Автодеформация и ее виды

2 ВИДА РАЗМЕРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ:

-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

-ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ РАЗОБРАТЬ

В технической литературе при рассмотрении остаточных напряжений в процессе термообработки изделий используется такое понятие как автодеформация ( В.Г.Воробъев), под которым следует понимать явление и процесс самопроизвольного (непреднамеренного) изменения формы (размеров) обрабатываемого изделия или объема металла под влиянием внутренних факторов (структурные, термические напряжения, изменение физического состояния металла и т.д.).

Существуют классификации изделий по деформируемости, в которых к основным классификационным факторам относятся:

-общая характеристика формы изделия (разделяют удлиненные; плоскостные и объемные формы);

-сравнительная жесткость внутри одного из указанных классов изделий (в зависимости от соотношения главных размеров разделяют на 5 основных категорий жесткости - классификация В.Г.Воробъева);

-размерная группа.

Технологический смысл критериев жесткости состоит в том, что детали, имеющие одинаковый фактор жесткости, при прочих равных условиях получают одинаковую деформацию.

По геометрическому признаку различают следующие основные виды автодеформации:

1) изменение (увеличение или уменьшение) объема тела сопровождающееся пропорциональным изменением всех размеров; начальная и конечная фигуры сохраняют полное геометрическое подобие; происходящим при этом малым изменением кривизны поверхностей, вследствие изменения их радиусов, обычно можно пренебречь (например: подобные деформации шара, куба, сплошного диска);

2) искажение геометрической фигуры, характеризуемое изменением кривизны элементов фигуры и (или) их относительным угловым смещением, первый параметр применим в равной мере к осям и поверхностям (включая прямолинейные и соответственно плоские, или криволинейные), а второй описывает поворот одной части (или сечения) исходной геометрической фигуры относительно другой.

3) изменение (увеличение или уменьшение) объема тела сопровождающееся пропорциональным изменением всех размеров; начальная и конечная фигуры сохраняют полное геометрическое подобие; происходящим при этом малым изменением кривизны поверхностей, вследствие изменения их радиусов, обычно можно пренебречь (например: подобные деформации шара, куба, сплошного диска);

4) искажение геометрической фигуры, характеризуемое изменением кривизны элементов фигуры и (или) их относительным угловым смещением, первый параметр применим в равной мере к осям и поверхностям (включая прямолинейные и соответственно плоские, или криволинейные), а второй описывает поворот одной части (или сечения) исходной геометрической фигуры относительно другой.

Возникновение возможных деформаций изделий при их термической обработке должно учитываться еще на стадии конструирования и поэтому для конструкторов существует целый ряд рекомендаций, позволяющих повысить технологичность операций обработки деталей и их качество.

Вероятные причины автодеформации при термической обработке.

Причинами деформации могут быть высокие напряжения, изменения удельного объема сплава и физическое состояние материала, обусловливающее его податливость деформации в момент превращения. Последние играют важную роль в механизме деформации во время термической обработки.

При качественной оценке характера деформации целесообразно учитывать следующее правило: все факторы, обусловливающее увеличение объема участка металла монолитной детали (нагрев; фазовые превращения, идущие с увеличением удельного объема), вызывают в нем сжимающие напряжения, а в остальной массе металла, сохранившей к этому моменту меньший удельный объем и сдерживающей расширение первой, соответственно – растягивающие напряжения – и обратно.

Существенный уровень напряжений, возникающих при закалке стали, может вызываться следующими причинами:

- термическими напряжениями в результате неравномерного нагрева и охлаждения изделия (напряжения 1-го рода);

- термическими напряжениями в результате наличия градиента температуры в самом изделии (напряжения 1-го рода, см.табл. 3);

- структурными напряжениями, возникающими в результате превращений, сопровождающихся изменением объема (напряжения 1-го рода, см.табл.3);

- структурными напряжениями, обусловленными расширением и искажением кристаллической решетки, например, за счет принудительного растворения углерода в ячейках решетки при образовании мартенсита или за счет выделений частиц вторичной фазы из пересыщенного (насыщенного) твердого раствора при старении, отпуске в процессе достижения частицами критического размера (напряжения 2-го рода, см.табл. 4).

