Термічна обробка металів, процес обробки виробів з металів і сплавів шляхом теплової дії з метою зміни їх структури і властивостей в заданому напрямі. Ця дія може поєднуватися також з хімічним, деформаційним, магнітним і ін.
Історична довідка. Чоловік використовує Т. о. металів з прадавніх часів. Ще в епоху енеоліта, застосовуючи холодне кування самородних золота і міді, первісна людина зіткнулася з явищем наклепання, яке утрудняло виготовлення виробів з тонкими лезами і гострими наконечниками, і для відновлення пластичності коваль повинен був нагрівати холоднокованую мідь у вогнищі. Найбільш ранні свідоцтва про вживання пом'якшувального відпалу наклепаного металу відносяться до кінця 5-го тисячоліття до н.е.(наша ера) Такий відпал за часом появи був першою операцією Т. о. металів. При виготовленні зброї і знарядь праці із заліза, отриманого з використанням сиродутного процесу, коваль нагрівав залізну заготівку для гарячого кування в древесноугольном горні. При цьому залізо науглерожівалось, тобто відбувалася цементація — один з різновидів химіко-термічної обробки . Охолоджуючи кований виріб з науглероженного заліза у воді, коваль виявив різке підвищення його твердості і поліпшення ін. властивостей. Гарт у воді науглероженного заліза застосовувався з кінця 2 — початки 1-го тисячоліття до н.е.(наша ера) В «Одіссеї» Гомера (8—7 вв.(століття) до н.е.(наша ера)) є такі рядки: «Як занурює коваль розжарену сокиру або сокиру у воду холодну, і зашипе з клокотаньем залізо — міцніше залізо буває, у вогні і воді закаляясь». У 5 ст до н.е.(наша ера) етруски гартували у воді дзеркала з високоолов'яної бронзи (швидше за все для поліпшення блиску при поліровці). Цементацію заліза в деревному вугіллі або органічній речовині, гарт і відпустку сталі широко застосовували в середні віки у виробництві ножів, мечів, напилків і ін. інструментів. Не знаючи суті внутрішніх перетворень в металі, середньовічні майстри часто приписували набуття високих властивостей при Т. о. металів прояву надприродних сил. До середини 19 ст знання людини о Т. о. металів були сукупність рецептів, вироблених на основі багатовікового досвіду. Потреби розвитку техніки, і в першу чергу розвитку сталепушечного виробництва. зумовили перетворення Т. о. металів з мистецтва в науку. В середині 19 ст, коли армія прагнула замінити бронзові і чавунні гармати потужнішими сталевими, надзвичайно гострою була проблема виготовлення гарматних стволів високої і гарантованої міцності. Не дивлячись на те що металурги знали рецепти виплавки і литва стали, гарматні стволи дуже часто розривалися без видимих причин. Д. До. Чернов на Обухівському сталеливарному заводі в Петербурзі, вивчаючи під мікроскопом протравлені шліфи, приготовані з дув знарядь, і спостерігаючи під лупою будову зламів в місці розриву, зробив вивід, що сталь тим міцніше, чим дрібніше її структура. У 1868 Чернов відкрив внутрішні структурні перетворення в сталі, що охолоджується, що відбуваються при певних температурах. які він назвав критичними точками а і b. Якщо сталь нагрівати до температур нижче за точку а, те її неможливо загартувати, а для здобуття дрібнозернистої структури сталь слід нагрівати до температур вище за точку b. Відкриття Чорновим критичних точок структурних перетворень в сталі дозволило науково обгрунтовано вибирати режим Т. о. для набуття необхідних властивостей сталевих виробів.
В 1906 А. Вільм (Німеччина) на винайденому ним дуралюміне відкрив старіння після гарту (див. Старіння металів ) — найважливіший спосіб зміцнення сплавів на різній основі (алюмінієвих, мідних, нікелевих, залізних і ін.). У 30-і рр. 20 ст з'явилася термомеханічна обробка старіючих мідних сплавів, а в 50-і — термомеханічна обробка сталей, що дозволила значно підвищити міцність виробів. До комбінованих видів Т. о. відноситься термомагнітна обробка, що дозволяє в результаті охолоджування виробів в магнітному полі покращувати їх деякі магнітні властивості (див. Магнітно-м'які матеріали, Магнітно-тверді матеріали ) .
Підсумком багаточисельних досліджень змін структури і властивостей металів і сплавів при тепловій дії з'явилася струнка теорія Т. о. металів.
