Термомеханическая обработка металлов заключается в механической деформации при температуре, большей температуры фазового перехода (высокотемпературная ТМО, ВТМО), или между температурой фазового перехода и температурой мартенситного превращения (низкотемпературная ТМО, НТМО). Термомеханическая обработка ограничена во времени, поскольку немедленно по завершении деформации металл быстро охлаждают ( закалка ), чтобы получить измельчённую, насыщенную дислокациями, структуру кристаллов металла. Обычная структура после закалки - мартенсит+бейнит+остаточный аустенит. Термомеханическую обработку применяют не только для сталей, но и других металлов .

В случае применения ТМО для обработки алюминиевых сплавов , добавки легирующих элементов, таких как хром и кремний , замедляют рекристаллизацию, и потому делают процесс более эффективным. Для аустенитных сталей, таких как нержавеющая сталь состава Х18Н10, не испытывающих фазового перехода, упрочнение обуславливается закреплением структуры, так как сталь эта в обычном понимании не закаливается. Хотя техпроцессы для разных металлов и сплавов различны, основой их разработки стало открытое в СССР явление наследования структуры при фазовом переходе аустенит-мартенсит .

Предыстория и развитие предмета

Фактически, люди стали применять термомеханическую обработку ещё с древности. Одним из вариантов ТМО является, например, ковка . Позднее, в ходе развития металлургии и материаловедения, долго считали, что деформационное упрочнение (наклёп) снимается при нагревании выше температуры рекристаллизации , и потому применялась схема, не учитывающая фактор времени - отдельно деформация (в штампах , прессах , прокатных станах ), и отдельно закалка (часто с промежуточным подогревом). Считалось, что для достижения высокой прочности требуется однородная структура, поэтому закаливание должно проходить с температуры выше 880..860 °С .

При дальнейшем развитии металлургии выяснилось, что с точки зрения комбинации прочности и пластичности , наилучшим для конструктивных элементов, не имеющих высоких требований к твёрдости, является верхний или нижний бейнит , который можно получить при окончательной закалке и с меньших температур. В процессе деформации аустенитные зерна приобретают нужную форму (обычно вытянутую), а после закалки и отпуска свойства металла оказываются выше, чем без ТМО. Это позволяет во многих услучаях уменьшить сечения и вес деталей, а также в некоторых случаях отказаться от легированной стали в пользу более дешёвой углеродистой. Поскольку деформирование само является частью технологического процесса получения заготовки, дополнительные издержки на ТМО (нагрев стали) соответствуют обычной закалке, которую ТМО заменяет .

Перепроектирование производства с переход от закалки к ТМО, при незначительном изменении основных фондов производства, требует однако более высокой культуры в части контроля за температурой металла и временами выдержки и закалки. В частности, после окончательного перехода такая закалка нужна немедленно для фиксирования структуры, полученной деформированием .

Высокотемпературная ТМО

Эффект от этой обработки получается благодаря быстрейшей закалке после деформации (в процессе получения заготовки детали). Рекристаллизация при этих температурах (выше 880 °С) требует времени, исчисляемого секундами, поэтому эффект упрочнения ограничен, а длительная и значительная деформация не даёт большего эффекта. Потому обычно её ограничивают величинами 20-30% .
ВТМО придаёт стали большую ударную вязкость, понижает порог хладноломкости, устраняет эффект отпускной хрупкости .

Дисперсионно-твердеющие алюминиевые и другие сплавы также обрабатываются по этой методике.

Низкотемпературная ТМО

При такой обработке, сталь нагревают выше температуры фазового перехода с выдержкой, необходимой для полного перехода в аустенит, после чего подстуживают и проводят деформирование при температуре 400..600 °С. После закалки сохраняется эффект упрочнения (больший, чем при ВТМО, поскольку рекристаллизация не происходит). Наивысшие показатели получаются при комбинации ВТМО и НТМО, то есть после высокотемпературной деформации следует низкотемпературная.

Следует иметь в виду, что для увеличения стабильности аустенитной структуры во многих случаях требуется дополнительное легирование (например, никелем , марганцем ), в то время как ВТМО дополнительных требований к времени распада аустенита не предъявляет, и потому обычно применяется для проката из углеродистых сталей. НТМО требует более мощного прессового оборудования, ввиду больших усилий при деформации .

Влияние остаточного аустенита

Остаточный аустенит придаёт стали несколько большую пластичность, но снижает предел прочности, а особенно предел текучести. После проведения НТМО легированных сталей остаётся довольно значительное количество аустенитной фазы: 20-30% и более (высокохромистые стали). Обработка холодом после закалки повышает твёрдость и прочность. Поскольку содержание остаточного аустенита больше в высокоуглеродистых (0,60% и выше) легированных сталях, именно такие выгоднее подвергать обработке .

См. также

• Отливка
• Заготовка

Примечания

Литература

• Бернштейн М.Л., Термомеханическая обработка металлов и сплавов, т.1., 1968 г.