Термомеханическая обработка металлов (ТМО) – это сочетание операций пластической деформации металла и термической обработки. Такое воздействие на металл позволяет повысить его прочность как в результате наклепа, который получается при пластической деформации, так и вследствие термообработки. Благодаря этому удается достичь высокого комплекса механических свойств сталей и сплавов.
Термомеханическая обработка металла существует с древних времен. Такому способу обработки подвергали клинки и мечи из стали. В фильмах о древних рыцарях можно увидеть кадры, когда кузнец бьет кувалдой по раскаленному мечу, после чего охлаждает оружие в воде, потом снова нагревает в домне и весь процесс повторяется заново. Это и есть термомеханическая обработка. Более широкое применение ТМО получила, когда появилась возможность объяснить физику процессов высокого упрочнения металла.
В настоящее время существует два основных способа термомеханической обработки стали:
1. ВТМО — высокотемпературная термомеханическая обработка
2. НТМО — низкотемпературная термомеханическая обработка
Высокотемпературная термомеханическая обработка стали заключается в том, что непосредственно после горячего воздействия давлением, когда металл имеет аустенитную структуру, проводится закалка стали. За короткое время между окончанием процесса деформации и закалкой не успевает произойти рекристаллизация. В связи с этим наклеп и упрочнение, которые возникли при пластической деформации во время прокатки или штамповки, не устраняются и остаются в материале после его остывания. После закалки, к этому добавляется еще упрочнение вследствие фазового наклепа твердой мартенситной структурой. Мартенсит, образующийся в этих условиях, кроме своих дислокаций, как бы наследует и те, которые возникли при наклепе. Ясно, что чем короче промежуток времени между окончанием всех процессов, когда сталь имеет высокую температуру, тем больше сохранится дислокаций и тем больше будет эффект упрочнения. Практически, этот отрезок времени составляет несколько секунд, в течение которых частично происходит рекристаллизация, что снижает эффект упрочнения. Рекристаллизация - один из главных недостатков способа высокотемпературной термомеханической обработки стали. Из-за этого явления степень деформации при ВТМО не превышает 20-30%.
При низкотемпературной термомеханической обработке металл нагревают до аустенитного состояния, затем охлаждают ниже температуры рекристаллизации, но выше температуры начала мартенситного превращения, т. е. температурный интервал пластической деформации составляет примерно 400 - 600°С. Деформация, как и при ВТМО, вызывает наклеп аустенита, рекристаллизации же в этих условиях не происходит. Затем проводится закалка: образуется мартенсит, который, как и в предыдущем способе, наследует дислокации, а значит и упрочнение, полученное при низкотемпературной термомеханической обработке стали. Здесь устранен недостаток первого способа, так как рекристаллизация практически отсутствует и потому наиболее полно используется эффект упрочнения от наклепа.
После закалки в обоих случаях следует низкотемпературный отпуск (100 — 300°С.). ТМО позволяет получить достаточно высокую прочность (σв = 2200-3000МПа) при хорошей пластичности и вязкости (δ = 6 - 8%, ψ = 50 — 60%). Для сравнения: после обычной закалки и низкого отпуска σв = 2000 — 2200МПа, δ = 3 — 4%.
Существует также высокотемпературная поверхностная термомеханическая обработка - ВТМПО. Сущность ее заключается в том, что деталь подвергается поверхностному нагреву ТВЧ и одновременно обкатывается роликами. В результате в поверхностном слое изделия, разогретом до аустенитного состояния, происходит наклеп и после закалки образуется мартенситная структура, в которой наследуется дополнительное упрочнение, полученное при обкатке. Метод ВТМПО очень эффективен при упрочнении шеек и галтелей коленчатых валов, пальцев шаровых опор подвески автомобиля и других ответственных деталей.
Возможность применения ТМО определяется тем, что на процессы структурных превращений существенное влияние оказывают присутствующие в реальных сплавах несовершенства строения (дислокации, дефекты упаковки, вакансии). С другой стороны, в результате некоторых структурных изменений образуются новые несовершенства, а также происходит перераспределение имеющихся несовершенств.
Температура проведения деформации при ВТМО лежит обычно выше верхней критической точки полиморфного превращения, поэтому неизбежны попытки проведения аналогии между ВТМО и термической обработкой с прокатного (или ковочного) нагрева. Принципиальное различие между этими видами обработки состоит в том, что при ВТМО создаются такие условия высокотемпературной пластической деформации и последующей закалки, при которых подавляется развитие рекристаллизационных процессов и создаётся особое структурное состояние, характеризующееся повышенной плотностью несовершенств и особым их распределением с образованием субструктуры полигонизации.
Развитие технологии ВТМО привело к созданию новой схемы — ВТМизО, в которой высокотемпературная деформация сочетается с изотермическим превращением. Изделия, обработанные по этой схеме, характеризуются повышенными служебными характеристиками.
ТМО широко применяется как для сталей, так и для цветных сплавов. ТМО имеет следующие разновидности:
ПТМО — предварительная термомеханическая обработка;
ВТМО — высокотемпературная термомеханическая обработка;
ВТМПО — высокотемпературная термомеханическая поверхностная обработка;
ВТМизО — высокотемпературная термомеханическая изотермическая обработка;
НТМО — низкотемпературная термомеханическая обработка;
НТМизО — низкотемпературная термомеханическая изотермическая обработка;
ВНТМО — высоко-низкотемпературная термомеханическая обработка;
НВТМО — низко-высокотемпературная термомеханическая обработка;
ДМО-1 — деформация мартенсита с последующим отпуском;
ДМО-2 — деформация мартенсита после ВТМО с последующим отпуском;
МТО — деформация немартенситных структур на площадке текучести;
МТО-1 — механико-термическая обработка деформацией при комнатной температуре со старением;
МТО-2 — механико-термическая обработка деформацией при повышенных температурах со старением;
Более наглядно эти схемы показаны в таблице:
Эффективность конкретного способа термомеханического упрочнения оценивается по комплексу механических свойств.
Применительно к дисперсионно-твердеющим сплавам, ТМО в промышленности осуществляют по следующим технологическим схемам:
а) нагрев до температуры закалки, деформация, немедленная закалка, старение (ВТМО);
б) закалка, деформация, старение (НТМО).
Первая схема сравнительно легко осуществима, но имеет недостаток — опасность сильного развития рекристаллизации в связи с высокой температурой деформации, проводимой при температуре закалки. Она широко используется в производстве прессованных изделий из многих алюминиевых сплавов, в которых небольшие добавки Mn, Сr и др. затрудняют рекристаллизацию. При осуществлении второй схемы могут возникать трудности, связанные с высоким сопротивлением деформации твёрдого раствора при комнатной температуре. Эта схема имеет ряд преимуществ: происходит старение с образованием весьма дисперсных фаз уже при холодной (или тёплой) деформации, создаётся более равномерное распределение выделений упрочняющих фаз, образующихся на дислокациях по всему объёму зёрен. Вторая схема ТМО успешно используется для повышения прочности стареющих медных и алюминиевых сплавов
Понимание физической сущности упрочнения в результате ТМО оказалось возможным лишь после того, как стали проясняться основные закономерности структурных изменений при горячей деформации. Старое представление о том, что горячая деформация всегда сопровождается рекристаллизацией, оказалось неверным. Отсюда и началась новая волна развития основных направлений термомеханической обработки.
Литература:
- Бернштейн М.Л., Термомеханическая обработка металлов и сплавов, т.1., 1968 г.
