Процесс отжига: снятие напряжений и обработка в производстве стали

Определение и основные понятия

Процессное отпускание — это тепловая обработка, применяемая к холоднокатаной стали для снижения твердости, повышения пластичности и снятия внутреннего напряжения без существенного изменения микроструктуры или механических свойств. В отличие от полного отпуска, процессное отпускание проводится при температурах ниже критической температуры перехода (A1), обычно в диапазоне 550-650°C для углеродистых сталей.

Эта промежуточная тепловая обработка позволяет выполнять дальнейшие операции холодной обработки, восстанавливая работоспособность материала без полного кристаллизации. Процессное отпускание особенно важно при многоступенчатых операциям формовки, где материал должен пройти через несколько этапов деформации без трещин или повреждений.

В рамках более широкой области металлургии процессное отпускание занимает позицию между отпуском для снятия напряжений (проводимым при низких температурах) и полным отпусканием (проводимым выше критической температуры). Оно представляет собой практический компромисс между производственной эффективностью и требованиями к свойствам материала, позволяя контролируемым образом модифицировать механические свойства при минимизации затрат энергии и времени обработки.

Физическая природа и теоретические основы

Физический механизм

На микроуровне процессное отпускание в основном включает восстановление и частичную рекристаллизацию деформированной структуры зерен. Во время холодной обработки дислокации накапливаются в кристаллической решетке, вызывая упрочнение за счет растяжения и снижение пластичности.

При нагреве до температур процессного отпускания тепловая энергия позволяет дислокациям двигаться и перераспределяться. Дислокации противоположных знаков могут аннигилировать друг с другом, а другие формируют границы субзерен через полигонализацию. Это уменьшает общий уровень дислокаций без полного устранения деформированной структуры.

При сильно холодно деформированных материалах возможна ограниченная рекристаллизация при более высоких температурах процессного отпускания, при которой возникают новые зерна без внутренних напряжений, поглощающие деформированную структуру. Однако это обычно минимизируется, чтобы сохранить эффект упрочнения за счет деформации.

Теоретические модели

Основная теория, описывающая процессное отпускание, — модель восстановления-рекристаллизации-роста зерен. Эта модель, созданная в середине XX века, описывает постепенное восстановление микроструктур холодной обработки с помощью термально активных процессов.

Исторически понимание процессов отпуска развивалось от эмпирических наблюдений XIX века до количественных моделей 1940-1960-х годов. Такие исследователи, как Мехль, Берк и Турнбулл, установили фундаментальные связи между параметрами отпуска и эволюцией микроструктуры.

Современные подходы включают кинетические модели Джонсона-Мехля-Аврами-Колмогорова (JMAK) для рекристаллизации, модели внутренних переменных состояния, учитывающие эволюцию плотности дислокаций, и вычислительные методы, основанные на клеточных автоматах или фазовых полях. Эти модели различаются по рассмотрению пространственной неоднородности и применимости к сложным промышленным сплавам.

Основы материаловедения

Процессное отпускание напрямую влияет на кристаллическую структуру за счет снижения искажения решетки, вызванного холодной обработкой. Основная структура (обычно с т jasno-центрированной кубической решеткой для ферритных сталей) остается неизменной, однако существенно меняется плотность и организация кристаллографических дефектов.

Границы зерен играют важную роль во время процессного отпускания. Высокоугловые границы зерен остаются относительно стабильными при температурах отпуска, тогда как границы субзерен могут образовываться или исчезать. Степень их стабильности влияет на конечные механические свойства.

Процесс основан на фундаментальных принципах материаловедения, термодинамики и кинетики. Состояние холодной обработки — это более энергичная конфигурация, и отпускание приводит систему к равновесию через диффузионные процессы, активируемые теплом. Скорость восстановления зависит от энергии активации дислокационного движения и диффузии атомов, следуя температурной зависимости по уравнению Аруниуса.

Математические выражения и методы расчетов

Основная формула определения

Кинетику восстановления при процессном отпускании можно выразить через логарифмическое убывание:

$$\sigma = \sigma_0 - k \ln(t)$$

Где:
- $\sigma$ — текущее сопротивление течению после обработки за время $t$
- $\sigma_0$ — начальное сопротивление холоднокатаного материала
- $k$ — постоянная, зависящая от температуры
- $t$ — время отпуска

