно представить себе как движение вакантных узлов решетки, которые всегда имеются в любом кристалле. При повышенных температурах благодаря увеличению скорости диффузии ускоряется процесс перехода неравновесной структуры вещества в равновесную. Температура, при которой заметно повышается скорость диффузии, неодинакова для разных металлов. Она обычно выше для металлов с высокой температурой плавления. В вольфраме с его температурой плавления, равной 3387° C, рекристаллизация не происходит даже при красном калении, тогда как термическую обработку алюминиевых сплавов, плавящихся при низких температурах, в некоторых случаях оказывается возможным проводить при комнатной температуре.

Во многих случаях термической обработкой предусматривается очень быстрое охлаждение, называемое закалкой, цель которого – сохранить структуру, образовавшуюся при повышенной температуре. Хотя, строго говоря, такую структуру нельзя считать термодинамически устойчивой при комнатной температуре, практически она вполне устойчива благодаря низкой скорости диффузии. Очень многие полезные сплавы обладают подобной «метастабильной» структурой.

Изменения, вызываемые термической обработкой, могут быть двух основных видов. Во-первых, и в чистых металлах, и в сплавах возможны изменения, затрагивающие только физическую структуру. Это могут быть изменения напряженного состояния материала, изменения размеров, формы, кристаллической структуры и ориентации его кристаллических зерен. Во-вторых, изменяться может и химическая структура металла. Это может выражаться в сглаживании неоднородностей состава и образовании выделений другой фазы, во взаимодействии с окружающей атмосферой, созданной для очистки металла или придания ему заданных поверхностных свойств. Изменения того и другого вида могут происходить одновременно. См. МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ.

Снятие напряжений.

Деформация в холодном состоянии повышает твердость и хрупкость большинства металлов. Иногда такое «деформационное упрочнение» желательно. Цветным металлам и их сплавам обычно придают ту или иную степень твердости холодной прокаткой. Малоуглеродистые стали тоже часто упрочняют холодным деформированием. Высокоуглеродистые стали, доведенные холодной прокаткой или холодным волочением до повышенной прочности, необходимой, например, для изготовления пружин, обычно подвергают отжигу для снятия напряжений – нагревают до сравнительно низкой температуры, при которой материал остается почти столь же твердым, как и раньше, но в нем исчезают неоднородности распределения внутренних напряжений. Благодаря этому ослабевает тенденция к растрескиванию, особенно в коррозионных средах. Такое снятие напряжений происходит, как правило, за счет локального пластического течения в материале, не приводящего к изменениям общей структуры.

Рекристаллизация.

При разных методах обработки металлов давлением нередко требуется сильно изменять форму заготовки. Если формообразование должно проводиться в холодном состоянии (что часто диктуется практическими соображениями), то приходится разбивать процесс на ряд ступеней, в промежутках между ними проводя рекристаллизацию. После первой ступени деформации, когда материал упрочнен настолько, что дальнейшее деформирование может привести к разрушению, заготовку нагревают до температуры, превышающей температуру отжига для снятия напряжений, и выдерживают для рекристаллизации. Благодаря быстрой диффузии при такой температуре за счет атомной перестройки возникает совершенно новая структура. Внутри зеренной структуры деформированного материала начинают расти новые зерна, которые с течением времени полностью ее заменяют. Сначала образуются мелкие новые зерна в местах наибольшего нарушения старой структуры, а именно на старых границах зерен. При дальнейшем отжиге атомы деформированной структуры перестраиваются так, что тоже становятся частью новых зерен, которые растут и в конце концов поглощают всю старую структуру. Заготовка сохраняет прежнюю форму, но она теперь – из мягкого, ненапряженного материала, который может быть подвергнут новому циклу деформирования. Такой процесс можно повторять несколько раз, если этого требует заданная степень деформирования.

Холодная обработка – это деформирование при температуре, слишком низкой для рекристаллизации. Для большинства металлов данному определению соответствует комнатная температура. Если деформирование производится при достаточно высокой температуре, так что рекристаллизация успевает следовать за деформированием материала, то такая обработка называется горячей. Пока температура остается достаточно высокой, его можно сколь угодно сильно деформировать. Горячее состояние металла определяется, в первую очередь, тем, насколько его температура близка к точке плавления. Высокая ковкость свинца означает, что он легко рекристаллизуется, т.е. его «горячую» обработку можно проводить при комнатной температуре.

Контроль текстуры.

Физические свойства зерна, вообще говоря, неодинаковы в разных направлениях, так как каждое зерно – это монокристалл с собственной кристаллической структурой. Свойства металлического образца представляют собой результат усреднения по всем зернам. В случае беспорядочной ориентации зерен общие физические свойства одинаковы во всех направлениях. Если же некоторые кристаллические плоскости или атомные ряды большинства зерен параллельны, то свойства образца становятся «анизотропными», т.е. зависящими от направления. В этом случае у чашечки, полученной глубоким выдавливанием из круглой пластинки, будут «язычки», или «фестоны», на верхней кромке, объясняющиеся тем, что в одних направлениях материал деформируется легче, чем в других. При механическом формообразовании анизотропия физических свойств, как правило, нежелательна. Но в листах магнитных материалов для трансформаторов и других устройств очень желательно, чтобы направление легкого намагничения, которое в монокристаллах определяется кристаллической структурой, во всех зернах совпадало с заданным направлением магнитного потока. Таким образом, «предпочтительная ориентация» (текстура) может быть желательна или нежелательна в зависимости от назначения материала. Вообще говоря, при рекристаллизации материала его предпочтительная ориентация меняется. Характер этой ориентации зависит от состава и чистоты материала, от вида и степени холодной деформации, а также от длительности и температуры отжига.

Контроль размера зерен.

Физические свойства металлического образца в значительной мере определяются средним размером зерен. Наилучшим механическим свойствам почти всегда соответствует мелкозернистая структура. Уменьшение размера зерна часто является одной из целей термической обработки (а также плавления и литья). При повышении температуры ускоряется диффузия, а потому средний размер зерна увеличивается. Границы зерен смещаются так, что более крупные зерна растут за счет мелких, которые, в конце концов, исчезают. Поэтому завершающие процессы горячей обработки обычно проводят при возможно более низкой температуре, чтобы были минимальны размеры зерен. Часто специально предусматривают низкотемпературную горячую обработку, в основном для уменьшения размеров зерен, хотя того же результата можно достичь холодной обработкой с последующей рекристаллизацией.