» » Классификация видов совмещенного температурнодеформационного воздействия на металл
06.02.2015

Наиболее распространенными способами совмещенного температурнодеформационного воздействия являются различные варианты термомеханической обработки. Однако не всякое совмещение операций деформации и термической обработки может быть отнесено к ТМО. В соответствии с данными, термомеханическую обработку следует понимать как совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения (в необходимой последовательности), в результате которых формирование окончательной структуры металлического сплава, а следовательно, и его свойств, происходит в условиях повышенной плотности несовершенств строения, возникших при пластической деформации. Отсюда следует, что к термомеханической обработке нельзя отнести классическую схему термоупрочнения, при реализации которой используется тепло прокатного нагрева. К термомеханической обработке не относят многие технологические схемы создания композиционных материалов, в том числе и естественно-композиционных, а также методы получения горячедеформированной стали с заданным составом поверхности (химико-термомеханическая обработка).
Обычно при классификации методов термомеханической обработки исходят из последовательности технологических операций деформирования и термической обработки. Этот признак принят в качестве основного в классификации, предложенной М.Л. Бернштейном. Согласно этой классификации различают ТМО:
- с деформацией в процессе термической обработки;
- с деформацией до термической обработки;
- с деформацией после термической обработки;
- с деформацией до и после термической обработки.
К первому классу относится большинство наиболее распространенных видов термомеханической обработки. В рассматриваемой классификации выделены два подкласса видов ТМО: с деформацией выше температуры рекристаллизации и с деформацией ниже температуры рекристаллизации.
В первый подкласс включены:
- высокотемпературная термомеханическая обработка с закалкой на мартенсит и отпуском (ВТМО);
- высокотемпературная термомеханическая обработка поверхностных слоев детали (ВТМПО);
- высокотемпературная термомеханическая изотермическая обработка (ВТМИзО) с распадом перлитной (1) или бейнитной (2) области;
- контролируемая прокатка.
Во второй подкласс включены:
- низкотемпературная термомеханическая обработка - аусформинг (НТМО);
- низкотемпературная термомеханическая изотермическая обработка (НТМИзО) с деформацией в процессе аустенито-перлитного превращения -изоформинг (1) или в процессе аустенито-бейнитного превращения (2).
Ко второму классу видов ТМО, также разделенному на два подкласса по температурам деформации и рекристаллизации, отнесены:
- наследственная термомеханическая обработка с предварительной BTMO и высокотемпературным смягчающим отпуском (НТМУ-1);
- наследственная термомеханическая обработка с предварительной ВТМИзО с распадом в бейнитной области (НТМУ-2);
- наследственная термомеханическая обработка с предварительной НТМИзО (НТМУ-3);
- предварительная термомеханическая обработка (ПТМО).
К третьему классу видов TMO относятся:
- обработка на деформационное старение мартенсита - марформинг (ДМО-1);
- марформинг после BTMO (ДМО-2);
- обработка на деформационное старение бейнита путем его теплой деформации или холодной деформации и отпуска (ДБО).
К TMO с деформацией до и после термической обработки в данной классификации отнесено патентирование.
Число разновидностей совмещенных процессов пластической и термической обработки увеличивается со временем. Это наглядно проявляется в развитии термомеханической и механотермической обработок, основанных на влиянии дефектов кристаллического строения, образующихся при деформации, на фазовые и структурные изменения. В связи с этим возможны и другие виды совмещения пластического и термического воздействия. Ниже приведена классификация видов совмещения этих воздействий.
Рассмотренная в работе классификация фазовых превращений основана на различии механизмов атомных переходов и роли диффузии. При характеристике фазового превращения следует выделять два элемента - характер изменения упаковки, осуществляемого переходом атомов через межфазную поверхность, и диффузионные процессы, с которыми связано перераспределение элементов между фазами. Перестройка атомной упаковки может реализовываться двумя различающимися по природе способами:
- граница перемещается путем поатомных переходов, так что при ее движении атомы меняют своих соседей. Такие индивидуальные перемещения атомов названы нормальными. Они лежат в основе восхождения краевых компонент дислокаций и миграции высокоугловых границ при рекристаллизации;
- граница перемещается сдвиговым механизмом, при котором атомное окружение не изменяется. Эти перемещения реализуются скольжением дислокаций, лежащим в основе элементарных актов пластической деформации скольжением и двойникованием.
