Термическая обработка

Термическая обработка материалов представляет собой совокупность методов воздействия на металлические и неметаллические материалы с целью изменения их физических и механических свойств посредством контролируемого нагрева и охлаждения. Главная задача термической обработки — управление структурой материала на микроскопическом уровне, что позволяет оптимизировать его прочность, твердость, пластичность, износостойкость и другие эксплуатационные характеристики.

Термическая обработка включает несколько базовых процессов: нагрев, выдержку при температуре, охлаждение и, при необходимости, повторное термическое воздействие. Каждый из этих этапов влияет на внутреннюю структуру материала и его свойства.

Виды термической обработки

  1. Отжиг Отжиг направлен на снятие внутренних напряжений, увеличение пластичности и улучшение обрабатываемости материала.

    • Полный отжиг — металл нагревают выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением. Это обеспечивает выравнивание химического состава и формирование однородной зеренной структуры.
    • Рекристаллизационный отжиг — применяется для восстановления пластичности после холодной деформации. Нагрев происходит до температуры ниже температуры фазовых превращений, затем медленное охлаждение.
    • Нормализация — металл нагревается выше температуры критической точки и охлаждается на воздухе, что обеспечивает более однородную зеренную структуру и улучшает механические свойства.

  2. Закалка Закалка направлена на повышение твердости и прочности материала. Суть процесса заключается в нагреве металла до высоких температур с последующим быстрым охлаждением в воде, масле или воздухе.

    • Закалка приводит к образованию метастабильных фаз, таких как мартенсит в стали, что значительно увеличивает твердость, но снижает пластичность.
    • Важный параметр — скорость охлаждения, которая определяет размер зерен и структуру фаз.

  3. Отпуск Отпуск — это термическая обработка после закалки, которая направлена на снижение внутренних напряжений и увеличение пластичности материала.

    • Температура отпуска и продолжительность выдержки определяют сочетание твердости и прочности.
    • Различают низкий, средний и высокий отпуск, которые обеспечивают разные комбинации механических свойств.

  4. Цементация и нитроцементация Эти процессы относятся к поверхностной термической обработке:

    • Цементация — насыщение поверхности стали углеродом при высоких температурах, после чего выполняется закалка. Повышает износостойкость поверхности при сохранении пластичности сердцевины.
    • Нитроцементация — насыщение поверхности углеродом и азотом при относительно низких температурах, что улучшает коррозионную и износостойкость без значительного изменения размеров деталей.

  5. Диффузионная термическая обработка Металл обрабатывается в атмосфере газов или паров, способствующих внедрению легирующих элементов в поверхностный слой, формируя устойчивые к износу и коррозии покрытия.

Физические основы термической обработки

Термическая обработка основана на управлении структурными превращениями и диффузионными процессами. Основные физические эффекты:

  • Фазовые превращения — изменение кристаллической структуры при определенных температурах, например, аустенитизация стали при нагреве выше 723 °C.
  • Рекристаллизация — восстановление дефектной решетки после пластической деформации.
  • Диффузия — перемещение атомов внутри кристалла, что важно для цементации и нитроцементации.
  • Снятие внутренних напряжений — при медленном охлаждении после нагрева атомные дефекты устраняются, уменьшается остаточная деформация.

Влияние термической обработки на свойства материалов

  1. Механические свойства

    • Прочность — закалка и отпуск позволяют получить комбинацию высокой прочности и достаточной пластичности.
    • Твердость — определяется структурой и фазовым составом, например, мартенсит обеспечивает максимальную твердость стали.
    • Пластичность — повышается при отжиге и отпуске, снижается при закалке.

  2. Физические свойства

    • Плотность и объем — могут изменяться при фазовых превращениях.
    • Теплопроводность — зависит от зеренной структуры и содержания легирующих элементов.
    • Электропроводность — также чувствительна к внутренним дефектам и фазовому составу.

  3. Химическая стойкость и износостойкость

    • Поверхностная термическая обработка формирует твердые слои с высокой устойчивостью к коррозии и истиранию.
    • Применение легирования и насыщения поверхности улучшает эксплуатационные характеристики деталей.

Контроль термической обработки

Для достижения заданных свойств необходимо строго контролировать все этапы:

  • Температуру нагрева — слишком высокая или низкая температура может вызвать непредсказуемые фазовые изменения.
  • Время выдержки — определяет полноту фазовых превращений и глубину диффузионного насыщения.
  • Скорость охлаждения — критична для закалки, влияет на образование метастабильных фаз.
  • Атмосферу обработки — оксидная, восстановительная или инертная атмосфера предотвращает нежелательное окисление и дефекты поверхности.
Оглавление