Термическая обработка

Термическая обработка может быть предварительной или окончательной.

Предварительную термообработку применяют для подготовки структуры и свойств материала к последующим технологическим операциям (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием). При окончательной термообработке формируются свойства готового изделия.

Термическую обработку применяют на стадии производства различных материалов и изделий, а также для снятия напряжения в них. Основные виды термообработки: отжиг (1-го и 2-го рода) и закалка без полиморфного превращения и с полиморфным превращением. Термическая обработка является основным способом воздействия на свойства металлов и сплавов. Специальные процессы термообработки, такие как возврат, рекристаллизация, полигонизация, старение, отпуск, нормализация, патентирование разработаны и подробно изучены по отношению к металлам и сплавам.

Если сплав однофазен и не испытывает в твердом состоянии никаких фазовых превращений, то возможные отклонения от равновесия в таких сплавах могут быть связаны с химической неоднородностью твердого раствора или с наличием структурных дефектов, созданных пластической деформацией. Приближение к равновесию в таких случаях реализуется чаще всего за счет диффузионных процессов и достигается с помощью операций отжига I рода, под которым понимают относительно продолжительный высокотемпературный нагрев с последующим, как правило, медленным охлаждением.

Наличие фазовых превращений в сплаве значительно расширяет возможности термической обработки. Отжиг II рода — отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении — проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии. Отжиг II рода проводят с целью получения более равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Чтобы зафиксировать высокотемпературное фазовое или метастабильное фазовое состояние, промежуточное между высоко- и низкотемпературным, применяют быстрое охлаждение от высоких температур. Такая операция называется закалкой. Закалка проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).

Низкотемпературный нагрев после закалки (старение или отпуск) приближает систему к равновесному состоянию. Благодаря малой диффузионной подвижности атомов при низких температурах процесс легко остановить на промежуточных стадиях, отличающихся разной степенью приближения к равновесию, а следовательно, и свойствами. Отпуск проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей.

Термическая обработка используется как способ воздействия на состав точечных дефектов и структурное совершенство в кристаллах полупроводников и твердых растворах на их основе как с целью изучения свойств материала, так и с целью поиска пути управления ими. Понимание механизмов дефектообразования в кристаллах полупроводников при термообработке очень важно, так как кристаллы полупроводников подвергаются термообработкам в процессе изготовления приборов. При этом, как ансамбль собственных точечных дефектов, так и микродефекты могут претерпевать различные превращения, что в дальнейшем может негативно повлиять на характеристики приборов. При термообработке кристаллов может происходить распад пересыщенного твердого раствора как примесей, так и собственных точечных дефектов, если их концентрация превышает растворимость при температуре термообработки. Может происходить развитие ростовых и образование новых микродефектов или их растворение в результате ухода точечных дефектов или примесей, образующих микродефект, на поверхность кристалла. В результате таких процессов происходит не только структурное превращение в матрице кристалла, но существенным образом изменяются его электрофизические свойства: могут измениться концентрация и подвижность носителей заряда, тип проводимости (термоконверсия), оптические и люминесцентные свойства полупроводников.

Термическая обработка материалов подразделяется на собственно термическую, заключающуюся только в тепловом воздействии на металл, химико-термическую, сочетающую тепловое и химическое воздействия, и термомеханическую, сочетающую тепловое воздействие и пластическую Разновидности термической обработки — обработка стали холодом, электротермическая обработка.