Связанные расчетные формулы

Для частичной рекристаллизации применяется уравнение Джонсона-Мехля-Аврами-Колмогорова (JMAK):

$$X = 1 - \exp(-kt^n)$$

Где:
- $X$ — доля рекристаллизованного объема
- $k$ — скоростная константа, зависящая от температуры, согласно уравнению Аруниуса $k = k_0\exp(-Q/RT)$
- $t$ — время отпуска
- $n$ — показатель Аврами (обычно 1-4)
- $Q$ — энергия активации
- $R$ — универсальная газовая постоянная
- $T$ — абсолютная температура

Коэффициент ослажнения может быть рассчитан по формуле:

$$S = \frac{H_i - H_a}{H_i - H_0}$$

Где:
- $S$ — коэффициент ослажнения
- $H_i$ — твердость после холодной обработки
- $H_a$ — твердость после отпуска
- $H_0$ — исходная твердость перед обработкой

Допустимые условия и ограничения

Данные формулы в основном применимы для однородных одноплоскостных материалов. Для многоплоскостных сталей или материалов с выраженными градиентами деформации требуются более сложные модели.

Уравнение JMAK предполагает случайное нуклеацию и изотропный рост, что может не точно отражать сильно текстурированные материалы или те с предпочтительными участками нуклеации. Особенно существенные отклонения — при высоких долях рекристаллизации.

Эти модели предполагают изотермические условия и не учитывают скорости нагрева и охлаждения. В промышленной практике такиеTransientные условия могут существенно влиять на итоговую микроструктуру и свойства.

Методы измерения и характеристики

Стандартные методы испытаний

• ASTM E18: Стандартные методы испытаний твердости по Роквеллу
• ASTM E8/E8M: Стандартные методы испытаний на растяжение
• ASTM E112: Стандартные методы определения средней крупности зерен
• ISO 6507: Металлические материалы — Тест Виккерса на твердость
• ISO 6892-1: Металлические материалы — Испытание на растяжение — Часть 1: Методика при комнатной температуре

Оборудование и принципы испытаний

Для измерения твердости широко применяются приборы (Роквелл, Виккерс или Бринелль), которые определяют сопротивление материала вдавливанию с помощью стандартных индентов и нагрузок.

Машины для испытания на растяжение измеряют механические свойства, такие как предел растяжения,老虎机ка, и удлинение. Принцип — приложить одностороннюю нагрузку к стандартному образцу, регистрируя зависимость силы от перемещения.

Расширенные методы характеристик используют оптическую и электронную микроскопию для наблюдения изменений микроструктуры. Электронная дифракция обратных ударов (EBSD) позволяет количественно определить плотность дислокаций, образования субзерен и долю рекристаллизации на основе анализа ориентации кристаллов.

Требования к образцам

Стандартные образцы для растяжения соответствуют размерам ASTM E8/E8M, с длиной шага 50 мм и подходящим сечением для толщины материала.

Обработка поверхности для металлообзорных исследований включает шлифовку с использованием абразивов с постепенным уменьшением зернистости (обычно до 1200 сетки), затем полирование алмазными или алюминиевыми суспензиями для получения зеркальной поверхности. Химическое травление растворами (например, 2-5% нитра для углеродистых сталей) отображает микроструктуру.

Образцы должны быть типичными для всей партии материала и свободными от дефектов на краях или обработки. Для листовых материалов образцы рекомендуется тестировать в различных направлениях относительно прокатного направления для учета анизотропии.

Параметры испытаний

Стандартные испытания проводятся при комнатной температуре (23±5°C) и в условиях стандартной атмосферы. Для специальных случаев возможно испытание при повышенных температурах.

Испытания на растяжение используют типовые скорости деформации: обычно 0,001–0,008 мин⁻¹ для упругой области и 0,05–0,5 мин⁻¹ для пластической, согласно ASTM E8.

Параметры тестирования твердости — использование определенных нагрузок (например, 150 кгс для Роквелла В, 10 кгс для Виккерса) и времени удержания (обычно 10-15 секунд) для получения стабильных результатов.

Обработка данных

Сбор данных включает регистрация значений твердости в нескольких точках или по полной кривой нагрузка-деформация для испытаний на растяжение. Современное оборудование обеспечивает цифровую фиксацию данных.

Статистический анализ включает расчет среднего значения, стандартных отклонений и доверительных интервалов. Для критичных приложений применяется анализ выбросов и тестирование гипотез для обеспечения качества данных.

Окончательные показатели свойств рассчитываются по стандартным методикам, например, по определению предела текучести с сдвигом 0,2% или усреднением нескольких измерений твердости после исключения наиболее высоких и низких значений.

