Термоциклическая обработка сталей, сплавов и композиционных материалов

Тихонов А.С., Белов В.В., Леушин И.Г., Еременко В.И., Забелин С.Ф.

Наука, 1984 г.

ОСНОВЫ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

1.1. Существующие виды термоциклической обработки и их классификация

К настоящему времени разработаны и находят широкое применение на практике различные технологические способы термической обработки металлов и сплавов, в которых используется циклическое многократное изменение температуры. К ним можно отнести способы многократной нормализации, закалки или отпуска, циклического или маятникового отжига, а также различные способы термоциклирования в процессе обработки. Так, в последние годы интенсивно разрабатывается и находится на стадии внедрения принципиально новый метод термообработки — термоциклическая обработка (ТЦО), режимы которой характеризуются (в отличие от известного метода термической обработки) многократностью нагревов и охлаждений с оптимальными скоростями и отсутствием выдержек при максимальных температурах нагрева. Часто все эти разновидности термической обработки называют одним термином — термоциклическая обработка.

В самом общем виде все способы ТЦО можно подразделить на три основные группы, схематически показанные на рис. 1. К первой из них относится обработка, основанная на термоциклировании через линию растворимости, вторая— с полным или частичным прохождением диффузионного фазового превращения при ТЦО, а третья — при ТЦО сначала через интервал диффузионного, а затем бездиффузионного (мартенситного) перехода . Наиболее эффективные результаты достигаются, как правило, при 2 и 3 режимах, поэтому в дальнейшем более подробно рассматриваются в основном вопросы, относящиеся к этим типам ТЦО.

Употребление одного и того же термина для обозначения указанных видов термической обработки, естественно, вносит некоторую путаницу при понимании совершенно различных по своей физической сущности процессов. Кроме того, сам метод ТЦО в зависимости от температурно-скоростных условий обработки, а также от химического и фазового состава обрабатываемых материалов имеет еще ряд разновидностей, которые условно подразделяют на следующие: низко-, средне- или высокотемпературная ТЦО, маятниковая ТЦО или ТЦО с промежуточными охлаждениями до комнатной температуры и др.

Следует отметить принципиально важную особенность процессов ТЦО — в ходе обработки осуществляется многократное прохождение структурных и фазовых превращений в металлах и сплавах. Причем в одних случаях происходят только структурные изменения в результате ускоренных нагревов и охлаждений, _в других — структурные и фазовые изменения в результате прохождения неполных фазовых переходов с различной степенью завершенности или полных многократных фазовых превращений _с оптимальными скоростями. Следовательно, термоциклической обработкой (ТЦО) следует считать процесс термического воздействия, осуществляемого посредством непрерывного циклического изменения температуры и сопровождающегося многократными структурными или фазовыми превращениями в обрабатываемом материале при нагревах и охлаждениях с заданной скоростью. Целью данной обработки является получение необходимых изменений структурного, фазового или напряженного состояния материала, которые и будут определять в итоге его свойства.

Как и любой процесс термической обработки, ТЦО можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени. По такому графику можно определить параметры, характеризующие температурное воздействие при ТЦО: интервал и область температур цикла, скорость нагревай охлаждения, время пребывания при верхней и нижней температуре цикла, число циклов обработки, форму температурного цикла и т. п. Но по форме этого графика нельзя судить о виде термической обработки. Согласно классификации А. А. Бочвара многочисленные разновидности термической обработки металлов и сплавов определяются не характером изменения температуры во времени, а типом фазовых и структурных изменений в металле [6, 7]. Поэтому, основываясь на последнем признаке, и следует классифицировать многочисленные способы ТЦО.

Исходя из всех возможных вариантов ТЦО, классификацию ее разновидностей можно представить следующим образом (рис. 2). Все разновидности ТЦО можно подразделить на три основных типа в зависимости от причины структурных изменений в обрабатываемом материале.

К первому типу следует отнести все те процессы ТЦО, при которых структурные изменения не связаны с прохождением фазовых переходов в металлах. В данном случае структурные изменения являются результатом изменения концентрации точечных дефектов, образования новых дислокаций и дефектов упаковки, их взаимодействия и перераспределения, изменения ликвационной структуры материала вследствие деформации и изменения температуры и др. [5, 8].

