Термическая обработка металлов введение

ВВЕДЕНИЕ

Термической обработкой называют процесс обработки из­делий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном на­правлении.

Это воздействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями.

Термическая обработка — самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных за­водах термическая обработка является одним из важней­ших звеньев технологического процесса производства по­луфабрикатов и деталей машин. Термообработку приме­няют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательную операцию для при­дания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственней конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей.

Теория термической обработки является частью метал­ловедения. Главное в металловедении — это учение о связи между строением и технически важными свойствами ме­таллов и сплавов. При нагреве и охлаждении изменяется структура металлического материала, что обусловливает изменение механических, физических и химических свойств и влияет на его поведение при обработке и эксплуатации.

Теорию, термической обработки составляет учение об изменениях строения и свойств металлов или сплавов при тепловом воздействии не исчезающих после его прекра­щения.

По глубине и разнообразию структурных изменений, возникающих в результате термообработки, с ней не могут сравниться ни механические, ни какие-либо другие виды воздействия на металлы.

Краткий исторический очерк

Человек использует термообработку с древнейших времен. Анализ ар­хеологических находок позволяет сделать заключение о времени появ­ления и характере операций термообработки. В переходный период от каменного века к бронзовому (в эпоху энеолита) появились первые ме­таллические изделия, которые были получены ковкой с помощью камен­ного молота вначале самородных золота и меди, а затем и меди, вы­плавленной из руды.

Применяя холодную ковку, первобытный человек столкнулся с явлением наклепа, которое затрудняло изготовление изделий с тонкими лезвиями и острыми наконечниками, и для восстановления пластичности кузнец должен был нагревать холоднокованую медь в очаге. Наиболее ранние надежные свидетельства о применении такого рекристаллизаци­онного отжига приходятся на конец V тысячелетия до н. э. Они получе­ны при исследовании кованых изделий (например, ножей) из выплав­ленной меди, относящихся к южнотуркменской эпеолитической культуре. Без промежуточного рекристаллизационного отжига для вос­становления пластичности нельзя было обойтись и при изготовлении ме­тодом ковки тонких медных, а позднее и бронзовых листов. Эти листы шли на выделку посуды, производившейся в значительных количествах во II тысячелетии до н. э. (в бронзовом веке).

Таким образом, рекристаллизационный отжиг по времени появле­ния был первой операцией термической обработки металла и использо­вался уже начиная с V тысячелетия до н. э.

Закалка появилась значительно позднее отжига. Металлургическое производство железа началось с конца II тысячелетия до н. э. Железо получали тогда сыродутным способом непосредственно из железной ру­ды.
Из-за низкого содержания углерода оружие из такого железа нель­зя было упрочнить закалкой. В ранний период применения железа за­калку проводили одновременно с цементацией. Нагревая заготовку для горячей ковки в древесноугольном горне, т. е. проводя науглерожива­ние, и затем охлаждая ее в воде, кузнец столкнулся с резким улучше­нием качества оружия и орудий труда, сделанных из железа.

Открытие сыродутного способа производства железа с последую­щей его цементацией и закалкой было одним из важнейших достиже­ний в истории человеческого общества. Металлографическое изучение гальштатской кузнечной техники (Средняя Европа) показало, что це­ментация железных изделий (ножей, наконечников копий) и последую­щая их закалка в воде были известны уже в начале I тысячелетия до н. э. Однако эти виды упрочняющей термической обработки использо­вались в то время сравнительно редко.

В Древних Греции и Риме упрочняющая термообработка стали бы­ла хорошо известна, что подтверждается упоминаниями о закалке у ан­тичных авторов. В «Одиссее» Гомера (VIII—-VII вв. до н. э.) в девятой песне есть такие строки: «Как погружает кузнец раскаленный топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо — крепче же­лезо бывает, в огне и воде закаляясь» (перевод П. А. Шуйского).

Аристотель (IV в, до н. э) отмечал, что лучшую сталь получают нагревом железа в горне по нескольку раз. Такая обработка приводила к наугле­роживанию железа и обеспечивала после закалки высокую прочность и твердость изделий. Аристотель упоминал о закалке стали в масле. Пли­ний Старший (I в.) писал, что тонкие стальные изделия во избежание их коробления и растрескивания закаливают в масле.

