МЕТАЛЛОВ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, определенный временной цикл нагрева и охлаждения, которому подвергают металлы для изменения их физических свойств. Термообработка в обычном смысле этого термина проводится при температурах, не достигающих точки плавления. Процессы плавления и литья, оказывающие существенное влияние на свойства металла, в это понятие не включаются. Изменения физических свойств, вызываемые термической обработкой, обусловлены изменениями внутренней структуры и химических соотношений, происходящими в твердом материале. Циклы термической обработки представляют собой различные комбинации нагрева, выдерживания при определенной температуре и быстрого или медленного охлаждения, соответствующие тем структурным и химическим изменениям, которые требуется вызвать.

Зернистая структура металлов. Всякий металл обычно состоит из множества соприкасающихся друг с другом кристаллов (называемых зернами), как правило, имеющих микроскопические размеры, но иногда и видимых простым глазом. Внутри каждого зерна атомы расположены так, что образуют правильную трехмерную геометрическую решетку. Тип решетки, называемый кристаллической структурой, является характеристикой материала и может быть определен методами рентгеноструктурного анализа. Правильное расположение атомов сохраняется в пределах всего зерна, если не считать небольших нарушений, таких, как отдельные узлы решетки, случайно оказавшиеся вакантными. Все зерна имеют одинаковую кристаллическую структуру, но, как правило, по-разному ориентированы в пространстве. Поэтому на границе двух зерен атомы всегда менее упорядочены, чем внутри них. Этим объясняется, в частности, то, что границы зерен легче поддаются травлению химическими реагентами. На полированной плоской поверхности металла, обработанной подходящим травителем, обычно выявляется четкая картина границ зерен. Физические свойства материала определяются свойствами отдельных зерен, их воздействием друг на друга и свойствами границ зерен. Свойства металлического материала существенным образом зависят от размеров, формы и ориентации зерен, и цель термической обработки состоит в том, чтобы управлять этими факторами.

Атомные процессы при термической обработке. При повышении температуры твердого кристаллического материала его атомам становится все легче переходить из одного узла кристаллической решетки в другой. Именно на этой диффузии атомов и основана термическая обработка. Наиболее эффективный механизм движения атомов в кристаллической решетке можно представить себе как движение вакантных узлов решетки, которые всегда имеются в любом кристалле. При повышенных температурах благодаря увеличению скорости диффузии ускоряется процесс перехода неравновесной структуры вещества в равновесную. Температура, при которой заметно повышается скорость диффузии, неодинакова для разных металлов. Она обычно выше для металлов с высокой температурой плавления. В вольфраме с его температурой плавления, равной 3387  C, рекристаллизация не происходит даже при красном калении, тогда как термическую обработку алюминиевых сплавов, плавящихся при низких температурах, в некоторых случаях оказывается возможным проводить при комнатной температуре.

Во многих случаях термической обработкой предусматривается очень быстрое охлаждение, называемое закалкой, цель которого   сохранить структуру, образовавшуюся при повышенной температуре. Хотя, строго говоря, такую структуру нельзя считать термодинамически устойчивой при комнатной температуре, практически она вполне устойчива благодаря низкой скорости диффузии. Очень многие полезные сплавы обладают подобной "метастабильной" структурой.

Изменения, вызываемые термической обработкой, могут быть двух основных видов. Во-первых, и в чистых металлах, и в сплавах возможны изменения, затрагивающие только физическую структуру. Это могут быть изменения напряженного состояния материала, изменения размеров, формы, кристаллической структуры и ориентации его кристаллических зерен. Во-вторых, изменяться может и химическая структура металла. Это может выражаться в сглаживании неоднородностей состава и образовании выделений другой фазы, во взаимодействии с окружающей атмосферой, созданной для очистки металла или придания ему заданных поверхностных свойств. Изменения того и другого вида могут происходить одновременно.

Снятие напряжений. Деформация в холодном состоянии повышает твердость и хрупкость большинства металлов. Иногда такое "деформационное упрочнение" желательно. Цветным металлам и их сплавам обычно придают ту или иную степень твердости холодной прокаткой. Малоуглеродистые стали тоже часто упрочняют холодным деформированием. Высокоуглеродистые стали, доведенные холодной прокаткой или холодным волочением до повышенной прочности, необходимой, например, для изготовления пружин, обычно подвергают отжигу для снятия напряжений   нагревают до сравнительно низкой температуры, при которой материал остается почти столь же твердым, как и раньше, но в нем исчезают неоднородности распределения внутренних напряжений. Благодаря этому ослабевает тенденция к растрескиванию, особенно в коррозионных средах. Такое снятие напряжений происходит, как правило, за счет локального пластического течения в материале, не приводящего к изменениям общей структуры.

