Создано 2025.09.08
Термическая обработка
Термическая обработка: Основной процесс контроля свойств материалов
Термическая обработка является ключевым процессом в материаловедении. Через контролируемый нагрев, выдержку и охлаждение материалов (прежде всего металлов, но также включая керамику и полимеры) она изменяет внутреннюю микроструктуру материала (такие как размер зерна, фазовый состав и распределение осажденных фаз), тем самым точно контролируя его механические свойства (твердость, прочность, вязкость и пластичность), физические свойства (проводимость и магнитные свойства) или химические свойства (коррозионная стойкость).
1. Три основных элемента термической обработки
Эффективность термической обработки полностью определяется параметрами трех фаз: нагрев, выдержка и охлаждение. Эти три фазы известны как "три элемента термической обработки" и являются основой проектирования процесса:
- Фаза нагрева
- Основная цель: Нагревание материала до определенной температуры (обычно выше температуры фазового перехода, такой как температура аустенитизации стали), чтобы вызвать желаемую внутреннюю микроструктурную трансформацию (например, превращение из перлита в аустенит в стали) или создать условия для последующих диффузионных и осадочных реакций. - Ключевые параметры: Температура нагреваТемпература нагрева
- Фаза удержания
- Основная цель: Поддержание равномерной температуры в материале для обеспечения полных и достаточных микроструктурных преобразований (таких как аустенитизация) или диффузионных процессов (таких как цементация и нитридирование во время химической термообработки), избегая локальных микроструктурных вариаций.
- Ключевой параметр: Время удержания
- Фаза охлаждения
- Основная цель: Контролируя скорость охлаждения, можно стабилизировать микроструктуру, образующуюся в фазе нагрева-удерживания, чтобы достичь желаемых свойств. **Скорость охлаждения является самым критическим параметром, определяющим окончательную микроструктуру и свойства (например, быстрое и медленное охлаждение стали приведет к совершенно разным микроструктурам).
II. Основная цель термической обработки
Цель термической обработки варьируется в разных сценариях, но её суть заключается в том, чтобы "регулировать свойства материала по мере необходимости." Она в первую очередь делится на следующие четыре категории:
- Укрепление материала: Улучшение твердости, прочности и износостойкости при балансировке вязкости (избежание хрупкости). Закалка и отпуск режущих инструментов, подшипников и шестерен.
- Улучшение обрабатываемости: Снижение твердости материала и увеличение пластичности для облегчения холодной и горячей обработки, такой как резка, ковка и штамповка. Отжиг труднообрабатываемых сталей.
- Снятие внутреннего напряжения: Устранение внутреннего напряжения, возникающего во время ковки, сварки или механической обработки, чтобы предотвратить деформацию и трещины. Отжиг для снятия напряжения сварных частей.
- Стабилизация микроструктуры и размеров: Фиксация микроструктуры материала для предотвращения деформации размеров или ухудшения характеристик из-за изменений микроструктуры в процессе последующего использования. Старение прецизионных измерительных инструментов и форм.
III. Основные категории термической обработки (на примере металлов)
На основе цели процесса, объема обработки и принципа, термическая обработка металлов может быть разделена на три категории, при этом "интегрированная термическая обработка" является наиболее широко используемым типом:
1. Общая термическая обработка: Вся деталь нагревается, удерживается, а затем охлаждается.
Общая термическая обработка является самым основным типом, подходящим для заготовок, требующих контроля общей производительности. Она в первую очередь включает в себя следующие четыре основных процесса (используя сталь в качестве примера):
--Отжиг: Нагрев до выше/ниже температуры фазового перехода → длительное удержание → медленное охлаждение в печи. Это устраняет внутренние напряжения, смягчает материал и улучшает размер зерна, что приводит к снижению твердости и улучшению пластичности. Он подходит для предварительной обработки (например, перед резкой).
--Нормализация: Нагрев до температуры аустенитизации → выдержка → охлаждение в воздухе (более быстрое охлаждение, чем отжиг). Это улучшает размер зерна, гомогенизирует структуру и улучшает механические свойства. Прочность выше, чем в состоянии отжига. Это подходит для окончательной термической обработки конструктивных деталей (например, валов).
--Закалка: Нагрев до температуры аустенитизации → выдержка → быстрое охлаждение (водяное/масляное охлаждение) приводит к образованию мартенситной структуры, значительно улучшающей твердость и износостойкость. Это приводит к крайне высокой твердости, но также увеличивает хрупкость, что требует комбинированного отпускания (например, закалка инструмента).
Отпуск: Повторный нагрев закаленной заготовки до температуры ниже температуры фазового перехода, затем удержание температуры, а затем охлаждение (в воздухе или масле) для снижения хрупкости после закалки и регулировки баланса твердости и пластичности. Закалка + отпуск ("закалка и отпуск") является наиболее часто используемым процессом упрочнения и подходит для деталей, подверженных ударам (например, коленчатых валов).
2. Тепловая обработка поверхности: Изменение только микроструктуры и свойств поверхности заготовки
Суть термической обработки поверхности заключается в "укреплении поверхности." Она подходит для деталей, которые требуют высокой твердости и износостойкости на поверхности и высокой прочности в сердцевине (таких как шестерни и валы), чтобы избежать хрупкости сердцевины, вызванной полным закаливанием. Существует два основных типа:
- Поверхностное закаливаниеХимическая термическая обработка
- Карбюризация: Увеличивает содержание углерода в поверхностном слое, что приводит к высокой твердости поверхности после последующей закалки и отпускания (подходит для шестерен из низкоуглеродистой стали);
- Нитрование: Формирует высокотвердые нитриды на поверхности, обеспечивая отличную износостойкость и коррозионную стойкость (подходит для прецизионных форм и коленчатых валов двигателей);
- Борирование: Формирует бориды на поверхности, подходит для условий экстремального износа (например, для деталей горного оборудования).
3. Локализованная термическая обработка: Целенаправленная обработка конкретных участков заготовки
Когда только определенная область детали должна соответствовать требованиям к производительности (например, сварной шов сварной части или дорожка подшипника), используется метод локального нагрева и охлаждения, чтобы избежать ненужной деформации или потери производительности, вызванной общим обработкой. Примеры включают локальное закаливание направляющих крупных станков и локальное снятие напряжений отжигом сварных соединений.
V. Ключевые области применения термической обработки
Термическая обработка является фундаментальной поддерживающей технологией практически во всех отраслях промышленности. Без термической обработки невозможно достичь свойств материалов, соответствующих инженерным требованиям:
- Механическое производство
- Автомобильная промышленность
- Аэрокосмическая
- Точное производство
- Медицинские устройства
电话
Skype
微信