Отжиг (материаловедение)

В металлургии и материаловедении пластичность отжиг — это термическая обработка , которая изменяет физические, а иногда и химические свойства материала, повышая его и уменьшая твердость , делая его более работоспособным. Он включает нагрев материала выше температуры его рекристаллизации , поддержание подходящей температуры в течение соответствующего периода времени, а затем охлаждение.

При отжиге атомы мигрируют в кристаллической решетке и число дислокаций уменьшается, что приводит к изменению пластичности и твердости. По мере охлаждения материал рекристаллизуется. Для многих сплавов, включая углеродистую сталь, размер кристаллического зерна и фазовый состав, которые в конечном итоге определяют свойства материала, зависят от скорости нагрева и скорости охлаждения. Горячая обработка или холодная обработка после процесса отжига изменяют структуру металла, поэтому дальнейшую термическую обработку для достижения требуемых свойств можно использовать . Зная состав и фазовую диаграмму , термообработку можно использовать для перехода от более твердого и хрупкого к более мягкому и пластичному.

В случае черных металлов , таких как сталь , отжиг осуществляется путем нагревания материала (обычно до свечения) в течение некоторого времени, а затем медленного охлаждения до комнатной температуры на неподвижном воздухе. Медь , серебро и латунь можно охлаждать либо медленно на воздухе, либо быстро закалкой в воде. ^[1] Таким образом, металл размягчается и подготавливается к дальнейшей работе, такой как формование, штамповка или формовка.

Во многих других материалах, включая стекло и пластиковые пленки , для улучшения конечных свойств используется отжиг. ^[2]^[3]

Термодинамика

Отжиг происходит путем диффузии атомов внутри твердого материала, в результате чего материал приближается к равновесному состоянию. Тепло увеличивает скорость диффузии, предоставляя энергию, необходимую для разрыва связей. Движение атомов приводит к перераспределению и уничтожению дислокаций в металлах и (в меньшей степени) в керамике. Это изменение существующих дислокаций позволяет металлическому объекту легче деформироваться, увеличивая его пластичность. ^[4]

Количество свободной энергии Гиббса , инициирующей процесс , в деформируемом металле также уменьшается в процессе отжига. На практике и в промышленности такое уменьшение свободной энергии Гиббса называется снятием стресса . ^{[ нужна ссылка ]}

Снятие внутренних напряжений — термодинамически самопроизвольный процесс ; однако при комнатной температуре это очень медленный процесс. Высокие температуры, при которых происходит отжиг, способствуют ускорению этого процесса. ^{[ нужна ссылка ]}

Реакция, способствующая возвращению наклепанного металла в свободное от напряжений состояние, имеет множество путей, в основном связанных с устранением градиентов вакансий решетки внутри тела металла. Создание вакансий в решетке регулируется уравнением Аррениуса , а миграция/диффузия вакансий в решетке регулируется Фика . законами диффузии ^[5]

В стали существует механизм обезуглероживания, который можно описать как три отдельных события: реакция на поверхности стали, межузельная диффузия атомов углерода и растворение карбидов внутри стали. ^[6]

Этапы

Три стадии процесса отжига, которые происходят по мере повышения температуры материала: восстановление , рекристаллизация и рост зерна . Первый этап — восстановление , который приводит к размягчению металла за счет удаления преимущественно линейных дефектов, называемых дислокациями , и вызываемых ими внутренних напряжений. Восстановление происходит на низкотемпературной стадии всех процессов отжига и до появления новых недеформированных зерен. Размер и форма зерен не изменяются. ^[7] Вторая стадия — рекристаллизация и растут новые зерна без напряжений , при которой зарождаются , замещающие деформированные внутренними напряжениями. ^[7] Если отжиг продолжить после завершения рекристаллизации, происходит рост зерна (третья стадия). По мере роста зерен микроструктура начинает грубеть, что может привести к потере металлом значительной части своей первоначальной прочности. Однако это можно восстановить с помощью закалки . ^[8]^{[ нужна ссылка ]}

Контролируемая атмосфера

Высокая температура отжига может привести к окислению поверхности металла и образованию окалины. Если необходимо избежать образования накипи, отжиг проводится в специальной атмосфере , например, с использованием эндотермического газа (смесь окиси углерода , газообразного водорода и газообразного азота ). Отжиг также проводится в формирующем газе — смеси водорода и азота.