Класифікація видів Т. о. грунтується на тому, якого типа структурні зміни в металі відбуваються при тепловій дії. Т. о. металів підрозділяється на власне термічну, полягаючу лише в тепловій дії на метал, химіко-термічну що поєднує теплову і хімічну дії, і термомеханічну, поєднуючу теплову дію і пластичну деформацію. Власне термічна обробка включає наступні види: відпал 1-го роду, відпал 2-го роду, гарт без поліморфного перетворення і з поліморфним перетворенням, старіння і відпустка.
Відпал 1-го роду (гомогенізація, рекристалізація і для зменшення залишкової напруги) частково або повністю усуває відхилення від рівноважного стану структури, що виникли при литві, обробці тиском, зварці і ін. технологічних процесах. Процеси, що усувають відхилення від рівноважного стану, йдуть мимоволі, і нагріваючи при відпалі 1-го роду проводять лише для їх прискорення. Основні параметри такого відпалу — температура нагріву і час витримки. Залежно від того, які відхилення від рівноважного стану усуваються, розрізняють різновиди відпалу 1-го роду. Відпал (див. Гомогенізація ) гомогенізації призначений для усунення наслідків дендритною ліквації, в результаті якої після кристалізації усередині кристалітів твердого розчину хімічний склад виявляється неоднорідним і, крім того, може з'являтися нерівноважна фаза, наприклад хімічна сполука, що окрихчує сплав. При відпалі гомогенізації дифузія приводить до розчинення нерівноважних надлишкових фаз, внаслідок чого сплав стає більш гомогенним (однорідним). Після такого відпалу підвищуються пластичність і стійкість проти корозії. Відпал рекристалізації усуває відхилення в структурі від рівноважного стану, що виникають при пластичній деформації. При обробці тиском, особливо холодною, метал наклепує — його міцність зростає, а пластичність знижується із-за підвищення щільності дислокацій в кристалітах. При нагріві наклепаного металу вище за деяку температуру розвивається первинна і потім збірна рекристалізація, при якій щільність дислокацій різко знижується. В результаті метал разупрочняєтся і стає пластічнєє. Такий відпал використовують для поліпшення оброблюваності тиском і додання металу необхідного поєднання твердості, міцності і пластичності. Як правило, при відпалі рекристалізації прагнуть отримати бестекстурний матеріал, в якому відсутній анізотропія властивостей. У виробництві листів з трансформаторної сталі відпал рекристалізації застосовують для здобуття бажаної текстури металу, що виникає при рекристалізації. Відпал, що зменшує напругу, застосовують до виробів, в яких при обробці тиском, литві, зварці, термообробці і ін. технологічних процесах виникли недопустимо велика залишкова напруга, тіла, що взаємно врівноважуються усередині, без участі зовнішніх навантажень. Залишкова напруга може викликати спотворення форми і розмірів виробу під час його обробки експлуатації або зберігання на складі. При нагріванні виробу межа текучості знижується і, коли він стає менше залишкової напруги, відбувається швидка їх розрядка шляхом пластичної течії в різних шарах металу.
Відпал 2-го роду застосовний лише до тих металів і сплавів, в яких при зміні температури протікають фазові перетворення. При відпалі 2-го роду відбуваються якісні або лише кількісні зміни фазового складу (типа і об'ємного вмісту фаз) при нагріві і зворотні зміни при охолоджуванні. Основні параметри такого відпалу — температура нагріву, час витримки при цій температурі і швидкість охолоджування. температуру і час відпалу вибирають так, щоб забезпечити необхідні фазові зміни, наприклад поліморфне перетворення (див. Поліморфізм ) або розчинення надлишкової фази. При цьому зазвичай стежать за тим, щоб не виросло крупне зерно фази, стабільної при температурі відпалу. Швидкість охолоджування має бути досить мала, щоб при пониженні температури встигли пройті зворотні фазові перетворення, в основі яких лежить дифузія. При відпалі 2-го роду виробу охолоджують разом з піччю або на повітрі. У останньому випадку процес називається нормалізацією . Відпал 2-го роду застосовують найчастіше до сталі для загального подрібнення структури, пом'якшення і поліпшення оброблюваності різанням.
