Термическая обработка сварных соединений.

Термической обработкой называют нагрев до определенной температуры, выдержку и охлаждение металлов и сплавов с целью изменения их структуры.

Термическая обработка включает в себя:

- отжиг 1-го рода,

-отжиг 2-го рода,

-закалку без полиморфного превращения,

-закалку с полиморфным превращением,

-отпуск и старение.

Эти виды термической обработки относятся и к сталям, и к цветным металлам, и к сплавам

. Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий внеравновесном состоянии, и приводящая его в болееравновесное состояние, называется отжигом .

Нагрев при отжиге может производиться ниже и выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига

Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производятся с целью приведения его в равновесное состояние за счет

- уменьшения (устранения) химической неоднородности,

-снятия внутренних напряжений и рекристаллизации,

называетсяотжигом первого рода.

Его проведение не связано с прохождением фазовых превращений. Он возможен для любых металлов и сплавов

Существуют следующие разновидности отжига 1-го рода:гомогенизационный, рекристаллизационньй и уменьшающий напряжения.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг - это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации (химической неоднородности).

Рекристаллизационный отжиг- это термическая обработка деформированного металла, при которой главным процессом является рекристаллизация металла.

Отжиг, уменьшающий напряжения - это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений.

Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом второго рода или перекристаллизацией.

Если после нагрева выше температур фазовых превращений охлаждение ведется не в печи, а на воздухе, то такой отжиг называется нормализацией.

Существует два вида закалки:

- закалка без полиморфного превращения

-закалка с полиморфным превращением.

Закалка без полиморфного превращения заключается в нагреве металла или сплава до температур растворения избыточной фазы, выдержке при этой температуре с целью получения однородного пересыщенного твердого раствора и в фиксации полученного пересыщенного твердого раствора за счет быстрого охлаждения. В результате сплав имеет структурно неустойчивое состояние. Этот вид закалки характерен для сплавов алюминия с медью — дуралюминов

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температур фазовых превращений с последующим быстрым охлаждениемдляполучения структурно-неравновесного состояния, называется закалкой с полиморфным превращением. Этот вид закалки характерен для сплавов железа с углеродом (сталей). После закалки в стали образуется структура пересыщенного твердого раствора углерода в  -железе, которая называется мартенситом.

Состояние закаленного сплава характеризуется особой неустойчивостью. Процессы, приближающие его к равновесному состоянию, могут идти даже при комнатной температуре и резко ускоряются при нагреве.

Термическая обработка, представляющая собойнагрев закаленного сплава ниже температур фазовых превращений для приближения его структуры к структуре более устойчивого состояния, называется отпуском.Отпуск является операцией, проводимой после закалки с полиморфным превращением.

Между отпуском и отжигом 1-го рода много общего. Разница в том, что отпуск - всегда вторичная операция после закалки.

Самопроизвольный отпуск, происходящий после закалки без полиморфного превращения в результате длительной выдержки при комнатной температуре, или отпуск при сравнительно небольшом подогреве называется старением

Термическую обработку сплавов, не связанную с фазовым превращением в твердом состоянии проводят:

• для уменьшения остаточных напряжений (отжиг для уменьшения напряжений), температура ниже порога рекристаллизации, выдержка и медленное охлаждение
• рекристаллизации пластически деформированных заготовок (рекристаллизационный отжиг), температура Тр+100-200^оС и охлаждение на спокойном воздухе,

Для уменьшения ликвации в отливках и слитках (диффузионный отжиг или гомогенизация), длительная выдержка при высоких температурах, при которых протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при кристаллизации. Подвергают слитки, иногда отливки. Для сталей -1100-1300^оС в течение 20-50 ч, алюминиевые сплавы 420-450^оС.

Виды термической обработки сталей

Температурные области термической обработки сталей приведены на рисунке 38.

Отжигом называется нагрев доэвтектоидной стали на 30-40° выше точки А_С3 выдержка при данной температуре и медленное охлаждение вместе с печью. Такой отжиг называется полным.

Для заэвтектоидной стали применяют неполный отжиг, заключающийся в нагреве стали на 30-40° выше точки А_С1, выдержке при этой температуре и охлаждении с печью.

При отжиге происходит измельчение зерен в результате перекристаллизации. В результате отжига вдоэвтектоидной стали получается сетчатая структура в виде перлита, окруженного ферритной сеткой.

При отжиге заэвтектоиднойстали имеет место измельчение перлитных зерен; цементит не подвергаются изменениям.

В связи с тем, что перлит в этих сталях занимает до 90% объема, неполный отжиг дает вполне удовлетворительные результаты. Чем больше углерода и других примесей в стали, тем медленнее нагревают ее при отжиге во избежание возникновения сильных напряжений и образования трещин в металле. Охлаждение вместе с печью протекает со скоростью 0,04-0,05° С в 1 сек.

При отжиге температуру ограничивают 30-40°С выше верхней критической точки Ас3. Более высокий нагрев приводит к перегреву стали и росту зерен. Перегретая сталь менее прочна, менее пластична и имеет крупнозернистую видманштеттову структуру пластинчатого строения, напоминающего мартенсит. Следствием этого является пониженная прочность стали. Перегрев стали имеет место при превышении точки А_С3 более чем на 50°, а нагрев до температур, близких к линии солидуса, приводит к пережогу стали, когда по границам зерен появляются окислы металла. Такую сталь термической обработкой исправить нельзя.

