Отжиг (металлургия) - Annealing (metallurgy)

В металлургия и материаловедение, отжиг это термическая обработка который изменяет физические, а иногда и химические свойства материала, чтобы увеличить его пластичность и уменьшить его твердость, делая его более работоспособным. Он заключается в нагревании материала над его перекристаллизация температуру, поддерживая подходящую температуру в течение соответствующего времени, а затем охлаждая.

При отжиге атомы мигрируют в кристаллической решетке, и количество дислокаций уменьшается, что приводит к изменению пластичности и твердости. По мере охлаждения материал перекристаллизовывается. Для многих сплавов, включая углеродистую сталь, размер кристаллического зерна и фазовый состав, которые в конечном итоге определяют свойства материала, зависят от скорости нагрева и охлаждения. Горячая обработка или холодная обработка после процесса отжига изменяют структуру металла, поэтому в дальнейшем термообработка может использоваться для достижения требуемых свойств. Со знанием состава и фазовая диаграмма, термическая обработка может использоваться для перехода от более твердого и хрупкого к более мягкому и пластичному.

В случае черные металлы, Такие как стали отжиг выполняется путем нагревания материала (обычно до раскаления) на некоторое время, а затем медленного охлаждения до комнатной температуры на неподвижном воздухе. Медь, серебро и латунь может охлаждаться либо медленно на воздухе, либо быстро с помощью закалка в воде.^[1] Таким образом металл размягчается и подготавливается для дальнейшей работы, такой как формовка, штамповка или формовка.

Термодинамика

Отжиг происходит распространение атомов в твердом материале, так что материал продвигается к своему равновесному состоянию. Тепло увеличивает скорость диффузии, обеспечивая энергию, необходимую для разрыва связей. Движение атомов приводит к перераспределению и уничтожению вывихи в металлах и (в меньшей степени) в керамике. Это изменение существующих дислокаций позволяет металлическому объекту легче деформироваться, повышая его пластичность.^{[нужна цитата ]}

Количество инициирующих процесс Свободная энергия Гиббса в деформированном металле также уменьшается в процессе отжига. На практике и в промышленности это уменьшение свободной энергии Гиббса называется снятие стресса.^{[нужна цитата ]}

Снятие внутренних напряжений - термодинамически самопроизвольный процесс; однако при комнатной температуре это очень медленный процесс. Высокие температуры, при которых происходит отжиг, ускоряют этот процесс.^{[нужна цитата ]}

Реакция, которая способствует возврату обработанного методом холодной обработки металла в его свободное от напряжений состояние, имеет много путей, в основном связанных с устранением градиентов вакансий в решетке внутри тела металла. Создание вакансий в решетке регулируется Уравнение Аррениуса, а перемещение / диффузия вакансий решетки определяется Законы Фика диффузии.^[2]

В стали существует механизм обезуглероживания, который можно описать как три различных события: реакция на поверхности стали, межузельная диффузия атомов углерода и растворение карбидов в стали.^[3]

Этапы

При повышении температуры материала происходит три стадии процесса отжига: восстановление, рекристаллизация и рост зерен. Первый этап - это восстановление, что приводит к разупрочнению металла за счет удаления преимущественно линейных дефектов, называемых вывихи и вызываемые ими внутренние напряжения. Восстановление происходит на более низкотемпературной стадии всех процессов отжига и до появления новых бездеформационных зерен. Размер и форма зерен не меняются.^[4] Второй этап - это перекристаллизация, где новые бездеформационные зерна зародыш и растут, чтобы заменить деформированные внутренними напряжениями.^[4] Если отжиг может продолжиться после завершения рекристаллизации, тогда рост зерна (третий этап) происходит. При росте зерна микроструктура начинает укрупняться, что может привести к потере металла значительной части своей первоначальной прочности. Однако это можно восстановить с помощью закалка.^{[нужна цитата ]}

Контролируемая атмосфера

Высокая температура отжига может привести к окислению поверхности металла, что приведет к образованию накипи. Если необходимо избегать накипи, отжиг проводится в специальной атмосфера, например, с эндотермический газ (смесь монооксид углерода, водородный газ, и газообразный азот ). Отжиг также проводится в формовочный газ, смесь водорода и азота.

В магнитный свойства мю-металл (Сердечники Espey) вводятся 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 она могла подвергаться максимальному воздействию циркулирующего нагретого воздуха. Для отжига в больших объемах часто используются газовые конвейерные печи. Для больших заготовок или большого количества деталей используются печи с вагонным подом, поэтому рабочие могут легко перемещать детали внутрь и наружу. После успешного завершения процесса отжига заготовки иногда оставляют в печи, чтобы они охлаждались контролируемым образом. В то время как некоторые заготовки оставляют в духовке для контролируемого охлаждения, другие материалы и сплавы удаляются из печи. После извлечения из печи заготовки часто быстро охлаждаются в процессе, известном как закалочная закалка. Типичные методы закалочного твердения материалов включают такие среды, как воздух, вода, масло или соль. Соль используется в качестве среды для закалки, обычно в виде рассола (соленой воды). Рассол обеспечивает более высокую скорость охлаждения, чем вода. Это связано с тем, что, когда объект охлаждается в водяной пар, на поверхности объекта образуются пузырьки, уменьшающие площадь поверхности, с которой контактирует вода. Соль в рассоле уменьшает образование пузырьков пара на поверхности объекта, что означает большую площадь поверхности объекта, контактирующего с водой, что обеспечивает более высокую скорость охлаждения.^{[нужна цитата ]} Закалочное упрочнение обычно применимо к некоторым черным сплавам, но не к медным сплавам.^{[нужна цитата ]}

Диффузионный отжиг полупроводников

в полупроводник промышленность, кремний вафли отжигаются, так что присадка атомы, обычно бор, фосфор или же мышьяк, могут диффундировать в позиции замещения в кристаллической решетке, что приводит к резким изменениям электрические свойства полупроводникового материала.