Металлографический анализ европейских археологических находок показывает, что сталь (науглероженное железо) и закалка стальных из­делий вошли во всеобщее употребление с V—IV вв. до и. э. Закалка медных сплавов была известна человеку также еще до н. э. Сравнитель­но недавние исследования литых этрусских зеркал из высокооловяниой бронзы (Италия, V—IV вв. до и. э.) и сарматских зеркал (Поволжье, IV—II вв. до н. э.) показали, что эти изделия закаливали на мартенсит в воде скорее всего с целью улучшения зеркального блеска при полировке.

В средние века применяли самые разнообразные технологические операции: закалку в жидкости, закалку в воздушной струе, местную за­калку лезвий, низкий, средний и высокий отпуск, цементацию, защиту стали от обезуглероживания при нагреве, рекристаллизационный отжиг и др.

Микроструктурное изучение, рентгеновский анализ и измерение микротвердости многих сотен древнерусских находок из слоев X—XV вв. показали, что ⁹/₁₀ исследованных стальных орудий труда и оружия на­ходилось в термически обработанном состоянии, из них одна треть бы­ла закалена, а остальные закалены и отпущены. Цементацию в древес­ном угле или органическом веществе применяли к ножам, мечам, копь­ям, напильникам, резцам и другим инструментам. Искусство термообработки режущего и колющего оружия было сильно развито в средние века. Например, знаменитые клинки из булатной (дамасской) стали обладали прекрасными режущими и упругими свойствами благо­даря сочетанию тонко разработанных способов плавки, ковки и термо­обработки.

Не зная сущности внутренних превращений в металле, средневеко­вые мастера приписывали получение высоких свойств  при термообработ­ке проявлению сверхъестественных сил. Способы термообработки стали, особенно холодного оружия, детально описаны в средневековой лите­ратуре. Если из средневековых рецептов термообработки выбросить некоторые подробности и заклинания, то большая часть этих рецептов ока­жется оправданной с точки зрения современного термиста.

Термообработку использовали с древнейших времен как технологи­ческую операцию, но развитие ее как науки стало возможным только с середины XIX столетия. До этого времени знания человека о термооб­работке представляли совокупность рецептов, выработанных на основе многовекового опыта. Эти рецепты, часто весьма ценные, передавали из поколения в поколение, секреты выполнения отдельных операций иногда терялись в веках и вновь познавались, но истинная природа процессов, происходящих в металле при термообработке, оставалась загадкой.

Развитие техники в XIX в. потребовало превращения термообработ­ки из искусства в науку. В середине XIX столетия армия и флот стре­мились заменить бронзовые и чугунные пушки более прочными, а следовательно, и более мощными стальными орудиями. Начало широкого производства артиллерийских орудий из стали относится к 50-м годам прошлого века. В этот период проблема изготовления стальных орудий­ных стволов высокой и гарантированной прочности была чрезвычайно острой. Выдающиеся металлурги того времени, в том числе генерал П. М. Обухов, знали рецепты плавки и литья стали, но, несмотря на это, при учебной стрельбе разрывы стальных орудий случались очень часто.

Много стальных крупповских орудий без видимых причин разорва­лось в войну Пруссии с Австрией в 1866г. Наступил кризис доверия к стали как к материалу для орудийных стволов, и начался возврат к брон­зовым пушкам.

В 1866 г. на Обуховский сталелитейный завод в Петербурге был приглашен на должность техника молотового цеха Дмитрий Константи­нович Чернов (1839—1921 гг.). В 1868 г. в Русском техническом общест­ве Чернов делает знаменитый доклад «Критический обзор статен гг. Лав­рова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные Д. К. Чернова исследования по этому же предмету» . В этом докладе он сообщает результаты работы по выяснению причин брака стальных поковок. Наблюдая под микроскопом шлифы, приготовленные из дул ору­дий, и изучая под лупой строение изломов в месте разрыва, Чернов пришел к выводу, что сталь тем прочнее, чем мельче ее структура. Тог­да он «стал искать причину приобретения сталью мелкой структуры».

