Цель любого процесса термической обработки состоит в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующим охлаждением вызвать желаемое изменение строения металла. Термическая обработка изменяет в нужном направлении прочностные, пластические и другие свойства материала изделий.

Основные факторы воздействия при термической обработке – температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах t (температура) и ? ?(время) (рис. 6.1).

Режим термической обработки характеризуют следующие основные параметры: температура нагрева t_max, т.е. максимальная температура, до которой был нагрет сплав при термической обработке; время выдержки сплава при температуре нагрева и (?_в); скорость нагрева (V_нагр) и скорость охлаждения (V_охл).

Графиком «температура – время» может быть охарактеризован любой процесс термической обработки. Термическая обработка может быть сложной, состоящей из многочисленных нагревов, прерывистого или ступенчатого нагрева (охлаждения), охлаждения в область отрицательных температур и т.д. И такая термическая обработка может быть изображена в координатах «температура – время».

В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие при нагреве и охлаждении металлов и сплавов. Эти превращения характеризуются определенными критическими точками на диаграмме состояния сплавов.

Поскольку мы рассматриваем термическую обработку стали, то нам интересны только сплавы с концентрацией до 2 % С и соответственно область на диаграмме железо-углерод с концентрацией углерода до 2 % (точнее до 2,14 % С) (рис. 6.2).

Естественно, что верхней температурной границей при термической обработке является линия солидуса, поэтому процессы первичной кристаллизации и, следовательно, верхняя часть диаграммы для нас в данном случае не имеют большого значения.

При медленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплавах фазовых изменений не происходит. При температуре 727°С перлит превращается в аустенит. Эту точку на диаграмме называют нижней критической точкой и обозначают Ас₁ (при

охлаждении – Аr₁). Буквы с и r указывают на то, что превращение происходит соответственно при нагреве или охлаждении стали, а индекс единица– на точки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава зерна феррита растворяются в аустените.

Растворение феррита заканчивается в точке на линии GS, которую называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Ас₃, охлаждении Аr₃.

Если нагревать эвтектоидный сплав, то перлит в точке S (линия PSK) при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Ас₁ и Ас₃ при этом совпадают.

Перлит заэвтектоидного сплава при 727°С превращается в аустенит. Дальнейший нагрев сплава вызывает растворение цементита (вторичного) в аустените. В точке, лежащей на линии SE, процесс растворения заканчивается. Эту точку обозначают Аст.

Для изменения свойств сплава необходимо, чтобы в сплаве в результате термической обработки произошли остающиеся изменения, обусловленные, в первую очередь, фазовыми превращениями. Все виды термической обработки можно разделить на четыре основные группы.

Первая группа. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пластическая деформация создает наклеп –  искажение кристаллической решетки. При затвердевании  не успевают протекать диффузионные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказывается неоднородным. Быстрое охлаждение или неравномерное приложение напряжений делает неравномерным распределение упругой деформации. Неустойчивое состояние при комнатной температуре сохраняется долго, так как теплового движения атомов при комнатной температуре недостаточно для перехода в устойчивое состояние.

Нагрев (увеличение тепловой подвижности атомов) приводит к тому, что процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической решетки, рекристаллизация, диффузия), достигают заметных скоростей.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его в более устойчивое состояние, называется отжигом.

Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых превращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг называется отжигом первого рода. Если у сплава есть фазовое превращение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусловленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется как отжиг второго рода или фазовая перекристаллизация.

Таким образом, для стали отжиг – фазовая перекристаллизация, заключающаяся в нагреве до температуры выше Ас₃ с последующим медленным охлаждением. При нагреве до температуры выше Ас₁, но ниже Ас₃ полная перекристаллизация не произойдет (неполный отжиг). При отжиге состояние стали приближается к структурно равновесному. Структура стали после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит.

Если после нагрева до температуры выше Ас₃ провести охлаждение на воздухе, то это будет первым шагом к отклонению от практически равновесного структурного состояния. Такая термическая операция называется нормализацией.

Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой.

Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхностный) нагрев.

Таким образом, для стали закалка –  нагрев выше критической точки Ас₃ с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит распадается на феррит + цементит при Аr₁. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температурах.

Феррито-цементитная смесь по мере снижения температуры до Аr₁ становится все более мелко дисперсной и твердой. Если же скорость охлаждения была так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение цементита и феррита не произошло, то и распада твердого раствора не происходит, а аустенит (γ-твердый раствор) превращается в мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе).

Неполная закалка –  термическая операция, при которой нагрев проводят до температуры, лежащей выше Ас₁, но ниже Ас₃, и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цементит).

Третья группа. Состояние закаленного сплава характеризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий подвижность атомов, способствует этим превращениям. При повышении температуры закаленный сплав все больше приближается к равновесному состоянию. Такая обработка, т.е. нагрев закаленного сплава ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском. И при отжиге первого рода, как и при отпуске сплав приближается к структурному равновесию. Для стали отпуск – это нагрев закаленной стали до температуры ниже Ас₁.

Таким образом, отпуск –  вторичная операция, осуществляемая всегда после закалки. Отпуск иногда называют старением –  нагрев закаленных сплавов цветных металлов, не имеющих фазовых превращений. В этом случае закаленное состояние характеризуется пересыщением твердого раствора.