Рекристаллизация. При разных методах обработки металлов давлением нередко требуется сильно изменять форму заготовки. Если формообразование должно проводиться в холодном состоянии (что часто диктуется практическими соображениями), то приходится разбивать процесс на ряд ступеней, в промежутках между ними проводя рекристаллизацию. После первой ступени деформации, когда материал упрочнен настолько, что дальнейшее деформирование может привести к разрушению, заготовку нагревают до температуры, превышающей температуру отжига для снятия напряжений, и выдерживают для рекристаллизации. Благодаря быстрой диффузии при такой температуре за счет атомной перестройки возникает совершенно новая структура. Внутри зеренной структуры деформированного материала начинают расти новые зерна, которые с течением времени полностью ее заменяют. Сначала образуются мелкие новые зерна в местах наибольшего нарушения старой структуры, а именно на старых границах зерен. При дальнейшем отжиге атомы деформированной структуры перестраиваются так, что тоже становятся частью новых зерен, которые растут и в конце концов поглощают всю старую структуру. Заготовка сохраняет прежнюю форму, но она теперь   из мягкого, ненапряженного материала, который может быть подвергнут новому циклу деформирования. Такой процесс можно повторять несколько раз, если этого требует заданная степень деформирования.

Холодная обработка   это деформирование при температуре, слишком низкой для рекристаллизации. Для большинства металлов данному определению соответствует комнатная температура. Если деформирование производится при достаточно высокой температуре, так что рекристаллизация успевает следовать за деформированием материала, то такая обработка называется горячей. Пока температура остается достаточно высокой, его можно сколь угодно сильно деформировать. Горячее состояние металла определяется, в первую очередь, тем, насколько его температура близка к точке плавления. Высокая ковкость свинца означает, что он легко рекристаллизуется, т. е. его "горячую" обработку можно проводить при комнатной температуре.

Контроль текстуры. Физические свойства зерна, вообще говоря, неодинаковы в разных направлениях, так как каждое зерно   это монокристалл с собственной кристаллической структурой. Свойства металлического образца представляют собой результат усреднения по всем зернам. В случае беспорядочной ориентации зерен общие физические свойства одинаковы во всех направлениях. Если же некоторые кристаллические плоскости или атомные ряды большинства зерен параллельны, то свойства образца становятся "анизотропными", т. е. зависящими от направления. В этом случае у чашечки, полученной глубоким выдавливанием из круглой пластинки, будут "язычки", или "фестоны", на верхней кромке, объясняющиеся тем, что в одних направлениях материал деформируется легче, чем в других. При механическом формообразовании анизотропия физических свойств, как правило, нежелательна. Но в листах магнитных материалов для трансформаторов и других устройств очень желательно, чтобы направление легкого намагничения, которое в монокристаллах определяется кристаллической структурой, во всех зернах совпадало с заданным направлением магнитного потока. Таким образом, "предпочтительная ориентация" (текстура) может быть желательна или нежелательна в зависимости от назначения материала. Вообще говоря, при рекристаллизации материала его предпочтительная ориентация меняется. Характер этой ориентации зависит от состава и чистоты материала, от вида и степени холодной деформации, а также от длительности и температуры отжига.

Контроль размера зерен. Физические свойства металлического образца в значительной мере определяются средним размером зерен. Наилучшим механическим свойствам почти всегда соответствует мелкозернистая структура. Уменьшение размера зерна часто является одной из целей термической обработки (а также плавления и литья). При повышении температуры ускоряется диффузия, а потому средний размер зерна увеличивается. Границы зерен смещаются так, что более крупные зерна растут за счет мелких, которые, в конце концов, исчезают. Поэтому завершающие процессы горячей обработки обычно проводят при возможно более низкой температуре, чтобы были минимальны размеры зерен. Часто специально предусматривают низкотемпературную горячую обработку, в основном для уменьшения размеров зерен, хотя того же результата можно достичь холодной обработкой с последующей рекристаллизацией.

