Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
doc

Студенческий документ № 040878 из МГВМИ

Предмет курса. История развития науки о термической обработке. Классификация видов термической обработки.

Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями.

Термическая обработка - самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных заводах термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов и деталей машин. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательную операцию для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственней конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей.

Теория термической обработки является частью металловедения. Главное в металловедении - это учение о связи между строением свойствами металлов и сплавов. При нагреве и охлаждении изменяется структура металлического материала, что обусловливает изменение механических, физических и химических свойств и влияет на его поведение при обработке и эксплуатации.

Теорию термической обработки составляет учение об изменениях строения и свойств металлов или сплавов при тепловом воздействии, не исчезающих после его прекращения.

По глубине и разнообразию структурных изменений, возникающих в результате термообработки, с ней не могут сравниться ни механические, ни какие-либо другие воздействия на металлы.

Краткий исторический очерк

Человек использует термообработку с древнейших времен. Анализ археологических находок позволяет сделать заключение о времени появления и характере первых операций термообработки.

В переходный период от каменного века к бронзовому (в эпоху неолита) появились первые металлические изделия, которые были получены ковкой с помощью каменного молота вначале самородных золота и меди, а затем и меди, выплавленной из руды.

Применяя холодную ковку, первобытный человек столкнулся с явлением наклепа, которое затрудняло изготовление изделий с тонкими лезвиями и острыми наконечниками, и для восстановления пластичности кузнец должен был нагревать холодно кованую медь в очаге. Наиболее ранние надежные свидетельства о применении такого рекристаллизационного отжига приходятся на конец V тысячелетия до н. э. Они получены при исследовании кованых изделий (например, ножей) из выплавленной меди, относящихся к южнотуркменской культуре. Без промежуточного рекристаллизационного отжига для восстановления пластичности нельзя было обойтись и при изготовлении методом ковки тонких медных, а позднее и бронзовых листов. Эти листы шли на выделку посуды, производившейся в значительных количествах во II тысячелетии до н. э. (в бронзовом веке).

Таким образом, рекристаллизационный отжиг по времени появления был первой операцией термической обработки металла и использовался уже начиная с V тысячелетия до н. э.

Закалка появилась значительно позднее отжига. Металлургическое производство железа началось с конца II тысячелетия до н. э. Железо получали тогда сыродутным способом непосредственно из железной руды. Из-за низкого содержания углерода оружие из такого железа нельзя было упрочнить закалкой. В ранний период применения железа закалку проводили одновременно с цементацией. Нагревая заготовку для горячей ковки в древесноугольном горне, т. е. проводя науглероживание, и затем охлаждая ее в воде, кузнец столкнулся с резким улучшением качества оружия и орудий труда, сделанных из железа.

Открытие сыродутного способа производства железа с последующей его цементацией и закалкой было одним из величайших достижений в истории человеческого общества.

Металлографическое изучение кузнечной техники Средней Европы показало, что цементация железных изделий (ножей, наконечников копий) и последующая их закалка в воде были известны уже в начале I тысячелетия до н. э. Однако эти виды упрочняющей термической обработки использовались в то время сравнительно редко.

В древних Греции и Риме упрочняющая термообработка стали была хорошо известна, что подтверждается упоминаниями о закалке у античных авторов. В "Одиссее" Гомера (VIII-VII вв. до н. э.), в девятой песне, есть такие строки: "Как погружает кузнец раскаленный топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо - крепче железо бывает, в огне и воде закаляясь" (перевод П. А. Шуйского). Аристотель (IV в. до н. э.) отмечал, что лучшую сталь получают нагревом железа в горне по нескольку раз. Такая обработка приводила к науглероживанию железа и обеспечивала после закалки высокую прочность и твердость изделий. Аристотель упоминал о закалке стали в масле. Плиний Старший (I в.) писал, что тонкие стальные изделия во избежание их коробления и растрескивания закаливают в масле.