Магнитные ( свойства мю-металла сердечники Эспея) придаются путем отжига сплава в атмосфере водорода.

Настройка и оборудование

Обычно для процесса отжига используются большие печи. Внутренняя часть духовки достаточно велика, чтобы разместить заготовку в таком положении, чтобы получить максимальный доступ к циркулирующему нагретому воздуху. Для технологического отжига в больших объемах часто используются газовые конвейерные печи. Для больших заготовок или деталей большого количества используются печи с выдвижным подом, поэтому рабочие могут легко перемещать детали внутрь и наружу. После успешного завершения процесса отжига заготовки иногда оставляют в печи, чтобы детали охлаждались контролируемым образом. В то время как некоторые заготовки оставляются в печи для контролируемого охлаждения, другие материалы и сплавы удаляются из печи. После извлечения из печи заготовки часто быстро охлаждаются в процессе, известном как закалка. Типичные методы закалки материалов включают в себя такие среды, как воздух, вода, масло или соль. Соль используется в качестве среды для тушения обычно в виде рассола (соленой воды). Рассол обеспечивает более высокую скорость охлаждения, чем вода. Это связано с тем, что при закалке объекта в воде на поверхности объекта образуются пузырьки пара, уменьшающие площадь поверхности, с которой контактирует вода. Соль в рассоле уменьшает образование пузырьков пара на поверхности объекта, а это означает, что площадь поверхности объекта, контактирующая с водой, увеличивается, что способствует лучшей передаче тепла от объекта к окружающей воде. Закалочная закалка обычно применима к некоторым сплавам железа, но не к медным сплавам. ^{[ нужна ссылка ]}

Диффузионный отжиг полупроводников.

В полупроводниковой промышленности кремниевые пластины отжигаются для устранения беспорядка на атомном уровне в результате таких операций, как ионная имплантация . На этапе процесса атомы легирующей примеси , обычно бора , фосфора или мышьяка , перемещаются в позиции замещения в кристаллической решетке, что позволяет этим атомам примеси правильно функционировать в качестве легирующих примесей в полупроводниковом материале.

Специализированные циклы

Нормализация

Нормализация — это процесс отжига, применяемый к сплавам черных металлов с целью придания материалу однородной мелкозернистой структуры и предотвращения избыточного размягчения стали. Он включает в себя нагрев стали до температуры на 20–50 °C выше ее верхней критической точки, выдержку на короткое время при этой температуре и последующее охлаждение на воздухе. Нагрев стали чуть выше ее верхней критической точки создает аустенитные зерна (намного меньшие, чем предыдущие ферритные зерна), которые во время охлаждения образуют новые ферритные зерна с более мелким размером зерна. В результате этого процесса получается более прочный и пластичный материал, а также устраняются столбчатые зерна и дендритная сегрегация, которые иногда возникают во время литья. Нормализация улучшает обрабатываемость детали и обеспечивает стабильность размеров при дальнейшей термообработке.

Процесс отжига

Технологический отжиг, также называемый промежуточным отжигом , подкритическим отжигом или внутрипроцессным отжигом , представляет собой цикл термообработки, который восстанавливает часть пластичности изделия, подвергаемого холодной обработке, чтобы его можно было подвергать дальнейшей холодной обработке без разрушения.

Диапазон температур технологического отжига составляет от 260 °C (500 °F) до 760 °C (1400 °F), в зависимости от рассматриваемого сплава. Этот процесс в основном подходит для низкоуглеродистой стали. Материал нагревается до температуры чуть ниже нижней критической температуры стали. Холоднодеформированная сталь обычно имеет повышенную твердость и пониженную пластичность, что затрудняет обработку. Процесс отжига имеет тенденцию улучшать эти характеристики. В основном это осуществляется с холоднокатаной сталью, такой как тянутая сталь, трубы из ковкого чугуна, отлитые центробежным способом и т. д.