Необходимость использования этого классификационного признака в классификации TMO связана с эффектом деформации: как правило, предварительная деформация способствует нормальной и препятствует сдвиговой перестройке решетки. В соответствии со вторым признаком, положенным в основу классификации, фазовые превращения можно разделить на две группы:
- перераспределение компонентов между фазами в результате развития диффузионных процессов. Фазовые превращения при этом происходят избирательно и сопровождаются изменением состава;
- безызбирательное фазовое превращение, так что составы исходной и образующейся фаз одинаковы. Диффузионное перераспределение компонентов между фазами при этом отсутствует.
Второй классификационный признак не связан с механизмом перехода атомов через межфазную поверхность, а регистрирует лишь факт диффузионного распределения компонентов между фазами.
В зависимости от характера атомных переходов через межфазную границу и степени развития диффузионных процессов однофазные превращения типа α→β твердом состоянии разделены на четыре класса: массивные, мартенситные, нормальные и когерентные. Массивные превращения характеризуются тем, что фазовое превращение осуществляется нормальными (индивидуальными) переходами атомов через границу без перераспределения компонентов между фазами. При мартенситном превращении образующая фаза имеет тот же состав, что и исходная, но перестройка решетки осуществляется по сдвиговому механизму. При когерентном превращении сочетается сдвиговая перестройка атомной упаковки с диффузионным перераспределением компонентов между фазами. Наконец, при нормальном превращении образующаяся фаза растет вследствие индивидуальных атомных перемещений и отличается по составу от исходной фазы.
Возможны и более сложные виды превращений. Так, при перлитном превращении феррит и цементит образуются по нормальному механизму, при котором перестройка кристаллической решетки сопровождается диффузионным перераспределением компонентов между фазами. Однако при определенных условиях перлитное превращение может протекать без перераспределения того или иного легирующего элемента, например кремния. В этом случае эвтектоидное превращение характеризуется одновременно чертами нормального (относительно углерода) и массивного (относительно легирующего элемента) видов.
Современная классификация видов термической обработки основана на типе фазовых превращений. Так, при отжиге либо вообще не происходит фазовых превращений (отжиг первого рода), либо реализуются превращения нормального типа (отжиг второго рода). При закалке с полиморфным превращением происходит мартенситное или когерентное превращение. Существуют также процессы закалки без полиморфного превращения (закалка на аустенит, на пересыщенный твердый раствор и т.п.). Процессы старения и отпуска связаны с выделением избыточных фаз. Все указанные виды относят к собственно термической обработке, наряду с которой рассматривают химико-термическую и термомеханическую обработки.
Нами разработана схема классификации видов совмещенного температурно-деформационного воздействия (рис. 103). Она предусматривает три группы воздействия: термомеханическая обработка, термоупрочнение и получение ориентированных структур.
Классификация видов совмещенного температурнодеформационного воздействия на металл

Особое место в рассматриваемой классификации занимает и получение горячедеформированного металла с заданным составом приповерхностных участков - химико-термомеханическая обработка (ХТМО), которую, с одной стороны, можно рассматривать, как отдельный вид совмещенного температурнодеформационного воздействия, а с другой, учитывая большую роль дефектов атомно-кристаллического строения в реализации данного вида обработки, следует отнести к разновидности термомеханической обработки.
В ДПИ разработан способ химико-механической обработки проката. Способ включает в себя следующие операции: нагрев, удаление окалины, науглероживание при температуре 1100-1300°С в течение 0,2-2 мин в среде с углеродным потенциалом, превышающем марочную концентрацию углерода в стали, и горячую пластическую деформацию. Как показали лабораторные испытания, время обработки сокращается примерно в 10 раз по сравнению с существующими технологиями.
В классическом варианте термоупрочнение - это закалка с прокатного нагрева (обычно при повышенной температуре окончания прокатки), при которой не учитываются структурные изменения, внесенные в металл пластической деформацией (см. рис. 103). В случае реализации последеформационного охлаждения немедленно после окончания процесса деформации ряда марок сталей можно говорить о наличии эффекта BTMO при термоупрочнении проката.