Температуры нагрева стали при отжиге и нормализации:

1- диффузионный отжиг; 2 - рекристаллизационный отжиг; 3 - отжиг для снятия напряжений; 4 - полный отжиг, 5 - неполный отжиг, 6 - нормализация; 1- 3 - отжиг 1 рода; 4—6— отжиг II рода.

Помимо рассмотренного нормального, при термической обработке стальных изделий применяют и другие виды отжига.

Так, только для снятия напряжений производят низкий отжиг путем нагрева ниже температуры А_С1, выдержки при ней и охлаждении с печью или на воздухе.

Для выравнивания химического состава в стальном литье производят гомогенизирующий или диффузионный, отжиг (нагрев на 200-300° выше точки А_С3 и длительная - в течение десятков часов выдержка при этой температуре). Вызываемый этим рост зерна исправляют в дальнейшем нормальным отжигом.

Для уменьшения твердости высокоуглеродистых сталей перед обработкой их на металлорежущих станках производят циклический (маятниковый) отжиг на зернистый перлит или сфероидизацию (нагрев стали немного выше точки А_С1 и последующее охлаждение ниже Аr1). Нагрев и охлаждение повторяют 4-5 раз, пластинки цементита принимают сферическую форму, и сталь приобретает структуру зернистого перлита. Аналогичные результаты дает длительный отжиг при температурах, близких к А_С1.

Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали выше точки А_С3, а заэвтектоидиой стали - выше точки Аст на 50°, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение на воздухе.

Структура нормализованной стали мелкозернистая (за счет измельчения зерен аустенита). Благодаря мелкозернистому строению твердость, прочность и вязкость нормализованной стали выше, чем отожженной. Нормализации подвергают низкоуглеродистую сталь, так как при этом получается незначительное различие в свойствах по сравнению с отжигом, а процесс обходится дешевле.

Закалка-нагрев стали выше критической точки А_С1 или А_С3, выдержка при этой температуре и последующее быстрое охлаждение в соответствующей среде (воде, масле, воздушной струе). В зависимости от температуры нагрева закалку называютполной и неполной.При полной закалке сталь переводят в аустенитное состояние, т.е. нагревают выше А_С3 или Асm, при неполной - нагревают до межкритических температур.

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, оптимальной является температура А _С3+30-50^оС.

Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура А _С1+30-50^оС. Охлаждение при закалке проще всего осуществляется погружением детали в жидкую среду (вода, масло) Т=20-25^оС, однако для избежания коробления или трещин иногда применяют сложную закалку.

Обработка холодом- охлаждение закаленных деталей ниже 20-25^оС. Проводится для сталей, Мн которых ниже комнатной температуры. Поэтому при закалке образуется остаточный аустенит, который при обработке холодом переходит в мартенсит.

Отпуск закаленных сталей.Нагрев закаленных сталей до температур, не превышающих А₁, называют отпуском.

В результате закалки чаще всего получают структуру мартенсита с некоторым количеством остаточного аустенита, иногда - структуру сорбита, троостита или бейнита.

При отпуске происходит несколько процессов. Основной процесс - распад мартенсита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов, кроме того, распадается остаточный аустенит, происходит карбидное превращение и коагуляция карбидов, уменьшаются остаточные напряжения.

Фазовые превращения при отпуске принято разделять на три в зависимости от изменения удельного объема стали. В сталях, не содержащих легирующие элементы, первое превращение происходит в интервале температур 80-200^оС. второе 20О-260^оС, третье 260-380^оС.

Первое превращение. Из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного  -карбида, имеющего гексагональную решетку и химический состав близкий к Fe₂C и когерентный с решеткой мартенсита. Первое превращение с очень малой скоростью идет и без нагрева.

Второе превращение. Одновременно происходит несколько процессов: продолжается распад мартенсита, распадается остаточный аустенит и начинается карбидное превращение. Распад остаточного аустенита происходит по механизму бейнитной реакции: образуется смесь низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. При температурах около 250^оС начинается превращение  -карбида в цементит, при этом когерентность решеток твердого раствора и карбида нарушаются.

Третье превращение. Завершаются распад мартенсита и карбидное превращение. Из мартенсита выделяется весь пересыщающий углерод в виде карбидов, тетрагональность решетки твердого раствора устраняется - мартенсит переходит в феррит. После отпуска при температуре 380-400^оС в структуре стали обнаруживается только карбид цементитного типа.

Ферритно-карбидная смесь, образовавшаяся в конце третьего превращения, весьма дисперсна и имеет примерно такую же твердость, как троостит (ее называют трооститом отпуска). Структуру стали, образовавшуюся при температурах первого и второго превращения называют отпущенным мартенситом или мартенситом отпуска.

В интервале температур третьего превращения цементит имеет форму пластин. С повышением температуры происходит коагуляция частицы цементита укрупняются, а форма приближается к сфероидальной. Коагуляция и сфероидизация карбидов происходит с заметной скоростью, начиная с 350- 400^оС.

Ферритно-карбидная смесь образовавшаяся при температуре 450-650^оС называют сорбитом отпуска. Выше - грубая смесь - зернистый перлит.