Полный отжиг

Полный отжиг обычно приводит к получению второго по пластичности состояния, которое металл может принять среди металлических сплавов. Его цель состоит в том, чтобы создать однородную и стабильную микроструктуру, которая наиболее близко напоминает равновесную микроструктуру фазовой диаграммы металла, что позволяет металлу достичь относительно низких уровней твердости, предела текучести и предела прочности при высокой пластичности и ударной вязкости. Например, чтобы выполнить полный отжиг стали, сталь нагревают до температуры, немного превышающей аустенитную температуру, и выдерживают в течение достаточного времени, чтобы позволить материалу полностью сформировать аустенитную или аустенитно-цементитную зернистую структуру. Затем материалу дают очень медленно остыть, чтобы равновесную получить микроструктуру. В большинстве случаев это означает, что материалу дают остыть в печи (печь выключают, а сталь оставляют охлаждаться внутри), но в некоторых случаях его охлаждают на воздухе. Скорость охлаждения стали должна быть достаточно медленной, чтобы не допустить превращения аустенита в бейнит или мартенсит. , а скорее полностью превратиться в перлит и феррит или цементит . Это означает, что стали, которые хорошо прокаливаются (т.е. имеют тенденцию образовывать мартенсит при умеренно низких скоростях охлаждения), должны охлаждаться в печи. Детали процесса зависят от типа металла и используемого сплава. В любом случае в результате получается более пластичный материал, но с более низким пределом текучести и меньшим пределом прочности . Этот процесс также называется отжигом LP для пластинчатого перлита в сталелитейной промышленности в отличие от технологического отжига , который не определяет микроструктуру и имеет только цель размягчить материал. Часто материал, подлежащий механической обработке, отжигают, а затем подвергают дальнейшей термообработке для достижения окончательных желаемых свойств.

Короткий цикл отжига

Отжиг с коротким циклом используется для превращения обычного феррита в ковкий феррит. Он состоит из нагревания, охлаждения и повторного нагревания в течение от 4 до 8 часов.

Резистивный нагрев

Резистивный нагрев можно использовать для эффективного отжига медной проволоки ; В системе отопления используется контролируемое электрическое короткое замыкание . Это может быть выгодно, поскольку не требует температурой с регулируемой печи , как другие методы отжига.

Процесс состоит из двух проводящих шкивов ( ступенчатых шкивов ), через которые проходит проволока после ее вытягивания. На двух шкивах имеется электрический потенциал , из-за чего в проводе образуется короткое замыкание. Эффект Джоуля приводит к повышению температуры проволоки примерно до 400 °C. На эту температуру влияют скорость вращения шкивов, температура окружающей среды и приложенное напряжение. Где t — температура проволоки, K — константа, V — приложенное напряжение , r — количество оборотов шкивов в минуту, а t _a — температура окружающей среды ,

t={\frac {1}{r}}KV^{2}+t_{a}

Константа К зависит от диаметра шкивов и удельного сопротивления меди.

Чисто с точки зрения температуры медной проволоки увеличение скорости ее прохождения через систему шкивов имеет тот же эффект, что и уменьшение сопротивления.