Отдельным видом совмещения пластического и термического воздействий следует считать и создание ориентированных структур, ибо большинство известных схем такой обработки не предусматривает непосредственного использования структурных несовершенств, внесенных деформацией, для воздействия на формирование структуры сплава. В отдельных случаях при создании естественно-композиционных материалов используется и эффект ВТМО. В этом случае совмещение деформации и термической обработки имеет комплексный характер.
Обширная группа процессов совмещенного температурно -деформационного воздействия может быть рассмотрена как совокупность различных вариантов термомеханической обработки. В зависимости от механизма фазовых превращений, сопровождающих процессы термомеханической обработки, виды TMO можно разделить на следующие группы:
- без полиморфных превращений;
- с использованием нормальных полиморфных превращений;
- с использованием сдвиговых (мартенситных и когерентных) превращений.
TMO без полиморфного превращения является аналогом закалки без полиморфного превращения в обычной классификации видов термической обработки и включает такую закалку в качестве одного из этапов технологического процесса. Этот вид TMO используют главным образом для обработки цветных сплавов и высоколегированных аустенитных сталей (стареющих сплавов).
Контролируемая прокатка представляет собой вид обработки низкоуглеродистой стали, при котором режимы нагрева, пластической деформации и последеформационного охлаждения применяют с целью получения мелкозернистой фрагментированной структуры феррита. В своем классическом варианте этот способ предназначался для сталей, микролегированных сильными карбидо- или нитридообразующими элементами (обычно ниобием и ванадием). Однако в ряде случаев контролируемая прокатка дает заметный эффект и в углеродистых сталях. Особый интерес в этом плане представляет предложенный выше процесс деформации с окончанием ее в нижней части аустенитной области и охлаждением до температуры γ→α-превращения со скоростью выше критической.
Этот процесс более технологичен, чем известный способ деформирования с окончанием в двухфазной γ+α-области или однофазной α-области, и получил дальнейшее глубокое развитие в Донецком политехническом институте (современном ДонНТУ).
В основе предложенного способа разупрочняющей термомеханической обработки лежит известное положение об ускоренном вследствие горячей пластической деформации распаде аустенита в феррито-перлитной области. Подобрав определенные температурно-деформационные параметры процесса прокатки, можно получить непосредственно после деформации достаточно равномерную феррито-перлитную структуру с твердостью, не превышающей твердость отожженной стали. Такая возможность проверена на ряде среднеуглеродистых и легированных сталей. Интересно, что эффект разупрочнения наблюдается при сравнительно низких температурах деформации, когда удается создать высокую степень горячего наклепа аустенита перед его распадом. В случае низкоуглеродистых сталей такие же деформации, наоборот, могут приводить к упрочнению за счет воздействия на структуру основной структурной составляющей - феррита.
Разработанные в ДонНТУ методы термомеханического разупрочнения стали основаны на влиянии несовершенств кристаллического строения на развитие диффузионных фазовых превращений. Снижение температуры окончания прокатки, деформирование по определенным режимам при высоких температурах с последующим регулируемым охлаждением ниже критических точек облегчают получение в углеродистых сталях повышенного количества феррита в виде мелких зерен либо структуры зернистого перлита. Предложенные режимы температурно-деформационного воздействия предусматривают устранение операции отжига или значительное сокращение его длительности. В стали 30ХГСА, например, варьированием только условиями деформации при одинаковой скорости охлаждения удается уменьшить твердость по Бринеллю от 3136 до 2254 Н/мм2. Оказалось, что, снижая температуру деформации до 800°С, при которой твердость минимальна, можно вызвать полный распад аустенита в перлитной области и получить набор структур от преимущественно бейнитной (при высоких температурах деформации) до феррито-перлитной (при пониженных температурах). Этот способ разупрочняющей термомеханической обработки целесообразно использовать для изготовления горячекатаной стали с гарантированным верхним уровнем твердости. Нередко деформация стали по определенным режимам, например TMO со сдвиговым полиморфным превращением или в сочетании с перлитным превращением, используется в качестве предварительной термомеханической обработки для ускорения сфероидизации цементита при последующем отжиге.
Из различных способов TMO с перлитным превращением наиболее известен изоформинг, сопровождающийся изменением морфологии карбидной фазы и созданием развитой субструктуры в феррите. Это изменение может иметь не только самостоятельное значение, но и способствовать заметному повышению механических характеристик после заключительной термической обработки — улучшения. В этом случае изоформинг можно рассматривать как операцию предварительной термомеханической обработки.
