Основы термической обработки

     Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических материалов с целью получения заданных свойств за счет изменения структуры.

     Так как основными факторами любого вида термообработки являются температура и время, то режим термообработки обычно представляют графиком в координатах t-t или t-lgt, где t – температура, t - время. Угол наклона линий1 и 3 характеризует скорость нагрева или охлаждения.

1 – кривая нагрева

2 – выдержка

3 – охлаждение

     Температура нагрева и скорость охлаждения являются важнейшими технологическими параметрами термообработки, т.к. структура после термообработки является функцией температуры нагрева и скорости охлаждения.

     В результате термической обработки химический состав не меняется, но изменяется структура, а, следовательно изменяются и свойства сплава.

Основные виды термообработки.

1. Отжиг – заключается в нагреве сплава до оптимальной температуры, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении вместе с печью. Нагрев при отжиге может производиться ниже или выше температур фазовых превращений. Отжиг обеспечивает металлу равновесное состояние.

2. Закалка – заключается в нагреве металла до оптимальной температуры, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении. После закалки металл приобретает неравновесное состояние.

3. Отпуск (старение) – заключается в нагреве закаленного металла до температур ниже фазовых превращений, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении на воздухе. После отпуска (старения) металл приобретает равновесное состояние.

Термообработка бывает без полиморфных превращений и с полиморфными.

Закалка с полиморфными превращениями характерна для черных металлов, без полиморфных – для большинства цветных.

Закалка без полиморфных превращений заключается в фиксации при комнатной температуре (после охлаждения) состояния, соответствующего состоянию при температуре нагрева под закалку.

Термообработка без полиморфных превращений ( на примере сплава Д16)

Диаграмма состояния Al – Cu

 

 

Дуралюмин марки Д16 содержит 4 % Cu; небольшое количество Mg и Mn и подвергается упрочняющей термической обработке, заключающейся в закалке без полиморфных превращений с последующим старением.

В исходном отожженном состоянии сплав Д16 имеет двухфазую структуру: α-фазу и CuAl₂ в виде сетки по границам зерен α –фазы, где α – твердый раствор меди в алюминии, а CuAl₂ - химическое соединение (интерметаллид). В α-фазе при комнатной температуре согласно диаграмме состояния Al – Cu растворено 0,5 % меди, а в CuAl₂ - 3,5%.

Закалка сплава Д16 производится при нагреве сплава до температуры на 30…50 ⁰С выше критической точки (505±10 ⁰С), выдержке при этой температуре для сквозного прогрева и завершения фазовых превращений с последующим резким охлаждением (обычно в воде) до комнатной температуры.

В результате резкого переохлаждения в структуре не происходит выделения твердой дисперсной фазы CuAl₂ из a- фазы, т.к. не успевает произойти диффузионное перераспределение химических элементов в атомно-кристаллической решетке, и, как следствие, фиксируется твердый раствор a. По сравнению с равновесной (0,5 % Cu) при комнатной температуре в такой a- фазе содержится 4% меди, а следовательно, она является пересыщенным твёрдым раствором и поэтому обозначается a^/ (равновесная- a).

В закалённом состоянии сплав обладает невысокой прочностью (твёрдостью) и хорошей технологической пластичностью (хорошо прокатывается, штампуется, в т.ч. в холодном состоянии).

Старение заключается в длительной изотермической выдержке (до 4…7 суток) закалённого сплава при климатических температурах (естественное или холодное старение), либо при повышенных (до 200 ⁰С) температурах (искусственное или горячее старение) за гораздо более короткие сроки.

a^/- фаза является термодинамически нестабильной и поэтому склонна к самопроизвольному распаду с выделением твёрдых дисперсных частиц CuAl₂ равномерно в объёме зёрен α-фазы.

Процесс распада протекает до тех пор, пока a- фаза не достигнет практически равновесного значения - (0,5 %) меди. Т.о., после закалки и старения сплав имеет двухфазую структуру: α-фазу и CuAl₂ в виде дисперсных частиц равномерно распределенных по зерну α- фазы, видимых под электронным микроскопом.

Прочность сплава (s_в) после закалки с естественным старением составляет порядка 450 МПа.

Сплавы, упрочнение которых осуществляется старением, называют стареющими.

Если с увеличением времени выдержки или температуры при искусственном старении происходит укрупнение частиц CuAl₂ и падение прочности металла, то этот процесс называют «перестариванием».

 

График термообработки