Термическая обработка сплавов

Разупрочняющая термообработка
Отжиг – термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной. Отжиг вызывает разупрочнение металлов, сопровождающееся повышение пластичности и снятием остаточных напряжений.
Отжиг заключается в нагреве изделий до определенной температуры, выдержке их при данной температуре с последующим медленным охлаждением вместе с печью. При этом заготовки или изделия получают устойчивую структуру без остаточных напряжений.
Цели отжига – снятие внутренних напряжений, устранение структурной и химической неоднородности, снижение твердости и улучшение обрабатываемости, подготовка к последующей операции термообработки.

Упрочняющая термообработка
Закалка – ТО, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура пересыщенного твердого раствора.
Сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.
Отпуск –ТО, в результате которой в предварительно закаленном сплаве происходит фазовое превращение, приближающее его структуру к равновесной. После отпуска происходит распад пересыщенного твердого раствора, сформировавшегося при закалке. Отпущенная структура обеспечивает более высокие механические свойства по сравнению с отожженным состоянием.
Старение – ТО, в результате которой из пересыщенного твердого раствора выделяются мелкодисперсные частицы второй фазы, формирующие равновесную структуру. Старение закаленного сплава приводит к повышению прочности, без значительного снижения пластичности.

Отжиг стали
Отжиг стали проводят для получения требуемой равновесной структуры с минимальной твердостью, с целью дальнейшей обработки получаемых деталей резанием. Изделие нагревают до нужной температуры и охлаждают вместе с печью.
Области нагрева стали при отжиге:
1 – диффузионном;
2 – рекристаллизационном;
3 – для снятия напряжений;
4 – полном;
5 – неполном;
6 – нормализационном.

Закалка стали
Температура нагрева при закалке стали зависит от ее химического состава. В доэвтектоидных сталях нагрев производится на 30-50 °С выше точек Aс3. Такую закалку называют полной.
Для закалки заэвтектоидной стали наилучшей температурой является нагрев на 30-50 °С выше Ас1. Такую закалку называют неполной.

При охлаждении нагретой под закалку стали со скоростью выше критической (для конструкционных сталей охлаждение в воду) вместо диффузионного превращения аустенита в перлит, происходит бездиффузионное мартенситное превращение.
Закалка стали
Образуется мартенсит — пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе.
А
М
М
А

Мартенсит имеет ту же концентрацию углерода, что и исходный аустенит. Из-за высокой пересыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажается, вытягиваясь и приобретая вместо кубической тетрагональную форму. Благодаря этому, мартенсит имеет высокую твердость (до HRC 65) и хрупкость.
Закалка стали
Способность стали закаливаться на мартенсит называется закаливаемостью. Она характеризуется значением твердости, приобретаемой сталью после закалки, и зависит от содержания углерода. Стали с низким содержанием углерода (до 0,3 %) практически не закаливаются, и закалка для них не применяется.

Отпуск стали – термическая обработка, следующая за закалкой и заключающийся в нагреве стали до температуры ниже критической, выдержке и охлаждении.
Цель отпуска – получение более равновесной по сравнению с мартенситом структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности.
Отпуск стали
Основной процесс, происходящий при отпуске – распад мартенсита, т.е. выделение углерода из пересыщенного твердого раствора в виде карбида железа.

Низкий отпуск проводится при температуре 150-200 °С. Образуется структура мартенсит отпуска. Мартенсит отпуска отличается от мартенсита закалки наличием мелкодисперсных частиц карбидов и меньшей степенью тетрагональности кристаллической решетки.
Низкий отпуск стали
В результате низкого отпуска снимаются внутренние напряжения, происходит некоторое увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости и износостойкости.
Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также машиностроительные детали, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

При среднем отпуске производится нагрев до 350-450 °С. Из мартенсита полностью выделяется углерод и образуется мелкоигольчатая смесь феррита и цементита. Такая структура стали полученная при среднем отпуске называется тростит отпуска.
При среднем отпуске происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшении сопротивляемости действию ударных нагрузок.
Средний отпуск стали
Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск стали
Высокий отпуск проводится при 550-650°С. При нагреве до таких температур происходит коагуляция и сфероидизация частиц цементита в механической смеси феррита и цементита. Структура с округлыми зернами основных фаз называется сорбит отпуска.
В результате высокого отпуска твердость и прочность снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получается оптимальное для конструкционных сталей сочетание механических свойств.
.
Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок

Термообработка дуралюмина
Дуралюмин – сплав алюминия с 4-5 % меди

Термообработка дуралюмина
Отжиг
Отжиг (разупрочняющая термообработка) дуралюмина заключается в нагреве сплава до 550 °С выдержке и охлаждении вместе с печью.
В отожженном – равновесном состоянии структура дуралюмина состоит из зерен твердого раствора меди в алюминии и частиц соединения СuАl2. При этом частицы СuАl2 крупные.
Такая структура обеспечивает сплаву хорошую пластичность (δ = 18-20 %) при относительно невысоких значениях прочности и твердости (49 НВ).

Термообработка дуралюмина
Закалка
Закалка дуралюмина заключается в нагреве сплава до 550 °С, выдержке и быстром охлаждении в воду.
.
При нагреве в печи частицы СuАl2 растворяются в твердом растворе α - структура станет однофазной. Затем при быстром охлаждении в воду – медь не успевает выделиться из твердого раствора и сохранится в нем после охлаждения. В результате сформируется пересыщенный твердый раствор замещения меди в алюминии – α′.
После закалки значительного упрочнения дуралюмина
не происходит – его твердость составляет 90 НВ, однако пластичность возрастает до δ = 20-24 %, что позволяет
пластически деформировать сплав в этом состоянии.