Гомогенизация. Процессы, о которых говорилось выше, протекают и в чистых металлах, и в сплавах. Но существует ряд других процессов, которые возможны лишь в металлических материалах, содержащих два или большее число компонентов. Так, например, в отливке сплава почти наверняка будут неоднородности химического состава, что определяется неравномерным процессом затвердевания. В затвердевающем сплаве состав твердой фазы, образующейся в каждый данный момент, не таков, как в жидкой, находящейся с ней в равновесии. Следовательно, состав твердого вещества, возникшего в начальный момент затвердевания, будет иным, нежели в конце затвердевания, а это и ведет к пространственной неоднородности состава в микроскопическом масштабе. Такая неоднородность устраняется простым нагреванием, особенно в сочетании с механическим деформированием.

Очистка. Хотя чистота металла определяется в первую очередь условиями плавления и литья, очистка металла часто достигается термической обработкой в твердом состоянии. Примеси, содержащиеся в металле, реагируют на его поверхности с атмосферой, в которой он нагревается; так, атмосфера водорода или другого восстановителя может превратить значительную часть оксидов в чистый металл. Глубина такой очистки зависит от способности примесей диффундировать из объема на поверхность, а поэтому определяется длительностью и температурой термической обработки.

Выделение вторичных фаз. В основе большинства режимов термической обработки сплавов лежит один важный эффект. Он связан с тем, что растворимость в твердом состоянии компонентов сплава зависит от температуры. В отличие от чистого металла, в котором все атомы одинаковы, в двухкомпонентном, например твердом, растворе имеются атомы двух разных сортов, случайно распределенные по узлам кристаллической решетки. Если увеличивать количество атомов второго сорта, то можно достичь состояния, когда они не смогут просто замещать атомы первого сорта. Если количество второго компонента превышает этот предел растворимости в твердом состоянии, в равновесной структуре сплава появляются включения второй фазы, отличающиеся по составу и структуре от исходных зерен и обычно разбросанные между ними в виде отдельных частиц. Такие частицы второй фазы могут оказывать сильное влияние на физические свойства материала, что зависит от их размера, формы и распределения. Эти факторы можно изменять термической обработкой.
 

Термическая обработка - процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и др.

Историческая справка.
 Человек использует Термическую обработку металлов с древнейших времён. Ещё в эпоху энеолита, применяя холодную ковку самородных золота и меди, первобытный человек столкнулся с явлением наклёпа, которое затрудняло изготовление изделий с тонкими лезвиями и острыми наконечниками, и для восстановления пластичности кузнец должен был нагревать холоднокованую медь в очаге. Наиболее ранние свидетельства о применении смягчающего отжига наклёпанного металла относятся к концу 5-го тысячелетия до н. э. Такой отжиг по времени появления был первой операцией Термической обработки металлов. При изготовлении оружия и орудий труда из железа, полученного с использованием сыродутного процесса, кузнец нагревал железную заготовку для горячей ковки в древесноугольном горне. При этом железо науглероживалось, то есть происходила цементация   одна из разновидностей химико-термической обработки. Охлаждая кованое изделие из науглероженного железа в воде, кузнец обнаружил резкое повышение его твёрдости и улучшение др. свойств. Закалка в воде науглероженного железа применялась с конца 2   начала 1-го тысячелетия до н. э. В "Одиссее" Гомера (8 7 вв. до н. э.) есть такие строки: "Как погружает кузнец раскалённый топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо   крепче железо бывает, в огне и воде закаляясь". В 5 в. до н. э. этруски закаливали в воде зеркала из высокооловянной бронзы (скорее всего для улучшения блеска при полировке). Цементацию железа в древесном угле или органическом веществе, закалку и отпуск стали широко применяли в средние века в производстве ножей, мечей, напильников и др. инструментов. Не зная сущности внутренних превращений в металле, средневековые мастера часто приписывали получение высоких свойств при Термической обработке металлов проявлению сверхъестественных сил. До середины 19 в. знания человека о Термической обработке металлов представляли собой совокупность рецептов, выработанных на основе многовекового опыта. Потребности развития техники, и в первую очередь развития сталепушечного производства, обусловили превращение Термической обработки металлов из искусства в науку. В середине 19 в., когда армия стремилась заменить бронзовые и чугунные пушки более мощными стальными, чрезвычайно острой была проблема изготовления орудийных стволов высокой и гарантированной прочности. Несмотря на то что металлурги знали рецепты выплавки и литья стали, орудийные стволы очень часто разрывались без видимых причин. Д. К. Чернов на Обуховском сталелитейном заводе в Петербурге, изучая под микроскопом протравленные шлифы, приготовленные из дул орудий, и наблюдая под лупой строение изломов в месте разрыва, сделал вывод, что сталь тем прочнее, чем мельче её структура. В 1868 Чернов открыл внутренние структурные превращения в охлаждающейся стали, происходящие при определённых температурах. которые он назвал критическими точками а и b. Если сталь нагревать до температур ниже точки а, то её невозможно закалить, а для получения мелкозернистой структуры сталь следует нагревать до температур выше точки b. Открытие Черновым критических точек структурных превращений в стали позволило научно обоснованно выбирать режим Термической обработки для получения необходимых свойств стальных изделий.