Ко второму типу относятся процессы ТЦО, при которых протекают фазовые превращения. При этом может происходить измельчение зерен, преимущественно растворение или выделение избыточных фаз, изменение формы и размеров структурных элементов, выделяющихся из высокотемпературной фазы. Кроме того в этом случае действуют также и все те причины структурных изменений, которые перечислены для первого типа, когда фазовых превращений не происходит.

Как показали результаты многочисленных исследований, изменения структуры и физико-механических свойств металлов и сплавов проявляются наиболее эффективно и разнообразно в результате ТЦО, сопровождающейся фазовыми превращениями. Характер этих изменений определяется типом фазовых превращений, степенью их завершенности и температурно-скоростными условиями прохождения фазовых переходов в процессе ТЦО. Поэтому классификацию разновидностей этого типа ТЦО можно продолжить следующим образом.

ТЦО с фазовыми переходами можно разделить на две основные группы в зависимости от типа превращений в обрабатываемом материале. К первой группе относятся способы, когда при нагревах и охлаждениях протекают диффузионные превращения, например, эктектоидного типа (феррит + перлит в аустенит при нагреве сталей и обратный переход при охлаждении). Ко второй группе относятся способы, когда протекают превращения мартенситного типа. Следует иметь в виду также, что диффузионные превращения могут протекать с большим объемным эффектом (Fe, Zrи их сплавы) и с малым (Tiи его сплавы).

Разновидности ТЦО этого типа можно разделить еще на две подгруппы в зависимости от степени (полноты) прохождения фазового превращения в металлах или сплавах при нагревах и охлаждениях:

первая — с полным прохождением фазового превращения,

вторая — с неполным его прохождением, т. е. с различной степенью его завершенности

К третьему типу ТЦО следует отнести группу способов ТЦО, когда ее совмещают с другими видами термической обработки и в результате этого получают дополнительные необходимые изменения структурно-фазового и напряженного состояний сплавов. К этим способам можно отнести: ТЦО + нормализация или закалка, ТЦО + низкий или средний отпуск, а также ТЦО + отпуск в межкритическом интервале температур и др.

Кроме предложенной классификации, все разновидности ТЦО можно разделить по способам технологического исполнения. В основном это ТЦО с использованием печного нагрева и охлаждения на воздухе, в воде или масле, ТЦО в соляных ваннах и ТЦО с использованием электронагрева (к последнему относятся контактный — прямым пропусканием тока и индукционный — ТВЧ и ТПЧ и т. п.).

Существование такого разнообразия видов и способов ТЦО объясняется универсальностью и разнообразностью термоциклического воздействия на структуру и физико-механические свойства металлических материалов. Эффективность этого воздействия на материал определяется характером следующих основных изменений его состояния:

а)структурного строения — измельчением зерен, изменением их форм и ориентировки, обеспечением структурной однородности, а также изменением концентрации дефектов кристаллического строения;Щ§

б)фазового состава — получением того или иного фазового состояния сплава или преимущественного растворения или выделения избыточных фаз в нем;

в)напряженного состояния — образованием или релаксацией внутренних остаточных напряжений;

г)химического состава — обеспечением химической однородности сплава.

Используя указанные возможности направленного изменения состояния металлов и сплавов за счет применения определенного температурно-скоростного режима ТЦО, можно успешно решать следующие технологические задачи.

1.Упрочнение металлических материалов за счет достижения лучшего сочетания прочностных и пластических свойств. Например, повышение предела прочности при растяжении, предела текучести и твердости стали при одновременном увеличении показателей ее ударной вязкости и пластичности [6].

2.Улучшение условий горячей пластической деформации (обработки давлением) металлических материалов. Например, достижение структурных и температурно-скоростных условий проявления материалами сверхпластичного состояния.

3.Улучшение последующей механической обрабатываемости {точение, фрезерование и др.) или холодной штамповки металлических материалов. Например, получение структуры зернистого перлита в углеродистых и инструментальных сталях.

4.Регулирование размера зерна и получение сверхмелкозернистого строения металлических материалов, позволяющие получать уникальные физико-механические свойства.

5.Стабилизирующая обработка стальных и чугунных изделий прецизионногоназначения, позволяющая снижать их коробление  и  деформацию.

6.Снижение химической неоднородности литых металлических материалов.

7.Совершенствование структуры и свойств сварных соединений из сталей.

Однако использование ТЦО для решения технологических задач этим не ограничивается. Подтверждением служат результаты проведенных авторами исследований, которые будут обсуждаться в последующих разделах книги, в частности, в заключительной ее главе.