Гарт без поліморфного перетворення застосовний до будь-яких сплавів, в яких при нагріванні надлишкова фаза повністю або частково розчиняється в основній фазі. Найважливіші параметри процесу — температура нагріву, час витримки і швидкість охолоджування. Швидкість охолоджування має бути настільки великий, щоб надлишкова фаза не встигла виділитися (процес виділення фази забезпечується дифузійним перерозподілом компонентів в твердому розчині). Ця умова виконується, якщо дуралюмін і мідні сплави гартують у воді; магнієві ж сплави і деякі аустенітні сталі можна гартувати з охолоджуванням на повітрі. В результаті гарту утворюється пересичений твердий розчин. Гарт без поліморфного перетворення може як зміцнювати, так і разупрочнять сплав (у залежності від фазового складу і особливостей структури у вихідному і загартованому станах). Алюмінієві сплави з магнієм (див. Магналії ) гартують для підвищення міцності; в берилієвої бронзи ж після гарту міцність виявляється нижчою, а пластичність вища, ніж після відпалу, і гарт цієї бронзи можна використовувати для підвищення пластичності перед холодною деформацією. Основне призначення гарту без поліморфного перетворення — підготовка сплаву до старіння (див. нижчий).
Гарт з поліморфним перетворенням застосовний до будь-яких металів і сплавів, в яких при охолоджуванні перебудовується кристалічна решітка . Основні параметри процесу — температура нагріву, час витримки і швидкість охолоджування. Нагрів виробляють до температури вище за критичну крапку, щоб утворилася високотемпературна фаза. Охолоджування повинне йти з такою швидкістю, щоб не відбувалося «нормального» дифузійного перетворення і перебудова грат протікала по механізму бездіффузіонного мартенситного перетворення . При гарті з поліморфним перетворенням утворюється мартенсіт, і тому таку термообробку називають гартом на мартенсіт. Вуглецеві сталі гартують на мартенсіт у воді, а багато легованих, в яких дифузійні процеси протікають сповільнено, можна гартувати на мартенсіт з охолоджуванням в маслі і навіть на повітрі. Основна мета гарту на мартенсіт — підвищення твердості і міцності, а також підготовка до відпустки. Сильне зміцнення сталей при гарті на мартенсіт обумовлене утворенням пересиченого вуглецем розчину впровадження на базі а -железа, появою більшого числа двійникових прошарків і підвищенням щільності дислокацій при мартенситному перетворенні, закріпленням дислокацій атомами вуглецю і дисперсними частками карбіду, які можуть виділятися на дислокаціях в місцях сегрегації вуглецю. Вуглецеві стали при гарті на мартенсіт різко охрупчиваются. Основна причина цього — мала рухливість дислокацій в мартенсіті. Безуглеродістиє залізні сплави після гарту на мартенсіт залишаються пластичними.
Старіння застосовно до сплавів, які були піддані гарту без поліморфного перетворення. Пересичений твердий розчин в таких сплавах термодинамічно нестійкий і схильний до мимовільного розпаду. Старіння полягає в освіті шляхом дифузії усередині зерен твердого розчину ділянок, збагачених розчиненим елементом (зон Гинье — Престона) і (або) дисперсних часток надлишкових фаз, частіше всього хімічних сполук. Ці зони і дисперсні частки фаз, що виділилися, гальмують ковзання дислокацій, чим і обумовлено зміцнення при старінні. Старіючі сплави називають тому дисперсійно-твердіючими. Основні параметри старіння — температура і час витримки. З підвищенням температури прискорюються дифузійні процеси розпаду пересиченого твердого розчину, і сплав швидше зміцнюється. Починаючи з певної витримки, при досить високій температурі відбувається перестаріваніє — зниження міцності сплаву. Причиною перестаріванія є коагуляція дисперсних виділень з розчину, яка полягає в розчиненні дрібніших і зростанні крупніших часток фази, що виділилася. В результаті коагуляції відстань між цими частками зростає і гальмування дислокацій в зернах твердого розчину зменшується. Одні сплави, наприклад дуралюміни, після гарту сильно зміцнюються вже під час витримки при кімнатній температурі (природне старіння). Більшість сплавів після гарту нагрівають, щоб прискорити процеси розпаду пересиченого твердого розчину (мистецтв. старіння). Інколи проводять ступінчасте старіння з витримкою спочатку при одній, а потім при іншій температурі. Старіння застосовують головним чином для підвищення міцності і твердості конструкційних матеріалів (алюмінієвих, магнієвих, мідних, нікелевих сплавів і деяких легованих сталей), а також для підвищення коерцитівной сили магнітно-твердих матеріалів. Час витримки для досягнення заданих властивостей залежно від складу сплаву і температури старіння вагається від десятків мін до декількох сут.
