Упрочняющая термическая обработка сплавов

Технологические операции, в результате которых в сплавах достигают повышенного уровня прочности по сравнению с отожженным состоянием, называют упрочняющей термической обработкой или термическим упрочнением. Кроме необходимого уровня прочности, структура и фазовый состав, получаемые при такой обработке, обеспечивают комплекс свойств, требуемых при эксплуатации.

Закалка — операция термической обработки, которая заключается в нагреве сплавов в высокотемпературную область твердых растворов и охлаждении с высокой скоростью, предотвращающей равновесные фазовые превращения.

Проводят закалку для сплавов на основе полиморфных металлов (закалка с полиморфным превращением) либо для сплавов с ограниченной переменной растворимостью (закалка без полиморфного превращения). Сплавы с полиморфным превращением также могут иметь переменную растворимость легирующих элементов.

При закалке сплавов с переменной растворимостью получают пересыщенный твердый раствор (закалка на пересыщенный твердый раствор), который обычно пересыщен атомами замещения.

В результате закалки полиморфных сплавов получают мартенсит (метастабильную фазу) — твердый раствор, который может быть как пересыщенным, так и непересыщенным.

Вторым этапом термического упрочнения являются операции или старения или отпуска.

Старение или отпуск — операции термической обработки, которые заключаются в нагреве при температуре, которая ниже температуры закалки, с последующим охлаждением в различных средах (воздух, вода).

Двухэтапную термообработку закалка + старение применяют для различных цветных сплавов, не имеющих полиморфных превращений (алюминиевых, магниевых, медных, никелевых), а также для высоколегированных высокопрочных сталей (так называемых мартенситно-стареющих).

Пересыщенный твердый раствор, полученный в результате закалки, характеризуется пониженной прочностью и повышенной пластичностью. При старении происходит распад этого пересыщенного твердого раствора с образованием высокодисперсных фаз, что приводит к упрочнению сплавов (рис. 12.3, а).

Большим преимуществом двухэтапной обработки закалка + старение является возможность варьирования для сплава данного состава режимов старения в широком диапазоне значений и получения разного сочетания свойств: высокая прочность с пониженной пластичностью, средняя прочность с повышенной пластичностью, средняя прочность с повышенной коррозионной стойкостью и т. д. (рис. 12.4).

Двухэтапную термообработку закалка + отпуск применяют для углеродистых и легированных сталей. Мартенсит, образующийся в результате закалки, является пересыщенным твердым раствором. Пересыщение создается углеродом, т. е. атомом внедрения, поэтому мартенсит углеродистых и легированных сталей — это высокотвердая и хрупкая фаза.

При последующем отпуске, проводимом для понижения твердости (отпуск), устранения хрупкости и получения приемлемого сочетания прочности и пластичности, происходит распад мартенсита со снижением твердости (рис. 12.3, б) и одновременным повышением пластичности и ударной вязкости. В зависимости от температуры различают три вида отпуска сталей — низкий, средний и высокий,

В связи с тем, что до 70 % деталей в машиностроении изготовляют из углеродистых и легированных сталей, такая двухэтапная термообработка, как закалка + отпуск, является наиболее распространенной в различных отраслях современного машиностроительного производства.