Сравнительные исследования стали после ковки при разных температу­рах показали, что «изменения в структуре стали нужно отнести к влия­нию температуры, но не собственно механической обработки». После этого необходимо было для каждого сорта стали с определенным со­держанием углерода найти температуры, при которых изменяется струк­тура. Д. К. Чернов высказал гениальное предположение, что еле замет­ные поверхностные изменения, обнаруживаемые в темноте на охлаж­дающейся раскаленной поковке при двух температурах, связаны с глубокими внутренними изменениями структуры. Эти температуры Чер­нов определил на глаз и обозначил точками  а и b. «Сталь, как бы твер­да она ни была, будучи нагрета ниже точки а, не принимает закалки, как бы быстро ее ни охлаждали». Чтобы получить мелкозернистый из­лом, необходимо
нагреть сталь немного выше точки b.

Таким образом, Д. К. Чернов в 1868 г. открыл внутренние струк­турные превращения в стали и связал с ними тепловой режим ковки и технологию термообработки. Тем самым великий русский металлург за­ложил научные основы термической обработки.

Основополагающий доклад Д. К. Чернова был переведен на ино­странные языки, и предложенные им правила обработки стали вошли в практику заводов разных стран. Работы Чернова в области металлове­дения и термической обработки получили мировое признание. Известный американский металловед
А. Совер, обращаясь к Чернову, писал: «Вы создали теорию термической обработки стали рукою мастера, и Ваши ученики добавили сравнительно немногое к Вашим основным положе­ниям». Яркую характеристику деятельности Чернова дал в некрологе французский металловед профессор А. Портевен: «Чернов был провоз­вестником и главой новой школы; его первые труды послужили фун­даментом для последующего удивительного прогресса в области метал­лургии стали, для которой вторжение науки оказалось поистине рево­люционным». «Столь прекрасная жизнь, получившая мировую оценку, делает великую честь России».

Выдающийся последователь Д. К. Чернова французский инженер Флорис Осмонд (1849—1912 гг.) применил в 1886 г. термопару Ле-Шателье для определения критических точек стали при термическом ана­лизе. Работы Осмонда, подтвердившего и развившего выводы Чернова, привлекли внимание многих металлургов и химиков к проблеме струк­турных превращений в металлах и послужили дополнительным толчком для широких экспериментальных исследований в этой области.

В истории металловедения конец XIX и начало XX вв. характери­зуются широким приложением термодинамического учения о гетероген­ных равновесиях к металлическим системам. В разных странах были на­чаты систематические работы по построению диаграмм состояния. Эти диаграммы показывают, какие фазовые превращения возможны в спла­вах, и, следовательно, дают исходные данные для анализа важнейших видов термической обработки.

Первые крупные исследования в области термообработки цветных сплавов были выполнены в начале XX в. В 1900 г. А. А. Байков (1870— 1946 гг.) на сплавах меди с сурьмой доказал, что способность к закалке присуща не только сталям, как это ранее считали, но и цветным спла­вам. В 1903 г. в Германии был взят патент на «способ облагораживания алюминиевых сплавов нагреванием и закалкой»; было показано, что временное сопротивление литых сплавов алюминия с медью в резуль­тате закалки возрастает в 1,5 раза.

В 1906 г. немецкий инженер А. Вильм (1869—1937 гг.) на изобре­тенном им дуралюмине открыл старение после закалки — один из основ­ных способов упрочнения сплавов. В 1919 г. американский металловед П. Мерика (1889—1957 гг.) вскрыл природу старения дуралюминов, свя­зав упрочнение при старении с образованием дисперсных выделений в пересыщенном твердом растворе. Это было одним из наиболее выдаю­щихся достижений в теории термической обработки: по диаграммам со­стояния с переменной растворимостью компонентов в твердом состоя­нии стало возможным предсказывать области составов сплавов, способ­ных к дисперсионному твердению.