Відпустці піддають сплави, головним чином стали, загартовані на мартенсіт. Основні параметри процесу — температура нагріву і час витримки, а в деяких випадках і швидкість охолоджування (для запобігання відпустковій крихкості). У сталях мартенсіт є пересиченим розчином, і суть структурних змін при відпустці та ж, що і при старінні, — розпад термодинамічно нестійкого пересиченого розчину. Відмінність відпустки від старіння пов'язана перш за все з особливостями субструктури мартенсіту, а також з поведінкою вуглецю в мартенсіті загартованої сталі. Для мартенсіту характерне велике число дефектів кристалічної будови (дислокацій і ін.). Атоми вуглецю швидко дифундують в гратах мартенсіту і утворюють на дислокаціях сегрегації, а можливо і дисперсні частки карбіду відразу після гарту або навіть в період гартівного охолоджування. В результаті загартована сталь виявляється в стані максимального дисперсного тверднення або в близькому до нього стані. Тому при виділенні з мартенсіту дисперсних часток карбіду під час відпустки міцність і твердість стали або взагалі не підвищуються, або досягається лише незначне зміцнення. Зменшення ж концентрації вуглецю в мартенсіті при виділенні з нього карбіду є причиною разупрочненія мартенсіту. У результаті відпустка сталей, як правило, призводить до зниження твердості і міцності з одночасним зростанням пластичності і ударної в'язкості. Відпустка безуглеродістих залізних сплавів, загартованих на мартенсіт, може приводити до сильного дисперсійного тверднення із-за виділення з пересиченого розчину дисперсних часток інтерметалевих з'єднань. Причина зміцнення при цьому та ж, що і при старінні. Терміни «відпустка» і «старіння» часто використовують як синоніми.
Т. о., викликаючи всілякі за природою структурні зміни, дозволяє управляти будовою металів і сплавів і отримувати вироби з необхідним комплексом механічних, фізичних і хімічних властивостей. Завдяки цьому, а також простоті і дешевизні устаткування Т. о. є найпоширенішим в промисловості способом зміни властивостей металевих матеріалів.
На металургійних заводах застосовують відпал гомогенізації злитків для підвищення їх пластичності перед обробкою тиском, відпал рекристалізації листів, стрічок, труб і дроту для зняття наклепання між операціями холодної обробки тиском і після неї, гарт, відпустку, старіння і термомеханічну обробку для зміцнення прокату і пресованих виробів. На машинобудівних заводах відпалюють поковки і ін. заготівки для зменшення твердості і поліпшення оброблюваності різанням, застосовують гарт, відпустку, старіння і химіко-термічну обробку всіляких деталей машин, а також інструменту для підвищення їх міцності, твердості, ударної в'язкості, опори втомі і зносу і відпалюють вироби для зменшення залишкової напруги. У приладобудуванні, електротехнічної і радіотехнічної промисловості за допомогою відпалу, гарту, відпустки і старіння змінюють механічні електричні, магнітні і ін. фізичні властивості металів і сплавів.
Про величину зміни механічних властивостей при Т. о. металів дають виставу наступні приклади. Відпал рекристалізації холоднокатаної міді знижує межа міцності з 400 до 220 Мн/м-код 2 (з 40 до 22 кгс/мм 2 ) . одночасно підвищуючи відносне подовження з 3 до 50%. Сталь У8, що відпалює, має твердість 180 НВ; гарт підвищує твердість цієї сталі до 650 НВ. Сталь 38 ХМЮА після гарту має твердість 470 HV, а після азотування твердість поверхневого шару досягає 1200 HV. Межа міцності дуралюміна Д16 після відпалу, гарту і природного старіння рівна відповідно 200, 300 і 450 Мн/м-код 2 (20, 30 і 45 кгс/мм 2 ) . В берилієвої бронзи Бр. Б2 межа пружності s 0,002 після гарту рівний 120 Мн/м-код 2 (12 кгс/мм 2 ), а після старіння 680 Мн/м-коду 2 (68 кгс/мм 2 ) .
Літ.: Бочвар А. А., Основи термічної обробки сплавів, 5 видавництво, М.— Л., 1940; Гуляєв А. П., Термічна обробка стали, 2 видавництва, М., 1960; Металознавство і термічна обоаботка стали. Довідник, під ред. М. Л. Бернштейна і А. Р. Рахштадта. 2 видавництва, т. 1—2, М., 1961—62; Новіков І. І., Теорія термічної обробки металів, М., 1974.
