В металлургии и материаловедении отжиг — это термическая обработка , которая изменяет физические, а иногда и химические свойства материала, повышая его пластичность 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 для достижения требуемых свойств можно использовать дальнейшую термическую обработку . Зная состав и фазовую диаграмму , можно использовать термообработку 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]
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 цитата ]
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 цитата ]
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 законами диффузии Фика . [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]
Три стадии процесса отжига, которые происходят по мере повышения температуры материала: восстановление , рекристаллизация и рост зерна . Первый этап — восстановление , приводящий 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 — это рекристаллизация , при которой новые зерна без напряжений зарождаются и растут, заменяя те, которые деформировались внутренними напряжениями. [7] Если отжигу позволить продолжить после завершения рекристаллизации, то 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 ]
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.
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 цитата ]
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.
Нормализация — это процесс отжига, применяемый к ферросплавам 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, а затем 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.
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 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 получить равновесную микроструктуру. В большинстве случаев это означает, что материалу дают остыть в печи (печь выключают и сталь охлаждают внутри), но в некоторых случаях его охлаждают на воздухе. Скорость охлаждения стали должна быть достаточно медленной, чтобы аустенит не превратился в бейнит или мартенсит , а полностью превратился 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 более низкой прочностью на разрыв . 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.
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 можно использовать для эффективного отжига медной проволоки ; В системе отопления используется контролируемое электрическое короткое замыкание . Это может быть выгодно, поскольку не требует печи с регулируемой температурой , 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 ,
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.
