Лекция 20 принципы тцо

1. История: известно было явление термоусталости: при частых теплосменах в металле накапливаются повреждения, поры, трещины, в конце концов, разрушение. Вопрос исследовался и в дальнейшем исследования показали,.что при определенном ограниченном числе теплосмен (циклов) можно получить различные положительные эффекты – изменение структуры и свойств. После этого началась разработка практических способов ТЦО взамен или в добавление к ТО. При этом было установлено, что эффект достигается только при отсутствие выдержек после нагрева.

По мнению патриотов ТЦО и ТМО стандартная ТО в осном себя исчерпала (в смысле надежд на существенные прорывы). Число параметров стандартной ТО ограничено: скорость нагрева Vн.

(обычно этот параметр можно и не учитывать), температура T, время выдержки t, скорость охлаждения Vо, параметров немного, перебор уже проведен, и возможности совершенствования во многом исчерпаны.

При термоциклической обработке (ТЦО) число параметров больше: Vн и Vо, число циклов N, температуры цикла верхняя и нижняя. Можно варьировать и сами циклы. Важным технологическим моментом при проведении ТЦО является высокие, как правило, скорости нагрева и охлаждения в цикле и отсутствие выдержки (последнее определяет роль скорости нагрева).

2. К настоящему времени разработано много режимов ТЦО взамен как предварительной, так и окончательной термообработки. Основные результаты: получение мелкого зерна, дисперсной второй фазы, ускорение сфероидизации перлита, смягчения стали перед ХМО (холодной механической обработкой), получение оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости в сталях и сплавах за счет измельчения зерна и второй фазы и др.

3. Рассматривается несколько основных эффектов, определяющих особые возможности ТЦО.

А) внутренний фазовый (структурный) наклеп при высоких скоростях нагрева-охлаждения в цикле, микропластическая деформация от внутренних напряжений (термических или структурных), который создает повышенную концентрацию и плотность дефектов решетки (вакансий, дислокаций), в следующем цикле при нагреве могут в той или иной степени успевать проходить процессы возврата и рекристаллизации. Это в свою очередь влияет на формирование структуры при фазовых превращениях (включая рекристаллизацию) при термоциклировании. Этот эффект подобен эффектам при термомеханической обработке (роднит ТЦО с ТМО): он способствует получению мелкой высокодисперсной структуры, сфероидизации частиц, равномерному их распределению. Эффекты накапливаются с новыми циклами. Если первые нагревы могли привести к разупрочнению вследствие возврата, то дальнейшие циклы уже дают суммарно упрочнение, а затем возможно и разрушение (термоусталость) – из-за градиента температур, различия теплофизических характеристик фаз и структурных составляющих.

Небольшие напряжения могут возникать за счет наличия текстуры, разориентировки зерен, блоков и т.п.

В целом возможны три «способа» ТЦО: с фазовой перекристаллизацией (полной или частичной), ТЦО в области переменной растворимости компонентов друг в друге, обработка в интервале температур дисперсионного твердения.

Б) эффект термодиффузии. Известна быстрая вынужденная диффузия примесей и легирующих элементов под действием различных полей: напряжений, магнитных, электрических, тепловых. При градиенте температур возникает диффузионный поток тугоплаких элементов против теплового градиента (от холодного к горячему), легкоплавких элементов - по тепловому потоку.

В опытах с пластиной из трансформаторного железа (Fe + 3%Si), один конец которой охлаждается водой, а другой – в печи (700 С). После нескольких часов такой обработки получена существенная разность твердости по длине пластины: в горячем конце она выше – сюда продиффундировал кремний и С, получили ликвацию. Этот эффект использован непосредственно при низкотемперпатурной ТЦО чугунов.

При перлитно-аустенитном превращении затрачивается тепло, в итоге в доэвтектоидной стали зерно аустенита холоднее, чем непревращенное соседнее зерно (участок) феррита, и углерод стремится диффундировать из аустенита в феррит, что способствует превращению этого зерна феррита в аустенит. В чугунах имеется повышенная концентрация (ликвация) кремния в участках феррита вокруг графитных частиц, что усиливает хрупкость чугуна. Низкотемпературная ТЦО чугуна при более быстром охлаждении по сравнению с нагревом в цикле создает «обратную ликвацию» и уменьшает хрупкость.

В) При медленном нагреве – охлаждении реализуются диффузионные механизмы превращений, но при быстром – могут

дислокационные. В доэвтектоидной стали со структурой П+Ф при ускоренном нагреве (десятки и сотни градусов в секунду) сначала идет диффузионное П---А, а потом бездиффузионное Ф----А или смешанное. Поэтому при ТЦО сталей появляется повышенное количество аустенита (за счет увеличения роли сдвигового механизма при ускоренном нагреве и за счет термодиффузии углерода от аустенита к ферриту). Этот аустенит неустойчив (в нем мало углерода), что вносит дополнительные эффекты при ТЦО.