Выше было показано, что регулированием параметров деформации в области достаточно высоких температур (порядка 1000°C) можно добиться определенного упрочнения стали прежде всего за счет смещения распада аустенита при последующем охлаждении в низкотемпературный интервал. Этой же цели способствует ускоренное последеформационное охлаждение со скоростями, обеспечивающими распад переохлажденного аустенита в интервале температур диффузионного превращения. Поскольку в этих схемах используется влияние дефектов кристаллического строения, внесенных деформацией, на кинетику распада аустенита, а также структуру и свойства продуктов превращения, указанные процессы могут быть отнесены к термомеханической обработке с перлитным превращением. К рассматриваемому виду TMO следует отнести и совмещенные с деформацией перитектоидное и монотектоидное превращения и прерывистый распад. Было показано также, что предварительная термомеханическая обработка с перлитным превращением (прерванная закалка) после деформации по определенному режиму способствует сфероидизации при последующем отжиге. Такая обработка может быть также рассмотрена как вариант предварительной термомеханической обработки.
TMO с использованием сдвиговых превращений является аналогом процессов закалки с полиморфным превращением в классификации обычных видов термической обработки и наиболее изученной разновидностью этих процессов. Классические схемы BTMO и HTMO достаточно подробно описаны в специальной литературе. Отметим лишь, что особую актуальность они приобретают в связи с явлением наследования эффекта ТМО. Последнее дает возможность принципиально реализовать обработку по схеме: BTMO (или НТМО) - смягчающая термическая обработка - механическая обработка -окончательная упрочняющая термическая обработка. При реализации BTMO и HTMO имеется в виду, что фазовое превращение происходит по мартенситному механизму. В последнее время получают распространение схемы, совмещающие пластическую деформацию с когерентным (бейнитным) превращением. Как показывают результаты исследований, такая обработка может привести к получению весьма ценного сочетания свойств, когда повышенной прочности сопутствует высокая пластичность, присущая вообще продуктам промежуточного превращения. Такая обработка перспективна в свете решения важной проблемы - предотвращения хрупкого разрушения в условиях сложного напряженного состояния.
ПТМО с использованием сдвиговых полиморфных превращений проводят по следующей схеме: холодная пластическая деформация - полигонизация - закалка со скоростным нагревом и короткой выдержкой - отпуск. Эффект ПТМО связан с наследованием субструктуры при α→γ и γ→α-превращениях. Имеются сведения о применении подобных схем при производстве холоднокатаных листов и тонкостенных труб.
Наконец, отдельным видом термомеханической обработки можно считать TMO с диффузионным насыщением поверхности (химико-термомеханическая обработка). Такая обработка является аналогом химико-термической обработки в обычной классификации видов термообработки, и при ее применении преследует те же цели, что и при применении обычной химико-термической обработки. Сущность процессов химико-термомеханической обработки заключается в использовании дефектной структуры, полученной в результате деформации, для ускорения диффузионных процессов. Выше были рассмотрены возможности использования такого рода обработки для устранения обезуглероженного или создания науглероженного слоя.
Проведенные в последние годы работы показывают принципиальные возможности ее использования для диффузионной металлизации (хромирования, алитирования, силицирования и др.).
К сожалению, внедрение этих видов термомеханической обработки на производстве вызывает пока серьезные затруднения, главным образом организационного характера. Можно надеяться, что эти затруднения будут преодолены и совмещение температурно-деформационного воздействия с химическим со временем найдет широкое применение в заводской практике.
Подводя итог, следует отметить, что в Донецком политехническом институте (впоследствии ДонНТУ) было создано и активно развивается актуальное научное направление совмещения процессов пластической деформации и термической обработки стали.
В результате выполненных теоретических, исследовательских и прикладных работ установлены закономерности механизма формирования механических свойств и факторы, обеспечивающие направленное воздействие на структуру углеродистых, низколегированных и легированных марок стали, на основе которых разработаны и реализованы новые технологические схемы производства сортового проката с заданным комплексом механических свойств.
Создана классификация видов совмещенного температурно-деформационного воздействия на металл, что позволяет системно и планово подходить к решению научных и прикладных задач этой проблемы.
Разработаны основные положения технологического проектирования совмещенных процессов горячей деформации и ускоренного охлаждения металла из углеродистых, низколегированных и легированных марок стали в потоке сортовых станов.