Таблица 4 -Результаты рентгеноструктурного исследования стали 15ХСНД толщиной 20мм после различных режимов термической обработки

Режим термической обработки	Уровень микродефор-маций,х 10-3	Плотность дислокаций, r, х1010, см-2
Термическое упрочн.(ТУ) в горячей воде (³900С)	0,27	1,94
ТУ+ отпуск 3000С	0,60	4,98
ТУ+ отпуск 4000С	0,37	1,89
ТУ+ отпуск 5000С	0,29	1,21
ТУ+ отпуск 6000С	-	0,90
ТУ+ отпуск 7000С	-	0,65

Известно, что при отпуске закаленной стали происходит распад мартенсита и образование частиц карбидов (цементита при температурах ≥250-260⁰С и специальных карбидов при температурах ≥500⁰С) – явления дисперсионного твердения и вторичной твердости. Уровень напряжений в металле с мартенситной структурой в процессе отпуска при достижении частицами вторичной фазы критического размера и потери когерентности с матрицей резко увеличивается. Аналогичная картина процесса карбидообразования наблюдается и в сталях, имеющих структуру: бейнита, феррито-бейнитную или феррито-мартенситную (данные табл.4 для стали с Ф+Б структурой после термического упрочнения).

Исследования показали, что и в малоуглеродистых низколегированных сталях, имеющих после термического упрочнения феррито-бейнитную или бейнитную структуру при последующем отпуске в интервале температур примерно 260-350⁰С происходит существенное увеличение напряжений 2 родя (см.табл.4) из-за выделения частиц вторичной фазы – цементита. В таблице 4 приведены значения микродеформаций (напряжений 2 и 3 рода) и плотности дислокаций, определенных в стали 15ХСНД с феррито-бейнитной структурой методом рентгеноструктурного анализа после термического упрочнения и последующего отпуска при разных температурах.

Из приведенных экспериментальных данных наглядно видно, что при нагреве термически упрочненной стали с феррито-бейнитной структурой до 300⁰С происходит повышение уровня микродеформаций и плотности дислокаций по сравнению с другими режимами обработки металла. При нагреве термоупрочненного металла до температур 500⁰С и выше уровень напряжений (микродеформаций), определяемый рентгеноструктурным методом, уже не фиксируется.

При рихтовке термически упрочненных металлоизделий к этому добавляются деформационные напряжения 1-го рода. Кроме того, при наличии фаз с различным коэффициентом теплового расширения возникают обусловленные температурой напряжения 2-го рода; напряжения 2-го рода возникают также при деформации, обусловленной анизотропией пластического течения металла.

При одинаковом или сравнимом внешнем воздействии остаточные напряжения обнаруживают зависимость от свойств материала: понижаются с уменьшением коэффициента усадки при затвердевании расплавленного металла, модуля упругости, предела текучести, коэффициента линейного расширения, в особенности в температурном интервале перехода от пластической деформации к упругой. Эти напряжения понижаются также с увеличением структурной однородности по сечению детали, с уменьшением релаксационной стойкости, теплостойкости, температуры рекристаллизации, и с уменьшением различия в удельных объемах твердого раствора и вновь образующихся или выделяющихся из него при охлаждении вторичных фаз.

Влияние остаточных напряжений может проявляться также при хранении изделия в изотермических условиях, без нагрузки. При эксплуатационном нагружении изделия, его размерные изменения протекают под действием суммарного поля напряжений – остаточных и возбуждаемых внешними силами, - включая изменение температурного режима. При этом важны соотношения между пиковыми величинами и знаками остаточных (а также суммы: остаточные+действующие) напряжений и прочностными свойствами материала, в том числе – сопротивлением малым пластическим деформациям. Повышение прочностных свойств может быть одним из путей обеспечения постоянства размеров изделий, в т.ч. и прецизионных.

Трудность сохранения постоянства размеров детали при высоких остаточных напряжениях, помимо возможных формоизменений при релаксации, обнаруживается сильнее, если их равновесие в металле нарушается операциями механической обработки детали (поэтому после предварительной и финишной механической обработки рекомендуется подвергать детали термообработке).

В отличие от напряжений, вызванных действием внешних нагрузок и исчезающих при снятии с детали нагрузки, остаточные внутренние напряжения, после того как они однажды возникли в материале детали, могут быть устранены только в результате пластической деформации.

Для устранения нежелательных остаточных (внутренних) напряжений и особенно пиковых напряжений, необходимо разрабатывать конструкции, которые мало подвержены короблению и возникновению этих напряжений; с этой целью следует умело выбирать и сочетать методы обработки и их параметры. Поскольку, несмотря на все усилия, нельзя изготовить деталь без остаточных (внутренних) напряжений, после отдельных процессов обработки, чтобы уменьшить напряжения для обеспечения качества и надежности детали, применяют специальный нагрев, так называемый отжиг для снятия напряжений.Полное снятие напряжений с помощью термообработки принципиально невозможно. Более того, даже принципиально возможный минимум остаточных напряжений в реальных условиях производства обычно не достигается, так как требуемая для этого предельно малая скорость охлаждения не может быть реализована по соображениям получения в металле определенного типа структуры и свойств. Поэтому в технической литературе существует тезис, что снижение всех остаточных (внутренних) напряжений ниже 50 Н/мм² является достаточным.