Типичные диапазоны значений

Класс стали	Типичный диапазон значений (Твердость)	Условия испытаний	Справочный стандарт
Низкоуглеродистая сталь (1010-1020)	55-75 HRB после процессного отпуска	600°C, 1 час, воздушное охлаждение	ASTM A29
Среднеуглеродистая сталь (1040-1050)	70-85 HRB после процессного отпуска	650°C, 1 час, воздушное охлаждение	ASTM A29
HSLA сталь	75-90 HRB после процессного отпуска	600-650°C, 1 час, воздушное охлаждение	ASTM A1011
Нержавеющая сталь (304)	70-85 HRB после процессного отпуска	650-700°C, 1 час, воздушное охлаждение	ASTM A240

Вариации внутри каждого класса обычно связаны с разными уровнями предварительной холодной обработки, точным химическим составом и конкретными параметрами отпуска (время, температура, скорость охлаждения).

На практике эти значения следует рассматривать как ориентиры, а свойства проверять на производственных образцах при конкретных условиях обработки.

Более высокий содержательный углерод и легирующие элементы обычно приводят к большей твердости после отпуска за счет упрочнения твердым раствором и карбидообразования, сохраняющихся в цикле процессного отпуска.

Анализ инженерных применений

Конструкционные особенности

Инженеры должны учитывать частичное восстановление пластичности при проектировании многоступенчатых операций формовки. Обычно процессное отпускание планируют, когда упрочнение за счет деформации достигает 60-80% предела формуемости материала.

На ответственные конструкции часто накладывают коэффициенты запаса 1,2-1,5 для учета вариаций реакции материала на процессное отпускание. Такие меры особенно важны при сложных геометриях или тяжелой деформации.

При выборе материала зачастую сравнивают стоимость промежуточного отпуска с альтернативными методами — например, использованием более пластичных исходных материалов или изменением последовательности обработки. Решения принимаются с учетом наличия оборудования, объема производства и требований к качеству.

Ключевые области применения

В автомобильной промышленности процессное отпускание критично при изготовлении глубокотянутых компонентов, таких как кузовные панели. Эти детали требуют нескольких операций формовки для сложных геометрий без истончения или трещин, поэтому восстановление пластичности на промежуточных этапах важно.

В бытовой технике используют процессное отпускание при производстве белых товаров, где листы стали подвергаются последовательным операциям формовки для получения сложных форм. Баланс между твердостью (против вмятин) и формуемостью требует точной настройки параметров отпуска.

В производстве крепежных изделий и металлических деталей проволока и прутки проходят через много этапов вытяжки с промежуточным процессным отпусканием. Это позволяет уменьшить диаметр до 90% при последовательной обработке, сохраняя целостность материала.

Торговые компромиссы

Процессное отпускание создает фундаментальный компромисс между характеристиками прочности. Оно повышает формуемость, одновременно снижая предел текучести и наибольшую растяжимость, что может негативно сказаться на прочностных характеристиках конечного изделия.

Качество поверхностной обработки также может ухудшаться из-за окисления или окалки, что требует дополнительных этапов подготовки поверхности, особенно для видимых изделий или тех, что требуют точного размеров.

Инженеры балансируют эти требования, оптимизируя параметры отпуска, выбирая защитные атмосферы и внедряя последующие поверхностные обработки или конструктивные изменения, чтобы компенсировать изменения свойств.

Анализ причин разрушений

Твёрдение за счет упрочнения — одна из распространенных причин отказов при недостаточном или отсутствии процессного отпускания. Это проявляется появлением трещин при формовке, особенно в углах или зонах концентрации напряжений.

Механизм отказа — накопление дислокаций у границ зерен или препятствий, создающих локальные концентрации напряжений и инициирующих микроразломы, которые распространяются по пластическим сдвигам или границам зерен при дальнейшем деформировании.

Меры по снижению риска включают оптимизацию параметров отпуска на основе кинетики восстановления, внедрение контроля твердости в процессе для подтверждения необходимой пластичности, а также переработку последовательности формовки для более равномерного распределения пластических деформаций.

Факторы влияния и методы контроля

Влияние химического состава

Содержание углерода значительно влияет на реакцию отпуска: стали с более высоким содержанием углерода требуют более высоких температур или длительных процессов для достижения аналогичного ослабления. Каждые 0,1% углерода требуют повышения температуры отпуска примерно на 15-25°C.

Следственные элементы, такие как бор (>0,001%), могут существенно замедлять восстановление и рекристаллизацию за счет сегрегации к границам зерен и ядрам дислокаций, требуя коррекции параметров отпуска.

Оптимизация состава включает минимизацию элементов, образующих стабильные осадки (Ti, Nb, V,), при необходимости максимального ослабления, или контролирование их наличия, если важна часть прочности.