Металлографический анализ европейских археологических находок показывает, что сталь (науглероженное железо) и закалка стальных изделий вошли во всеобщее употребление с V-IV вв. до н. э.

Закалка медных сплавов была известна человеку также еще до н. э. Сравнительно недавние исследования литых этрусских зеркал из высокооловянной бронзы (Италия, V-IV вв. до н. э.) и сарматских зеркал (Поволжье, IV-II вв. до и. э.) показали, что эти изделия закаливали на мартенсит в воде скорее всего с целью улучшения зеркального блеска при полировке.

В средние века применяли самые разнообразные технологические операции: закалку в жидкости, закалку в воздушной струе, местную закалку лезвий, низкий, средний и высокий отпуск, цементацию, защиту стали от обезуглероживания при нагреве, рекристаллизационный отжиг и др.

Микроструктурное изучение, рентгеновский анализ и измерение микро-твердости многих сотен древнерусских археологических находок из слоев X- XV вв. показали, что 9/10 исследованных стальных орудий труда и оружия находилось в термически обработанном состоянии, из них одна треть была закалена, а остальные закалены и отпущены. Цементацию в древесном угле ила органическом веществе применяли к ножам, мечам, копьям, напильникам, резцам и другим инструментам.

Искусство термообработки режущего и колющего оружия было высоко развито в средние века. Например, знаменитые клинки из булатной (дамасской) стали обладали прекрасными режущими и упругими свойствами благодаря сочетанию тонко разработанных способов плавки, ковки и термообработки.

Не зная сущности внутренних превращений в металле, средневековые мастера приписывали получение, высоких свойств при термообработке проявлению сверхъестественных сил. Способы термообработки стали, особенно холодного оружия, детально описаны в средневековой литературе. Если из средневековых рецептов термообработки выбросить некоторые подробности и заклинания, то большая часть этих рецептов окажется оправданной с точки зрения современного термиста.

Термообработку использовали с древнейших времен как технологическую операцию, но развитие ее как науки стало возможным только с середины XIX столетия. До этого времени знания человека о термообработке представляли совокупность рецептов, выработанных на основе многовекового опыта. Эти рецепты, часто весьма ценные, передавали из поколения в поколение, секреты выполнения отдельных операций иногда терялись в веках и вновь познавались, но истинная природа процессов, происходящих в металле при термообработке, оставалась загадкой.

Развитие техники в XIX в. потребовало превращения термообработки из искусства в науку.

В середине XIX столетия армия и флот стремились заменить бронзовые и чугунные пушки более прочными, а следовательно, и более мощными стальными орудиями. Начало широкого производства артиллерийских орудий из стали относится к 50-м годам прошлого века. В этот период проблема изготовления стальных орудийных стволов высокой с гарантированной прочности была чрезвычайно острой. Выдающиеся металлурги того времени, в том числе генерал П. М. Обухов, знали рецепты плавки и литья стали, но, несмотря на это, при учебной стрельбе разрывы, стальных орудий случались очень часто.

Много стальных крупповских орудий без видимых причин разорвалось в войну Пруссии с Австрией в 1866 г. Наступил кризис доверия к стали как к материалу для орудийных стволов, и начался возврат к бронзовым пушкам.

В 1866 г. на Обуховский сталелитейный завод в Петербурге был приглашен на должность техника молотового цеха Дмитрий Константинович Чернов (1839-1921 гг.). В 1868 г. в Русском техническом обществе Чернов делает знаменитый доклад "Критический обзор статей гг. Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные Д. К. Чернова исследования по этому же предмету". В этом докладе он сообщает результаты работы по выяснению причин брака стальных поковок. Наблюдая под микроскопом шлифы, приготовленные из дул орудий, и изучая под лупой строение изломов в месте разрыва, Чернов пришел к выводу, что сталь тем прочнее, чем мельче ее структура. Тогда он "стал искать причину приобретения сталью мелкой структуры". Сравнительные исследования стали после ковки при разных температурах показали, что "изменения в структуре стали нужно отнести к влиянию температуры, но не собственно механической обработки". После этого необходимо было для каждого сорта стали с определенным содержанием углерода найти температуры, при которых изменяется структура. Д. К. Чернов высказал гениальное предположение, что еле заметные поверхностные изменения, обнаруживаемые в темноте на охлаждающейся раскаленной поковке при двух температурах, связаны с глубокими внутренними изменениями структуры. Эти температуры Чернов определил на глаз и обозначил точками а и b. "Сталь, как бы тверда она ни была, будучи нагрета ниже точки а, не принимает закалки, как бы быстро, ее ни охлаждали. Чтобы получить мелкозернистый излом, необходимо нагреть сталь немного выше точки b".

