Термомеханічна обробка металів (ТМО), сукупність операцій деформації, нагріву і охолоджування (у різній послідовності), в результаті якої формування остаточної структури металу, а отже, і його властивостей відбувається в умовах підвищеної щільності і оптимального розподілу недосконалості будови, створеної пластичною деформацією. Т. о., особливістю цього способу зміни властивостей металевих сплавів є поєднання операцій обробки металів тиском і термічної обробки .

  Можливість вживання ТМО визначається тим, що на процеси структурних перетворень істот вплив роблять присутні в реальних сплавах недосконалості будови ( дислокації, дефекти упаковки, вакансії ) . З іншого боку, в результаті деяких структурних змін утворюється нова недосконалість, а також відбувається перерозподіл наявної недосконалості. Звідси механізм і кінетика структурних змін при ТМО залежать від характеру і щільності недосконалості будови і, у свою чергу, впливають на їх кількість і розподіл.

  Для класифікації технологічних схем ТМО доцільно вибрати як класифікаційну ознаку послідовність проведення пластичної деформації і термічної обробки ( мал. ).

  Поєднання пластичної деформації з фазовими перетвореннями отримало вперше практичну реалізацію на початку 20 ст при здійсненні патентування в процесі виробництва сталевого дроту. Використання за своєрідною технологічною схемою комбінованої дії пластичної деформації і термічної обробки привело до набуття таких високих механічних властивостей, які були недосяжні при всіх ін. способах зміцнюючої обробки. У 30-і рр. 20 ст застосовувалася інша схема ТМО при зміцненні берилієвої бронзи: гарт, холодна деформація, старіння; така обробка також забезпечила істотне підвищення механічних властивостей сплаву.

  Розвиток ТМО і створення її основних положень виявилися можливими лише на базі теорії дислокацій, зокрема тих її розділів, в яких встановлюється зв'язок між недосконалістю будови і процесами структуроутворення при перетвореннях. Історично першою випробуваною схемою термомеханічного зміцнення машинобудівної сталі (1954, США) була низькотемпературна термомеханічна обробка (НТМО). Сенс переохолодження аустеніту в схемі НТМО полягає в тому, щоб вести деформацію нижче температури його рекристалізації . Цим НТМО відрізняється від розробленої декілька пізніше в СРСР високотемпературної термомеханічної обробки (ВТМО), яка надалі набула більшого поширення у зв'язку з необхідністю підвищення механічних властивостей масових сортів стали, вживаних в сучасному машинобудуванні.

  Температура проведення деформації при ВТМО лежить зазвичай вище за верхню критичну точку поліморфного перетворення, тому неминучі спроби проведення аналогії між ВТМО і термічною обробкою з прокатного (або кування) нагріву. Принципова відмінність між цими видами обробки полягає в тому, що при ВТМО створюються такі умови високотемпературної пластичної деформації і подальшого гарту, при яких пригнічується розвиток процесів рекристалізацій і створюється особливий структурний стан, що характеризується підвищеною щільністю недосконалості і особливим їх розподілом з утворенням субструктури полігонізациі (див. Повернення металів). Звідси і експериментально спостережувана розвинена мозаїчність будови стали після ВТМО, підвищена тонка субмікроскопічна неоднорідність будови і складу мартенсіту, яка забезпечує після ВТМО унікальне поєднання властивостей, коли поряд з підвищенням міцності одночасно збільшуються пластичність, в'язкість і опір крихкому руйнуванню.

  В таблиці зіставлені властивості типової середньовуглецевої машинобудівної легованої сталі після ВТМО і НТМО. ТМО приводить до підвищенню втомних характеристик; особливо великий приріст часу до руйнування в зоні обмеженої витривалості після ВТМО. В результаті цієї обробки підвищується ударна витривалість стали, знижується поріг холодноламкості і практично ліквідовується небезпечна схильність до крихкості при відпустці (чого не спостерігається після НТМО). Розвиток технології ВТМО привів до створення нової схеми — ВТМізО, в якій високотемпературна деформація поєднується з ізотермічним перетворенням. Вироби (зокрема, ресори), оброблені за цією схемою, характеризуються підвищеними службовими характеристиками. У більшому або меншому об'ємі застосовуються всі схеми термомеханічного зміцнення, приведені на малюнку. Вибір схеми проводиться з врахуванням природи і призначення металевого сплаву і конкретного виробу.

Механічні властивості стали після ВТМО і НТМО

  Примітка: 1 кгс/мм ² = 10 Мн/м-код ² .

  Ефективність конкретного чину термомеханічного зміцнення оцінюється по комплексу механічних властивостей. У інженерному сенсі під підвищенням міцності розуміють підвищення опору деформації і опору руйнуванню в різних напружених станах, у тому числі і такому, яке може викликати утворення крихкої тріщини і передчасне руйнування. Тому поряд з традиційними випробуваннями на розтягування, удар, втома сучасні високоміцні, у тому числі термомеханічеськи зміцнені, сталі повинні оцінюватися по критеріях механіки руйнування, з визначенням енергоємності процесу розвитку тріщини і інших аналогічних параметрів.

  Розуміння фізичної суті зміцнення в результаті ТМО виявилося можливим лише після того, як стали вияснюватися основні закономірності структурних змін при гарячій деформації. Старе уявлення про те, що гаряча деформація завжди супроводиться рекристалізацією, виявилося невірним.

