Теоретические сведения. Общим принципом различных методов упрочнения стальных деталей машин с целью повышения их эксплуатационных свойств является совмещение в единый

Общим принципом различных методов упрочнения стальных деталей машин с целью повышения их эксплуатационных свойств является совмещение в единый технологический процесс пластической деформации и фазовых превращений при термической обработке с целью формирования структуры стали, определяющей оптимальное сочетание прочности и пластичности.

Существуют два основных варианта повышения прочности стали комбинированными способами обработки:

1. термическая обработка предшествует пластической деформации;

2. термическая обработка осуществляется после пластической деформации.

Исходя из приведенного выше задания ясно, что выполнение работы не предусматривает конкретного повышения прочности испытываемых стальных образцов, но вскрывает механизм изменения свойств стали с целью дальнейшего использования полученных знаний, умений и навыков в практической деятельности инженера по повышению эксплуатационных характеристик машин.

Рассмотрим один из вариантов повышения прочности стали - термическая обработка, которая осуществляется после пластической деформации.

Приложение к материалу напряжения (давления, сил сжатия) вызывает деформацию: упругую, исчезающую после снятия нагрузки и пластическую, остающуюся после снятия нагрузки (рис.8.1).

Рис.8.1. Деформация материала под действием нагрузки:

а) зависимость между пределом прочности (нагрузкой) и деформацией образца,

б) состояние атомно-кристаллической решетки под нагрузкой, где атомно-кристаллическая решетка до приложения нагрузки, --- - после приложения нагрузки.

Упругая деформация происходит до точки А, после снятия нагрузки решетка принимает прежнее состояние, если напряжения выше предела упругости, то решетка не принимает прежнее состояние. В последнем случае остается деформация а, b и т.д., если затем нагружать металл, то способность его к пластической деформации уменьшится, значит металл стал прочнее.

Характеристики прочности (твердость, предел прочности, предел упругости, предел текучести) с увеличением степени пластической деформации растут, характеристики пластичности и вязкости (относительное удлинение, ударная вязкость) падают (рис.8.2).

Упрочнение металла под действием пластической деформации называется, наклепом или нагартовкой. На рис.8.16 видно, что атомы попарно в решетке сблизились друг с другом, образовали сближение (скопление) атомов в определенном объеме. Наклеп объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов затрудняет движение отдельных новых дислокаций, следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность.

Рис.8.2. Влияние пластической деформации на механические свойства малоуглеродистой стали

Зная, что каждый атом решетки является центром кристаллизации с образованием зерна, можно перейти от атомно-кристаллической решетки к зернистой кристаллической структуре.

Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и определенной ориентировкой зерен - текстурой.

Беспорядочно ориентированные кристаллы (зерна) под действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации, создаются направленные объемы дислокаций атомов, определенными слоями и областями, например, поверхностная дислокация атомов детали; возрастает величина внутренних напряжений, ограниченных (локализованных) малыми объемами, например, напряжения поверхностного слоя деталей.

Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние. Самопроизвольно должны происходить явления, возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние. Эти процессы называются старением. Например, отлитые станины машин, станков находятся на открытом воздухе в течение полугода, года для возвращения структуры в устойчивое состояние после литья.

Задачей инженера является ускорение этого процесса, которое происходит искусственно, применением различных видов термической обработки.

Уже небольшой нагрев (для железа 300-400°С) снимает искажения решетки. Это результат многочисленных микропроцессов - уменьшения плотности дислокаций в результате их взаимного уничтожения, то есть перемещения атомов, так называемая аннигиляция, уменьшение внутренних напряжений и т.д.

Снятие искажений решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом, или отдыхом, отпуском. В результате твердость и прочность несколько снижаются (на 20-30% по сравнению с исходными), а пластичность возрастает.

Наряду с отдыхом (возвратом) может происходить процесс полигонизации, заключающийся в том, что беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собираются, образуя сетку и создавая ячеистую структуру, более прочную, что показано на рис. 8.3.

Рис.8.3 Процесс полигонизации в результате термообработки:

а) до термообработки, б) после термообработки.

Рекристаллизация, как бы реконструкция структуры, образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат и полигонизация и сопровождается на первой стадии превращением вытянутых вследствие пластической деформации зерен в мелкие округлые беспорядочно ориентированные зерна (уменьшение зерен сохраняет прочностные качества, но беспорядочная ориентация не дает одинаковую прочность в различных направлениях приложения нагрузки).

На второй стадии собирательной рекристаллизации происходит выравнивание размеров зерен и упорядочение ориентации (данный этап представляет собой в большинстве случаев оптимальный вариант прочности и пластичности, так как прочность определяется размером зерен и их ориентировкой, с оптимальным для пластичности размером зерна).

Дальнейшая рекристаллизация с повышением температуры ведет к увеличению размера зерен и резкой потере прочности.

Сопоставление температур рекристаллизации различных металлов показывает, что между минимальной температурой рекристаллизации и температурой плавления существует простая зависимость:

Т_рек= а Т_плавл, (8.1)

где а - коэффициент, зависящий от чистоты металла.

У металлов обычной технической чистоты а=0,3-0,4. Температура рекристаллизации сплавов, выше температуры чистых металлов и достигает (0,6-0,8) Т_плавл.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение Например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки и т.п., образец надо нагреть выше Т_рек, такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Наглядно процессы изменения строения наклепанного металла при нагреве представлены на рис.8.4, из анализа которого становится ясно, что для получения оптимальных свойств прочности и пластичности наиболее предпочтительными являются стадии отдыха и рекристаллизации 1-ой и 2а стадии.

Рис.8.4. Процессы изменения строения наклепанного

металла при нагреве

Следовательно, при пластическом деформировании при температурах выше температуры рекристаллизации упрочнение и наклеп металла, если и произойдут, то будут медленно сниматься. Такая обработка называется горячей обработкой давлением.

Обработка давлением (пластическая деформация) при температурах ниже температуры рекристаллизации вызывает наклеп (упрочнение) и называется холодной обработкой.