Термическая обработка – тепловое воздействие на металл, при котором происходит изменение строения, фазового или напряженного состояния, уровня свободной энергии, величины микро- и макронапряжений (рис. 30).
Для различных по составу сталей воздействие источника сварочного тепла на зоны сварного соединения будет различным. В соответствии с этим различны задачи последующей термической обработки сварных соединений.
Закалка аустенитных сталей – нагрев до Т = 1050...1200 °С с последующим охлаждением на воздухе, в масле или воде. При такой обработке в аустените растворяются карбиды и сталь становится гомогенной, однородной, чисто аустенитной. Такую обработку называют аустенизацией.
Закалка конструкционных сталей – нагрев до температуры на 50...100 °С выше Ас3 (завершение перехода ), небольшая выдержка и охлаждение со скоростью более критической в воде, масле или на воздухе. Основной фазой при этом должен стать мартенсит. Закалка является промежуточной операцией термической обработки.
Высокий отпуск закаленных сталей – нагрев до температуры несколько ниже Ас1 (550...650 °С), длительной выдержки и последующего медленного охлаждения. При этом происходит распад мартенсита с образованием мелкой ферритно-цементитной смеси – сорбита, понижение прочности и повышение пластичности и ударной вязкости, а также снижение остаточных напряжений.
Старение – нагрев до Т = 300...650 °С и длительная выдержка с последующим медленным охлаждением. При этом происходит выделение мелкодисперсных упрочняющих фаз, повышается прочность, а вязкость и пластичность понижаются.
Но если выделение дисперсной фазы происходит из вязкой матрицы, то операция старения позволяет повысить и вязкость за счет свойств матрицы. Применяется для аустенитных и высоколегированных мартенситно-стареющих сталей С, V, Ti, Nb, Mo, А1, которые образуют карбиды, интерметаллиды и карбидонитриды.
Нормализация – нагрев до температур на 100...150 °С выше Ас3, непродолжительная выдержка и охлаждение на спокойном воздухе. При этом обеспечиваются перекристаллизация и изменение зерна в перегретой стали, однородность, гомогенность состава и размеров зерна, улучшаются механические свойства, снижается уровень остаточных напряжений.
Отпуск в зависимости от температурного интервала может быть низким (при 120...250 °С), средним (при 350...450 °C) и высоким (при 500...650 °С). Низкий и средний отпуски не преследуют цели изменения фазового состава или структуры стали, а применяются для снижения микро- или макронапряжений в обрабатываемом изделии.
Отпуск увеличивает подвижность атомов, способствует переходу системы в более равновесное и однородное состояние. Отпуск, даже низкий, способствует началу распада мартенсита, уменьшению искажений решетки и снижению микронапряжений.
Для сталей, закаленных на мартенсит, снижение уровня микронапряжений начинается с температуры 150 °С и завершается после выделения углерода из решетки –железа и начала коагуляции образовавшихся карбидов (350...450 °С).
Другим фактором, создающим микронапряжения, является наклеп. Снять эти напряжения можно при нагреве на 150...200 °С. Процесс этот называют возвратом (возврат к неискаженной кристаллической решетке).
Возникновение макронапряжений связано с неравномерностью нагрева сварного соединения, с термодеформационным циклом сварки, а также с изменением объема, сопровождающим структурные изменения в стали. Все это приводит к образованию временных или остаточных напряжений.
Остаточные напряжения могут быть снижены технологическими (изменение погонной энергии при сварке, правильная последовательность наложения швов и др.) и термическими способами (предварительный или сопутствующий подогрев, высокий отпуск).
Подогрев уменьшает градиент температур между зонами сварного соединения и разницу объемных изменений в металле, обеспечивает распад аустенита при более высокой температуре с образованием более равновесных структур.
Отжиг – нагрев выше Ас1, длительная выдержка и медленное охлаждение (50...100 °С/ч). При этом обеспечиваются гомогенизация состава стали, минимальный уровень остаточных напряжений, низкая твердость и прочность стали. Однако наблюдается существенное укрупнение зерен феррита.