Микроструктурное влияние

Исходный размер зерен влияет на кинетику восстановления, поскольку более мелкие зерна восстанавливаются быстрее из-за меньших диффузионных расстояний и большей площади границ зерен.

Распределение фаз в многопазных сталях создает неоднородное поведение восстановления. Феррит восстанавливается быстрее, чем перлит или мартенсит, что может приводить к неравномерным механическим свойствам после процессного отпуска.

Немонолитные включения и осадки могут закреплять границы зерен и дислокации, препятствуя восстановлению и рекристаллизации. Их размер, распределение и устойчивость при температурах отпуска определяют их влияние на итоговые свойства.

Влияние технологии обработки

Параметры термической обработки прямо управляют степенью восстановления. Повышение температуры на 50°C обычно сокращает необходимое время отпуска в 5-10 раз из-за экспоненциальной зависимости диффузионной скорости от температуры.

Степень предварительной холодной обработки значительно влияет на отклик при отпускании. Материалы с деформацией более 60% содержат больше накопленной энергии и восстанавливаются быстрее, но могут испытывать нежелательную рекристаллизацию.

Скорость охлаждения после отпуска влияет на конечные свойства, особенно у сталей с высоким содержанием углерода или легирующих элементов. Быстрое охлаждение может вызвать остаточные напряжения или частичную трансформацию, а медленное — обеспечить более полное восстановление.

Атмосферные условия

Высокие температуры эксплуатации могут способствовать дополнительному восстановлению или старению, что может изменять свойства со временем. Особенно это важно для компонентов, работающих при температуре выше примерно 0,3 от абсолютной температуры плавления.

Коррозионные среды могут предпочитать атаковать восстановленные области из-за разницы в электрохимическом потенциале с полностью рекристаллизованными или сильно деформированными зонами.

Длительное воздействие при межпоследовательных слоях (особенно углерода и нитрогена) после процессного отпускания вызывает старение материалов, повышая предел текучести и снижая пластичность.

Методы повышения эффективности

Контролируемое атмосферное отпускание (с использованием азота, водорода или вакуума) предотвращает окисление поверхности и дегазацию, что сохраняет качество поверхности и однородность свойств по всему сечению.

Непрерывное отпускание с точным контролем температуры и быстрым нагревом позволяет оптимизировать восстановление и минимизировать нежелательную рекристаллизацию или рост зерен, повышая однородность свойств.

Выборочное отпускание конкретных зон изделия позволяет оптимизировать локальные свойства, создавая индивидуальные механические параметры. Такой подход все шире используют с применением индукционного или лазерного нагрева для точечного контроля.

Связанные термины и стандарты

Связанные термины

Отпускание для снижения остаточных напряжений — обработка при низких температурах (обычно 450-550°C), ориентированная в первую очередь на снятие напряжений без существенного смягчения или изменения микроструктуры.

Рекристаллизационный отпуск — полное обновление деформированной структуры зерен новыми, бездефектными зернами, обычно проводится при температурах выше A1, чем процессное отпускание.

Восстановление — начальный этап отпуска, при котором уменьшается плотность дислокаций и формируются субзеренды, без образования новых зерен; это основной микроструктурный механизм в процессном отпускании.

Эти термины образуют спектр тепловых обработок, с ростом температуры и преобразованием микроструктуры: отпуск для снятия напряжений → процессное отпускание → рекристаллизационный отпуск → полное отпускание.

Основные стандарты

ASTM A1011/A1011M — стандартная спецификация для листовой и полосовой стали горячекатаной, углеродистой, конструкционной, низколегированной, с улучшенной формуемостью и сверхпрочной, включает положения о процессном отпускании.

SAE J403 — химический состав углеродистых сталей SAE и связанные спецификации, влияют на параметры и реакцию процессного отпускания.

ISO 4885 — стандартная терминология для термической обработки железометаллических материалов, включая отпуска, обеспечивает единое понимание международного уровня.

Тенденции развития

Современные исследования сосредоточены на создании предиктивных моделей, объединяющих эволюцию микроструктуры с изменениями механических свойств при процессном отпускании, что позволяет создавать цифровых двойников для виртуальной оптимизации процессов.

Ведутся разработки технологий быстрого термического воздействия с использованием индукционного или инфракрасного нагрева для избирательного восстановления при минимальных энергозатратах.

В будущем предполагается использование методов in-situ мониторинга восстановления и рекристаллизации, таких как магнитное шумовое измерение или электрическое сопротивление, что даст возможность контроля в реальном времени и адаптивной настройки параметров тепловой обработки.