Термическая обработка представляет собой процесс контролируемого нагрева и охлаждения металлов, направленный на изменение их физических и механических свойств без изменения формы [1–10]. Этот процесс широко используют для производства деталей, которые выдерживают высокие нагрузки или требуют определенной долговечности, например в автомобильной, аэрокосмической и строительной промышленности. Модификация микроструктуры материала является основной целью термической обработки для достижения идеального сочетания свойств, таких как твердость, прочность и пластичность [8].
Важность исследования заключается в том, что необходимо повысить эксплуатационные характеристики деталей за счет точной настройки их свойств. Например, детали, подвергающиеся ударным нагрузкам, должны обладать повышенной пластичностью [2, 3].
Каждый из основных методов термической обработки меняет микроструктуру металла и его свойства.
Отжиг. Это процесс нагрева металла до определенной температуры, после чего он медленно охлаждается. В результате этого процесса внутренние напряжения уменьшаются, пластичность улучшается и твердость уменьшается, что облегчает дальнейшую обработку. Например, отожженная сталь имеет ферритную структуру, которая обеспечивает высокую пластичность, но низкую прочность (рис. 1 а) [1].
Нормализация. Это процесс нагрева металла до определенной температуры, но, в отличие от отжига, на воздухе происходит процесс охлаждения, который приводит к более мелкозернистой структуре и улучшенным механическим свойствам. Для подготовки стали к закалке часто используют нормализацию (рис. 1 б) [2].
Закалка. После того как металл нагревается до высокой температуры (обычно в воде или масле), он быстро охлаждается, чтобы создать твердую мартенситную структуру. Закалка увеличивает прочность и твердость материала, но делает его хрупким (рис. 2 а) [3].
Отпуск. Закаленный металл снова нагревается до температуры ниже критической точки, а затем охлаждается. Отпуск снижает хрупкость, при этом сохраняя достаточную твердость и обеспечивая равновесие между пластичностью и прочностью (рис. 2 б) [4].