Таким образом, Д. К. Чернов в 1868 г. открыл внутренние структурные превращения в стали и связал с ними тепловой режим ковки и технологию термообработки. Тем самым великий русский металлург заложил научные основы термической обработки.

Основополагающий доклад Д. К. Чернова был переведен на иностранные языки, и предложенные им правила обработки стали вошли в практику заводов разных стран. Работы Чернова в области металловедения и термической обработки получили мировое признание.

Выдающийся последователь Д. К. Чернова французский инженер Флорис Осмонд (1849-1912 гг.) применил в 1886 г. термопару Ле-Шателье для определения критических точек стали при термическом анализе. Работы Осмонда, подтвердившего и развившего выводы Чернова, привлекли внимание многих металлургов и химиков к проблеме структурных превращений в металлах и послужили дополнительным толчком для широких экспериментальных исследований в этой области.

В истории металловедения конец XIX и начало XX вв. характеризуются широким приложением термодинамического учения о гетерогенных равновесиях к металлическим системам. В разных странах были начаты систематические работы по построению диаграмм состояния. Эти диаграммы показывают, какие фазовые превращения возможны в сплавах, и, следовательно, дают исходные данные для анализа важнейших видов термической обработки.

Первые крупные исследования в области термообработки цветных сплавов были выполнены в начале XX в. В 1900 г. А. А. Байков на сплавах меди с сурьмой доказал, что способность к закалке присуща не только сталям, как это ранее считали, но и цветным сплавам. В 1903 г. в Германии был получен патент на "способ облагораживания алюминиевых сплавов нагреванием и закалкой". Было показано, что предел прочности литых сплавов алюминия с медью в результате закалки возрастает в 1,5 раза.

В 1906 г. немецкий инженер А. Вильм на изобретенном им дуралюмине открыл старение после закалки - один из основных способов упрочнения сплавов. В 1919 г. американский металловед П. Мерика вскрыл природу старения дуралюминов, связав упрочнение при старении с образованием дисперсных выделений в пересыщенном твердом растворе. Это было одним из наиболее выдающихся достижений в теории термической обработки: по диаграммам состояния с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии стало возможным предсказывать области составов сплавов, способных к дисперсионному твердению.

Начиная с 20-х годов текущего столетия для развития теории термообработки характерно детальное изучение природы, механизма и кинетики структурных превращений в твердом состоянии с помощью разнообразных физических методов исследования и прежде всего рентгеновского анализа. В течение двух-трех десятилетий были накоплены обширные сведения о закономерностях изменений структуры и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии. С конца 50-х годов для выявления изменений субструктуры при термообработке все шире стали применять метод просвечивающей (дифракционной) электронной микроскопии.

На современном этапе для теории термообработки характерно широкое использование учения о дефектах кристаллической решетки металлов, так как эти дефекты оказывают сильное, а часто и решающее влияние на механизм и закономерности структурных изменений.

Одновременно с развитием теоретических представлений совершенствовались старые и разрабатывались новые способы термообработки, например термомеханическая обработка, и создавались новые термические упрочняемые сплавы.

Итогом многочисленных исследований явилась стройная теория термической обработки, которая позволяет научно обоснованно разрабатывать технологические процессы и получать сплавы с заданными свойствами.