(Если циклировать с закалкой, то структуры М, Б, видманштетова Ф – при нагреве бездиффузионно в Аустенит, может проявляться структурная наследственность, не измельчаться зерно).

Г) при ТЦО ускоряются диффузионные процессы, приводящие к упорядочению в твердых растворах, к выравниванию внутренних напряжений, субмикроструктуры, микроструктуры.

В твердом растворе при отсутствии границ и других дефектов атомы примеси распределены хаотично, то есть статистически, что будет соответствовать минимуму энергии раствора. Но в результате взаимодействия примесных атомов с дислокациями, границами и т.п. они могут состредотачиваться в определенных местах ( с понижением энергии кристалла при этом). Например, вдоль дислокационной линии как облака или атмосферы Коттрелла. Или определенным образом перескакивать в ячейке в поле близлежащей дислокации. Всякое отклонение в распределении примесных атомов от статистического можно считать упорядочением (атмосфеоы Коттрелла, модель Сноека, Флейшера, Фишера, образование сверхструктуры, К-состояния).

Если дислокация уходит от атмосферы, то энергия кристалла будет больше, чем при статистическом распределении. Эта энергия равна работе, совершаемой приложенным напряжением для отрыва дислокации от атмосферы. Работа равна силе на путь. Сила – это напряжение, помноженное на площадь. Значит, для разблокировки и скольжения дислокации надо приложить дополгительное напряжение. Всякое упорядочение таким образом приводит к повышению сопротивления деформации.

ТЦО может заменить и гомогенизационный отжиг (Пример, сталь 30ХНЛ – 3 цикла (быстро до 850С, охлаждение на воздухе до 600С),

в литой Р18 – 5 циклов: быстро (40-50 град/сек) до 820-850 С, охлаждение (100 град/сек) до 600 С – устраняется карбидная неоднородность, полосчатость.

Д) Следует отметить еще один момент: отсутствие выдержки, которая при обычной ТО не только может привести к росту действительного зерна, но иногда и создает условия для теплового охрупчивания. Есть такое понятие: тепловая хрупкость (снижение вязкости, конструкционной прочности, вероятно, повышение Тхвп) – связана она с неблагоприятным перераспределением примесей, концентрацией их на границах зерен. Эта тепловая хрупкость при ТО не учитывается, но устранение ее при ТЦО может быть одной из причин повышения при ТЦО вязкости стали.

Е) Переменная растворимость компонентов обеспечивает необходимые условия для перераспределения элементов и видоизменения фаз за счет многократного действия механизма «растворения – выделения», свойственного только процессу ТЦО.

Итак при ТЦО процессы (фазовые превращения, термические и другие, изменение внутренних напряжений на разных масштабных уровнях, растворение-выделение) сопровождаются образованием, перемещением , аннигиляцией точечных и линейных дефектов, перераспределением легирующих элементов. Интенсивность этих процессов зависит от многих факторов: внешних (скорости нагревов – охлаждений, интервал температур, числа циклов) и внутренних (теплофизические характеристики фаз, структура).

Протекают упрочняющие процессы, как в слабодеформированном металле, а затем и процессы при нагреве слабодеформированного металла (образование и сток вакансий, размножение и перемещение дислокаций, затем формирование малоугловых границ и их миграция с поглощением дефектов, рекристаллизация и миграция межзеренных границ, рост зерен). Причем процессы протекают не одновременно, обычно не в полном объеме (рекристаллизация при более высоких температурах цикла и определенных местах, где больше дефектов – у границ зерен и их стыков, например, а при более низких температурах цикла – полигонизация) Зерно получается мелким в результате многократного чередования малых деформаций и рекристаллизационных отжигов. Причем сильное измельчение зерна не только в сталях, но, например, в некоторых Алюминиевых сплавах (дробление зерен, их разворот, образование блочной структуры – вероятно, помогает высокая ЭДУ). Так в силумине (12%кремния) –дробление зерен матрицы, образование субструктуры при ТЦО- 8---340 С. Даже в технически чистом алюминии. Но в массивных заготовках из-за термических напряжений при ТЦО 20---400С или 20----600С можно получать рекристаллизацию и полигонизацию.

В основе ТЦО лежат процессы , связанные с возникновением и релаксацией напряжений, накоплением дефектов кристаллического строения, развитием субструктуры, что эффективно влияет на распад твердого раствора. Влиять можно за счет скоростей и соотношения скоростей нагревов и охдаждений (НТЦО чугунов, например, прямая и обратная ликвация кремния). А прерывистый распад (не до конца каждый цикл) ведет к изменению морфологии и распределения выделяющихся фаз. Естесственно можно формировать различную структуру, в частности 2-й фазы: более дисперсную на большую прочность, твердость, или наоборот, крупные сферические частицы – на низкую твердость(тогда за меньшее время по сравнению со смягчающей ТО).