См. также

Ссылки

^ "Серебро" . Архивировано из оригинала 24 июля 2010 г. Проверено 19 апреля 2010 г.
^ Феррер-Балас, Д. (2001). «Влияние отжига на микроструктурные, растягивающие и разрушающие свойства полипропиленовых пленок» . Полимер . 42 (4): 1697–1705. дои : 10.1016/S0032-3861(00)00487-0 . Проверено 18 мая 2023 г.
^ Сритхеп, Ю. (2012). «Влияние времени и температуры отжига на кристалличность и термостойкость полимолочной кислоты, полученной литьем под давлением» (PDF) . Полимерная инженерия и наука . 53 (3) . Проверено 18 мая 2023 г.
^ Ву, Хао (август 2020 г.). «Обзор адаптации делокализации деформации для синергии прочности и пластичности» . Прогресс в материаловедении . 113 : 100675. doi : 10.1016/j.pmatsci.2020.100675 .
^ Ван Влак, Л.Х. (1985). Элементы материаловедения и инженерии . Аддисон-Уэсли. п. 134.
^ Альваренга, HD; Ван де Путте, Т.; Ван Стинберг, Н.; Ситсма, Дж.; Террин, Х. (апрель 2009 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания сталей C-Mn» . Металл Матер Транс А. 46 : 123–133. дои : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Верховен, Дж. Д. «Основы физической металлургии» , Уайли, Нью-Йорк, 1975, с. 326
^ Хамфрис, Ф.Дж.; Прангнелл, ПБ; Боуэн, младший; Голиния, А.; Харрис, К.; Хатчинсон, Б.; Браун, LM; Стоуэлл, MJ; Севильяно, Дж. Хиль; Уизерс, Пи Джей (1999). «Разработка стабильных мелкозернистых микроструктур путем большой деформации [и обсуждение]» . Философские труды: математические, физические и технические науки . 357 (1756): 1663–1681. ISSN 1364-503X . JSTOR 55206 .

Дальнейшее чтение

Кандидатская диссертация по специальности «Производство кабелей и испытания кабелей общего назначения и энергетики» . Хорхе Луис Педрас (1994), UNI, Files, Перу.
«Динамический отжиг медной проволоки с использованием контролируемого короткого замыкания». Хорхе Луис Педрас (1999), Перу: Лима, CONIMERA 1999, INTERCON 99,

Внешние ссылки

Отжиг – эфунда – основы техники
Отжиг – алюминий и авиационные металлические сплавы

[1] "Серебро" . Архивировано из оригинала 24 июля 2010 г. Проверено 19 апреля 2010 г.

[2] Феррер-Балас, Д. (2001). «Влияние отжига на микроструктурные, растягивающие и разрушающие свойства полипропиленовых пленок» . Полимер . 42 (4): 1697–1705. дои : 10.1016/S0032-3861(00)00487-0 . Проверено 18 мая 2023 г.

[3] Сритхеп, Ю. (2012). «Влияние времени и температуры отжига на кристалличность и термостойкость полимолочной кислоты, полученной литьем под давлением» (PDF) . Полимерная инженерия и наука . 53 (3) . Проверено 18 мая 2023 г.

[4] Ву, Хао (август 2020 г.). «Обзор адаптации делокализации деформации для синергии прочности и пластичности» . Прогресс в материаловедении . 113 : 100675. doi : 10.1016/j.pmatsci.2020.100675 .

[5] Ван Влак, Л.Х. (1985). Элементы материаловедения и инженерии . Аддисон-Уэсли. п. 134.

[Alvarenga-6] Альваренга, HD; Ван де Путте, Т.; Ван Стинберг, Н.; Ситсма, Дж.; Террин, Х. (апрель 2009 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания сталей C-Mn» . Металл Матер Транс А. 46 : 123–133. дои : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 .

[Verhoeven-7] Перейти обратно: ^а ^б Верховен, Дж. Д. «Основы физической металлургии» , Уайли, Нью-Йорк, 1975, с. 326

[8] Хамфрис, Ф.Дж.; Прангнелл, ПБ; Боуэн, младший; Голиния, А.; Харрис, К.; Хатчинсон, Б.; Браун, LM; Стоуэлл, MJ; Севильяно, Дж. Хиль; Уизерс, Пи Джей (1999). «Разработка стабильных мелкозернистых микроструктур путем большой деформации [и обсуждение]» . Философские труды: математические, физические и технические науки . 357 (1756): 1663–1681. ISSN 1364-503X . JSTOR 55206 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]