Классификация видов термической обработки

Любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени. По такому графику можно определить температуру нагревания, время нагревания и охлаждения, средние и истинные скорости нагревания и охлаждения, время выдержки при температуре нагревания и общую продолжительность производственного цикла. Но по форме этого графика ничего нельзя сказать о том, с каким видом термо- обработки мы имеем дело. Вид термообработки определяется не характером изменения температуры во времени, а типом фазовых и структурных изменений в металле. Основываясь на последнем признаке, А. А. Бочвар разработал классификацию, охватывающую многочисленные разновидности термической обработки черных и цветных металлов и сплавов.

На основе классификации были разработаны классификация видов и разновидностей термической обработки сталей и цветных металлов и сплавов, а также соответствующая терминология. На рисунке приведена схема классификации основных видов термической обработки металлов и сплавов.

Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую. Собственно термическая обработка заключается только в термическом воздействии на металл или сплав, термомеханическая - в сочетании термического воздействия и пластической деформации, химико-термическая - в сочетании термического и химического воздействия.

Собственно термическая обработка включает следующие основные виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку с полиморфным превращением, закалку без полиморфного превращения, отпуск и старение. Эти виды термической обработки относятся и к сталям, и к цветным металлам и сплавам. Каждый из видов термообработки подразделяется на разновидности, специфические для сплавов на разных основах.

С отдельными видами термообработки приходится сталкиваться как с побочными процессами при горячей обработке давлением, литье, сварке и других технологических операциях. Например, частичная или полная закалка встречается при ускоренном охлаждении отливок после их затвердевания. При шлифовании деталей из-за разогрева поверхности может произойти отпуск. При сварке в зоне термического влияния сварного шва можно наблюдать рекристаллизационный отжиг и т. п. Побочные процессы термообработки бывают полезными, а могут вызывать и нежелательные изменения структуры и свойств изделий.

Производственные названия отдельных процессов термообработки складывались исторически и основывались не на характере внутренних превращений в металле или сплаве, а на чисто внешних признаках. Поэтому один и тот же термин иногда используют для обозначения разновидностей термообработки, совершенно различных по своей физической сущности. Например, нагрев с переходом за критическую точку, выдержку и охлаждение на воздухе обычно называют нормализацией. При такой обработке в углеродистой стали происходят процессы, которые относятся к отжигу 2-го рода, в высоколегированных сталях может образоваться мартенсит, т. е. происходит закалка с полиморфным превращением, а некоторые цветные сплавы подвергаются закалке без полиморфного превращения.

Примеров подобного рода можно привести множество. В связи с этим при употреблении некоторых производственных названий термической обработки иногда трудно понять, какова физическая сущность процессов, о которых идет речь. В таких случаях вместо устоявшихся производственных терминов или параллельно с ними необходимо использовать терминологию научной классификации разновидностей термической обработки.

Схема классификации основных видов термической обработки

металлов и сплавов

Отжиг первого рода.

Отжиг 1-го рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, возникшие при предыдущей обработке, причем его проведение не обусловлено фазовыми превращениями. Обработкой, предшествующей отжигу 1-го рода, могут быть литье, обработка давлением, сварка, термическая обработка и другие технологические процессы.

В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают следующие разновидности отжига 1-го рода: гомогенизационный, дорекристаллизационный, рекристаллизациониый и уменьшающий напряжения отжиг. Процессы, устраняющие отклонения от равновесного состояния, идут самопроизвольно, и нагрев при отжиге 1-го рода проводят лишь для ускорения этих процессов. Основные параметры отжига 1-го рода - температура нагрева и время выдержки. Скорости нагрева и охлаждения имеют подчиненное значение.

Гомогенизационный отжиг

Гомогенизационный отжиг- это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации.

В процессе кристаллизации в результате дендритной ликвации возникает химическая микронеоднородность внутри кристаллов твердого раствора - основы сплава и появляются неравновесные избыточные фазы. При равновесной кристаллизации состав во всем объеме кристалла одинаков. При неравновесной кристаллизации состав позднее образующихся слоев одного из компонентов и состав ранее образовавшихся слоев не успевают выровняться и по окончании кристаллизации сплава в дендритных ячейках - сечениях ветвей дендритов - концентрация легирующего элемента минимальна в середине, а в поверхностном слое максимальна.