Специализированные циклы

Нормализация

Нормализация это процесс отжига, применяемый к железным сплавам, чтобы придать материалу однородную мелкозернистую структуру и избежать чрезмерного размягчения стали. Он заключается в нагреве стали до температуры на 20–50 ° C выше ее верхней критической точки, ее выдержке на короткое время при этой температуре и затем ее охлаждении на воздухе. При нагревании стали чуть выше ее верхней критической точки образуются аустенитные зерна (намного меньшие, чем предыдущие ферритные зерна), которые во время охлаждения образуют новые ферритные зерна с еще более мелким размером зерна. В результате получается более жесткий и пластичный материал, а также устраняются столбчатые зерна и дендритная сегрегация, которая иногда возникает во время литья. Нормализация улучшается обрабатываемость детали и обеспечивает стабильность размеров при дальнейшей термообработке.

Процесс отжига

Процесс отжига, также называемый промежуточный отжиг, докритический отжиг, или же отжиг в процессе, представляет собой цикл термообработки, который восстанавливает некоторую пластичность изделия, подвергающегося холодной обработке, поэтому его можно подвергать дальнейшей холодной обработке без разрушения.

Диапазон температур для 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 работу. Эти характеристики улучшаются при технологическом отжиге. Это в основном выполняется для холоднокатаной стали, такой как проволочная проволока, трубы из высокопрочного чугуна и т. Д.

Полный отжиг

Полный диапазон температур отжига

Полный отжиг обычно приводит ко второму наиболее пластичному состоянию, которое металл может принять для металлического сплава. Его цель - создать однородную и стабильную микроструктуру, которая наиболее близко напоминает микроструктуру равновесия на фазовой диаграмме металла, что позволяет металлу достигать относительно низких уровней твердости, предела текучести и предела прочности при высокой пластичности и вязкости. Например, чтобы выполнить полный отжиг стали, сталь нагревают до температуры, немного превышающей аустенитную, и выдерживают в течение достаточного времени, чтобы материал полностью сформировался. аустенит или зернистая структура аустенит-цементита. Затем материалу дают очень медленно остыть, чтобы равновесие микроструктура. В большинстве случаев это означает, что материалу дают остыть в печи (печь выключают, а стали дают остыть внутри), но в некоторых случаях охлаждают воздухом. Скорость охлаждения стали должна быть достаточно низкой, чтобы не допустить аустенит превратиться в бейнит или же мартенсит, а лучше полностью преобразовать его в перлит и феррит или же цементит. Это означает, что стали очень закаливаемый (т.е. имеют тенденцию к образованию мартенсита при умеренно низких скоростях охлаждения) необходимо охлаждать в печи. Детали процесса зависят от типа металла и конкретного сплава. В любом случае в результате получается более пластичный материал, но более низкая предел текучести и более низкий предел прочности. Этот процесс также называется LP-отжигом. пластинчатый перлит в сталелитейной промышленности в отличие от процесс отжига, который не определяет микроструктуру и предназначен только для смягчения материала. Часто обрабатываемый материал отжигается, а затем подвергается дополнительной термообработке для достижения конечных желаемых свойств.

Короткий цикл отжига

Короткий цикл отжига используется для превращения нормального феррита в ковкий феррит. Он состоит из нагрева, охлаждения и затем повторного нагрева от 4 до 8 часов.

Резистивный нагрев

Резистивный нагрев можно использовать для эффективного отжига медная проволока; в системе отопления используется управляемая электрическая короткое замыкание. Это может быть выгодно, потому что не требует температура -регулируемый печь как и другие методы отжига.

Процесс состоит из двух токопроводящих шкивы (ступенчатые шкивы), через которую проходит проволока после протяжки. Два шкива имеют электрический потенциал поперек них, что приводит к короткому замыканию провода. В Эффект Джоуля вызывает повышение температуры проволоки примерно до 400 ° C. Эта температура зависит от скорости вращения шкивов, температуры окружающей среды и приложенного напряжения. Где т температура проволоки, K константа, V это Напряжение применяемый, р число оборотов шкивов в минуту, и т_а это температура окружающей среды,

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

.

Постоянная K зависит от диаметра шкивов и удельного сопротивления меди.

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

Смотрите также

дальнейшее чтение

Дипломная работа, Производство кабелей и испытания общего пользования и энергии. 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,

внешняя ссылка

Отжиг - efunda - инженерные основы
Отжиг - Алюминий и авиационные металлические сплавы

[1] «Архивная копия». Архивировано из оригинал on 2010-07-24. Получено 2010-04-19.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)

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

[Alvarenga-3] Alvarenga, H.D .; Van de Putte, T .; Van Steenberge, N .; Sietsma, J .; Террин, Х. (апрель 2009 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания C-Mn сталей». Металл Матер Транс А. Дои:10.1007 / s11661-014-2600-у.

[Verhoeven-4] а ^б Верховен, Дж. Основы физического металлургии, Wiley, New York, 1975, с. 326

[1]

[2]

[3]

[4]