§ 5. Отжиг и нормализация металлов

При различной механической обработке в металлах и сплавах возникают внутренние напряжения. В одних частях металлы при производстве из них изделий претерпевают сжатие, в других растяжение, изгибы, смятие и т. п. В результате всех этих деформаций в металлах возникают процессы, относящиеся к области их кристаллического строения,- перемещение атомов внутри кристаллов и даже перескок атомов с одного кристалла на другой.

Для того чтобы восстановить структуру, уменьшить искажение в кристаллических решетках, придать ей вновь устойчивое равновесное состояние, одинаковое для всего изделия, применяют отжиг - нагрев изделия до определенной температуры и медленное охлаждение.

Как известно, подвижность атомов, скорость их движения зависят от температуры. Поэтому при нагреве металла ускоряется движение атомов и облегчается обратный перескок их с кристалла на кристалл. Из обломков деформированных зерен возникают новые зерна с неискаженной кристаллической решеткой, образуется новая равномерная структура. Этот процесс называется рекристаллизацией.

Для каждого металла или сплава начало образования и роста новых зерен, т. е. начало процесса рекристаллизации, связано с определенной температурой, которая называется температурой начала рекристаллизации.

Академик А. А. Бочвар установил зависимость между температурой плавления чистых металлов и температурой начала рекристаллизации. Он определил, что величина температуры рекристаллизации приблизительно составляет ¹/₄ от величины температуры плавления (взятой по абсолютной шкале)^*.

^* (Абсолютная шкала имеет градус, равный градусу Цельсия, а за точку "нуль" условно принята точка -273°С.)

Ниже приведены температуры начала рекристаллизации для некоторых металлов, °С:

Из практики известно, что легкоплавкие металлы - олово, свинец, цинк - не подвержены наклепу - при механических обработках они не гартуются. Это объясняется тем, что для их рекристаллизации вполне достаточно комнатной температуры.

Приведенные здесь величины температур относятся к началу рекристаллизации, и при этих температурах процесс протекает очень медленно. Обычно для отжига металлов температуры берут выше. Увеличение температур отжига в небольших пределах оказывает положительное действие на процесс рекристаллизации - он ускоряется, создается равномерная структура, выравнивается состав, снимаются внутренние напряжения и т. п. Однако при значительном увеличении температуры наблюдаются вредные явления - перегрев, а при дальнейшем нагревании - пережог.

Перегрев вызывает сильный рост зерен и снижает механические свойства металлов. Структуру перегретого изделия можно исправить путем деформации (механической обработки) с последующим отжигом.

Пережог вызывает окисление и оплавление границ зерен, резкое падение крепости и пластичности. Иногда изделие совершенно рассыпается. Структура металла при пережоге не поддается исправлению, и изделие подлежит переплавке.

Отжиг производится обычно в различных печах или на кузнечном горне. Изделие постепенно нагревают, а затем также постепенно и равномерно охлаждают. Часто в производственных условиях остывание происходит вместе с остыванием печи, в которой изделия нагревались. Иногда остывание проводят в сухом нагретом песке или золе. При производстве художественных изделий отжиг применяется очень часто при штамповке, дифовке, чеканке из листа и других видах обработки.

Нормализация - вид термической обработки, применяемой главным образом для стальных изделий. Изделия нагревают и затем охлаждают на спокойном воздухе. В зависимости от количества углерода, содержащегося в стали, нормализация вызывает различные изменения ее свойств. Для малоуглеродистых сталей нормализация заменяет отжиг, так как при этом структура получается примерно такой же, как и после отжига, но процесс протекает значительно быстрее и поэтому он более экономичен.

Для средне- и высокоуглеродистых сталей нормализация приводит к противоположным результатам по сравнению с отжигом - твердость и прочность при нормализации возрастают. Поэтому нормализация для средне- и высокоуглеродистых сталей может заменять закалку. Нормализация легированных сталей приводит к повышению твердости и является по существу закалкой.