В 1906 А. Вильм (Германия) на изобретённом им дуралюмине открыл старение после закалки (см. Старение металлов)   важнейший способ упрочения сплавов на разной основе (алюминиевых, медных, никелевых, железных и др.). В 30-е гг. 20 в. появилась термомеханическая обработка стареющих медных сплавов, а в 50-е   термомеханическая обработка сталей, позволившая значительно повысить прочность изделий. К комбинированным видам Термической обработки относится термомагнитная обработка, позволяющая в результате охлаждения изделий в магнитном поле улучшать их некоторые магнитные свойства.

Итогом многочисленных исследований изменений структуры и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии явилась стройная теория Термической обработки металлов.

Классификация видов Термической обработки основывается на том, какого типа структурные изменения в металле происходят при тепловом воздействии. Термическая обработка металлов подразделяется на собственно термическую, заключающуюся только в тепловом воздействии на металл, химико-термическую, сочетающую тепловое и химическое воздействия, и термомеханическую, сочетающую тепловое воздействие и пластическую деформацию. Собственно термическая обработка включает следующие виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку без полиморфного превращения и с полиморфным превращением, старение и отпуск.

Азотирование - насыщение поверхности металлических деталей азотом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости. Азотированию подвергают сталь, титан, некоторые сплавы, наиболее часто   легированные стали, особенно хромоалюминиевые, а также сталь, содержащую ванадий и молибден.
         Азотирование стали происходит при t 500 650  С в среде аммиака. Выше 400  С начинается диссоциация аммиака по реакции NH3 → 3H + N. Образовавшийся атомарный азот диффундирует в металл, образуя азотистые фазы. При температуре азотирования ниже 591  С азотированный слой состоит из трёх фаз (рис.): ε   нитрида Fe2N, γ'   нитрида Fe4N, α   азотистого феррита, содержащего около 0,01% азота при комнатной температуре. При температуре азотирования 600 650  С возможно образование ещё и γ-фазы, которая в результате медленного охлаждения распадается при 591 C на эвтектоид α + γ1. Твёрдость азотированного слоя увеличивается до HV = 1200 (соответствует 12 Гн/м2) и сохраняется при повторных нагревах до 500 600 C, что обеспечивает высокую износоустойчивость деталей при повышенных температурах. Азотированные стали значительно превосходят по износоустойчивости цементированные и закалённые стали. Азотирование   длительный процесс, для получения слоя толщиной 0,2 0,4 мм требуется 20 50 ч. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твёрдость слоя. Для защиты мест, не подлежащих азотированию, применяются лужение (для конструкционных сталей) и никелирование (для нержавеющих и жаропрочных сталей). Для уменьшения хрупкости слоя азотирования жаропрочных сталей иногда ведут в смеси аммиака и азота.
         Азотирование титановых сплавов проводится при 850 950  С в азоте высокой чистоты (азотирование в аммиаке не применяется из-за увеличения хрупкости металла).

         При азотировании образуется верхний тонкий нитридный слой и твёрдый раствор азота в α-титане. Глубина слоя за 30 ч   0,08 мм с поверхностной твёрдостью HV = 800 850 (соответствует 8 8,5 Гн/м2). Введение в сплав некоторых легирующих элементов (Al до 3%, Zr 3 5% и др.) повышает скорость диффузии азота, увеличивая глубину азотированного слоя, а хром уменьшает скорость диффузии. Азотирование титановых сплавов в разреженном азоте [100 10 н/м2 (1 0,1 мм рт ст.)] позволяет получать более глубокий слой без хрупкой нитридной зоны.
         Азотирование широко применяют в промышленности, в том числе для деталей, работающих при t до 500 600  С (гильз цилиндров, коленчатых валов, шестерён, золотниковых пар, деталей топливной аппаратуры и др.).
         Лит.: Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965: Гуляев А. П..Металловедение, 4 изд., М., 1966.