Сущность технологии высокотемпературной термомеханической обработки стали. Получаемая структура и механические свойства стали в сравнении с объемной закалкой, применение

Термомеханическая обработка металлов (ТМО) представляет собой совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения, производимых в определенной последовательности. В отличие от объемной закалки, ТМО сочетает термическую обработку с обработкой металлов давлением. Окончательная структура металла и его свойства формируются в условиях повышенной плотности, поэтому несовершенства строения, вызванные пластической деформацией, распределяются оптимальным образом.
Впервые сочетание пластической деформации с фазовыми превращениями стали было применено в начале ХХ века при производстве стальной проволоки.

Продукт обладал настолько высокими механическими свойствами (которых не удавалось достичь другими способами упрочняющей обработки), что этот метод получил дальнейшее развитие.
Вначале (1954 г., США) была применена низкотемпературная термомеханическая обработка машиностроительной стали. Высокотемпературная обработка (ВТМО) была разработана чуть позднее в СССР; она получила большее распространение, поскольку прекрасно подошла для улучшения механических свойств массовых сортов стали, находивших применение в машиностроении.

Температура, при которой производится деформация стали при ВТМО, лежит выше верхней критической точки полиморфного превращения. Тем же характеризуется и прокатный или ковочный нагрев. Однако при ВТМО развитие рекристаллизационных процессов подавляется, что создает особое структурное состояние. Благодаря этому сталь приобретает уникальное сочетание прочности, пластичности, вязкости и сопротивления хрупкому разрушению. Повышается ударная выносливость стали, снижается порог хладноломкости и практически ликвидируется опасная склонность к хрупкости при отпуске.

При ВТМО после завершения горячей деформации проводится немедленное и резкое охлаждение, и конечная структура упрочнённой стали сохраняет тонкое строение горячедеформированного аустенита. Структура динамической полигонизации аустенита наследуется низкотемпературными фазами – мартенситом, бейнитом или ферритом.

Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей. Последующий отпуск при температуре 100…200oС проводится для сохранения высоких значений прочности (см. рис. 1).

Субзерна феррита в термически упрочненном фасонном прокате видны на левом снимке рис. 2, выполненном с помощью электронного микроскопа. Микроструктура листового термически упрочненного проката показана на центральном снимке у поверхности, на правом снимке рис. 2 – в середине листа (по толщине).

По сравнению с объемной закалкой, ВТМО существенно повышает прочность стали при сохранении пластичности. Например, для обычной углеродистой стали ВСт3сп предел прочности повышается до уровня 530 МПа (с уровня 350 МПа). При этом сопротивление хрупкому разрушению (ударная вязкость KCU при -70°С) очень высокое — 150 Дж/см. По сравнению с закалкой с низким отпуском оно выше в 1,5 – 2 раза. Соответственно меняется и твердость, определённая по методу Виккерса. Поверхностные слои имеют твёрдость до 300 HV, тогда как твёрдость центрального слоя составляет около 150 HV.

Рис. 1. График высокотемпературной термомеханической обработки стали

Рис. 2. Микроструктура стали при ВТМО