  Прі ТМО проводиться негайне і різке охолоджування після завершення гарячої деформації, і кінцева структура зміцненої сталі успадковує тонку будову горячедеформірованного аустеніту. Залежно від умов деформації, визначуваних велічиной напругу, температурою і швидкістю деформації, структура аустеніту після закінчення гарячої деформації сильно розрізняється. Вона може відповідати: а) стану гарячого наклепання з неврегульованим розподілом дислокацій, коли при подальшому гарті міцність підвищується і одночасно знижується опір крихкому руйнуванню; б) формуванню субструктури в результаті динамічного повернення і особливо чіткої і стійкої субзеренного будови в результаті динамічної полігонізациі — гарт в цьому випадку приведе до оптимального поєднання високих значень міцності і опору крихкому руйнуванню; у) стану динамічної рекристалізації, коли в одних об'ємах ще збережена підвищена щільність дислокацій, а в інших вона різко знижена — гарт в цьому випадку може привести до здобуття комплексу підвищених механічних властивостей, проте значення їх у зв'язку з неоднорідністю і нестабільністю тонкої будови будуть нестійкі. Отже, режими гарячої деформації металевих сплавів при здійсненні ТМО необхідно вибирати з таким розрахунком, щоб отримати розвинену і стійку субструктуру в результаті динамічної полігонізациі. При подальшому гарті завдяки сдвіговому характеру мартенситного перетворення субструктура деформованого аустеніту, сформована на стадії динамічної полігонізациі, успадковується мартенсітом, що утворюється. Якщо, наприклад, здійснюється ін. схема ТМО, а саме ВТМізО ( мал. ), то завдяки сдвіговому характеру перетворення при утворенні бейніту останній також успадковує субструктуру горячедеформірованного аустеніту. У всіх випадках присутність в кінцевих фазах (мартенсіті і ін.) цієї стійкої субструктури визначає високу дисперсність і мозаїчність цих фаз, а також тонкий розподіл домішок в них — це і приводить до підвищення всіх механічних властивостей, що характеризується одночасним зростанням опору пластичній деформації і опору руйнуванню. Це спостерігається не лише при «прямій» ТМО, але і при подальшій після ТМО термічній обробці. Відкрите до СРСР і широко використовуваного у вітчизняній і зарубіжній практиці явища «спадкоємства» термомеханічне зміцнення базується на тому, що створена при гарячій деформації досконала і стійка субструктура виявляється стійкою при подальшій перекристалізації. В умовах повторної термічної обробки після ТМО перекристалізація протікає по сдвіговому механізму, що визначає збереження субструктури і отже, комплексу високих механічних властивостей, створеного при «прямій» ТМО. Розвиток ідей «спадкоємства» термомеханічного зміцнення дозволив створити нову схему — попередню термомеханічну обробку (ПТМО), що знайшла вживання в СРСР і США, а також пояснити високий рівень властивостей в результаті патентування, що є, по суті, різновидом ТМО.

  Стосовно дисперсійно-твердіючих сплавів ТМО в промисловості здійснюють за наступними технологічними схемами: а) нагріваючи до температури гарт, деформація, негайний гарт, старіння (ВТМО); б) гарт, деформація, старіння (НТМО). Перша схема порівняно легко осуществіма, але має недолік — небезпека сильного розвитку рекристалізації у зв'язку з високою температурою деформації, що проводиться при температурі гарту. Вона широко використовується у виробництві пресованих виробів з багатьох алюмінієвих сплавів, в яких невеликі добавки Mn, Сr і ін. утрудняють рекристалізацію. При здійсненні другої схеми можуть виникати труднощі, пов'язані з високим опором деформації твердого розчину при кімнатній температурі. Ця схема має ряд переваг: відбувається старіння з освітою вельми дисперсних фаз вже при холодній (або теплою) деформації, створюється більш рівномірний розподіл виділень зміцнюючих фаз, що утворюються на дислокаціях за всім обсягом зерен. Друга схема ТМО успішно використовується для підвищення міцності старіючих мідних і алюмінієвих сплавів.

  Літ.: Бернштейн М. Л., Термомеханічна обробка металів і сплавів, т. 1—2, М., 1968.

  М. Л. Бернштейн.

Класифікація видів термомеханічної обробки: ПТМО — попередня термомеханічна обробка; ВТМО — високотемпературна термомеханічна обробка; ВТМПО — високотемпературна термомеханічна поверхнева обробка; ВТМізО — високотемпературна термомеханічна ізотермічна обробка; НТМО — низькотемпературна термомеханічна обробка; НТМізО — низькотемпературна термомеханічна ізотермічна обробка; ВНТМО — високо-низькотемпературна термомеханічна обробка; НВТМО — низько-високотемпературна термомеханічна обробка; ДМО-1 — деформація мартенсіту з подальшою відпусткою; ДМО-2 — деформація мартенсіту після ВТМО з подальшою відпусткою; МТО — деформація немартенситних структур на майданчику текучості, у тому числі багатократна ММТО; МТО-1 — механико-термічна обробка деформацією при кімнатній температурі із старінням; МТО-2 — механико-термічна обробка деформацією при підвищених температурах із старінням; НВТМУ — спадкове високотемпературне термомеханічне зміцнення; A ₁ і А ₃ — ніжняя і верхня критичні крапки; М _н — температура початку мартенситного перетворення. Термомеханічна обробка I і IV класів заснована на явищі спадкоємства зміцнення, що зберігається після відповідної термічної обробки.