Начиная с 20-х годов текущего столетия для развития теории тер­мообработки характерно детальное изучение природы, механизма и ки­нетики структурных превращений в твердом состоянии с помощью раз­нообразных физических методов исследования и прежде всего рентге­новского анализа. В течение двух-трех десятилетий были накоплены обширные сведения о закономерностях изменений структуры и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии. С конца 50-х годов для выявления изменений субструктуры при термообработке все шире стали применять метод просвечивающей (дифракционной) электронной микро­скопии.

На современном этапе для теории термообработки характерно ши­рокое использование учения о дефектах кристаллической решетки ме­таллов, так как эти дефекты оказывают сильное, а часто и решающее влияние на механизм и закономерности структурных изменений.

Одновременно с развитием теоретических представлений совершен­ствовались старые и разрабатывались новые способы термообработки, например, термомеханическая обработка, отпуск и старение под напряжением, закалка с плавлением поверхности и др.

Итогом многочисленных исследований явилась стройная теория тер­мической обработки, которая позволяет научно обоснованно разраба­тывать технологические процессы и получать сплавы с заданными свой­ствами.

Классификация видов термической обработки

Любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во вре­мени. По такому графику можно определить температуру нагрева, время нагрева и охлаждения, средние и истинные скорости нагрева и охлаждения, время выдержки при температуре нагрева и общую продолжительность произ­водственного цикла. Но по форме этого графика ничего нельзя сказать о том, с каким видом термообработки мы имеем дело. Вид термообработки определяется не характе­ром изменения температуры во времени, а типом фазовых и структурных изменений в металле. Основываясь на по­следнем признаке, А. А. Бочвар разработал классифика­цию, охватывающую многочисленные разновидности тер­мической обработки черных и цветных металлов и сплавов.

На основе классификации А. А. Бочвара Комиссией по стандартизации Совета Экономической Взаимопомощи были разработаны классификация видов и разновидностей термической обработки сталей и цветных металлов и спла­вов, а также соответствующая терминология. На рис. 1 приведена схема классификации основных видов термиче­ской обработки металлов и сплавов.

Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую. Собственно термическая обработка заключается только в термическом воздействии на металл или сплав, термомеха­ническая — в сочетании термического воздействия и пла­стической деформации, химико-термическая — в сочетании термического и химического воздействия.

Собственно термическая обработка включает следую­щие основные виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, за­калку с полиморфным превращением, закалку без поли­морфного превращения, закалку с плавлением поверхнос­ти, отпуск и старение. Эти виды термической обработки относятся и к сталям, и к цветным металлам и сплавам. Каждый из видов термообработки подразделяется на раз­новидности, специфические для сплавов на разных основах.

С отдельными видами термообработки приходится сталкиваться как с побочными процессами при горячей об­работке давлением, литье, сварке и других технологичес­ких операциях. Например, частичная или полная закалка встречается при ускоренном охлаждении отливок после их затвердевания. При шлифовании деталей из-за разогрева поверхности может произойти их отпуск. При сварке в зоне термического влияния сварного шва можно наблюдать ре­кристаллизационный отжиг и т.п. Побочные процессы тер­мообработки бывают полезными, а могут вызывать и нежелательные изменения структуры и свойств изделий.

Производственные названия отдельных процессов тер­мообработки складывались исторически и основывались не на характере внутренних превращений в металле или спла­ве, а на чисто внешних признаках. Поэтому один и тот же термин иногда используют для обозначения разновидностей термообработки, совершенно различных по своей физиче­ской сущности. Например, нагрев с переходом за крити­ческую точку, выдержку и охлаждение на воздухе обычно называют нормализацией. При такой обработке в углеро­дистой стали происходят процессы, которые относятся к отжигу 2-го рода, в высоколегированных сталях может об­разоваться мартенсит, т. е. происходит закалка с поли­морфным превращением, а некоторые цветные сплавы под­вергаются закалке без полиморфного превращения.

Примеров подобного рода можно привести множество. В связи с этим при употреблении некоторых производствен­ных названий термической обработки иногда трудно по­нять, какова физическая сущность процессов, о которых идет речь. В таких случаях вместо устоявшихся производ­ственных терминов или параллельно с ними необходимо использовать терминологию научной классификации раз­новидностей термической обработки.