В результате отклонения от равновесия в процессе кристаллизации литой сплав имеет следующие основные недостатки:

1. Пластичность сплава обычно снижается, если в результате дендритной ликвации появляется избыточная хрупкая фаза. Особенно сильно снижается пластичность при образовании по границам дендритных ячеек сплошных прослоек из грубых частиц хрупких соединений (интерметаллидов, карбидов и др.).

2. Центральные участки дендритных ячеек и их границы, имеющие разный химический состав, образуют микрогальванические пары. Поэтому внутрикристаллитная ликвация твердого раствора снижает стойкость против электрохимической коррозии. Появление неравновесной избыточной фазы в твердом растворе обычно также снижает стойкость против коррозии.

3. При обработке давлением, например прокатке и прессовании, микроучастки, имеющие разный химический состав, вытягиваются, и может возникнуть строчечная структура. Такая структура обусловливает анизотропию свойств и изделий и повышенную склонность к межкристаллитному, а также к шиферному излому. В поперечном направлении может наблюдаться сильное снижение относительного удлинения, сужения и ударной вязкости.

4. Дендритная ликвация понижает температуру солидуса сплава, что, как правило, нежелательно. Например, при быстром нагреве под закалку или обработку давлением изделие может частично оплавиться. Оплавляются участки, в которых находится неравновесно образовавшаяся эвтектика.

5. Структура и свойства литого сплава нестабильны во времени. В изделии, работающем при повышенных температурах, могут самопроизвольно постепенно выравниваться состав твердого раствора и рассасываться избыточные фазы. Эти процессы вызывают ускорение ползучести, а также постепенное изменение свойств, которое может выйти за допустимые пределы.

Для устранения недостатков литой структуры слиток или фасонную отливку подвергают отжигу-гомогенизации.

Основные структурные изменения при гомогенизации

Главный процесс при гомогенизационном отжиге - выравнивание состава зерен твердого раствора, т. е. устранение внутрикристаллитной ликвации. В сплавах, содержащих неравновесную избыточную фазу, при гомогенизационном отжиге протекают два основных процесса: выравнивание концентрации внутри зерен твердого раствора и растворение неравновесных избыточных фаз. В основе этих процессов лежит диффузия, и поэтому гомогенизационный отжиг называют также диффузионным.

Распределение легирующего элемента по сечению дендритной ячейки схематично показано на рисунке (кривая 1). Отрезок pq соответствует сечению дендритной ячейки первичной ?-фазы, a hp-сечению включения второй фазы (?) на границе дендритной ячейки. Вертикальный скачок концентрации у границы дендритной ячейки соответствует расположению здесь включения второй фазы.

В самом начале выдержки при гомогенизационном отжиге на границе дендритной ячейки с избыточной ? -фазой устанавливается равновесная концентрация ?-раствора, соответствующая точке предельной растворимости при температуре гомогенизации. Эта концентрация периферийного слоя ?-раствора поддерживается постоянной до тех пор, пока существует избыточная ?-фаза.

Выравнивание состава внутри дендритных ячеек является контролирующим звеном гомогенизации, определяющим скорость и время полного растворения избыточной фазы.

Если условно отделить один от другого процессы выравнивания состава внутри ?-фазы и растворения в ней избыточной ?-фазы, то можно схематично нарисовать такую картину. Выравнивание состава внутри ?-раствора приводит к уменьшению его концентрации на границе с ?-фазой и периферийный слой дендритной ячейки становится ненасыщенным по отношению к ?-фазе. Поэтому ?-фаза растворяется, поднимая концентрацию в периферийном слое ?-раствора до равновесной и т. д. Постепенно граница ?/? перемещается в сторону растворяющейся ?-фазы, а состав ?-фазы по сечению дендритной ячейки выравнивается (см. пунктирные линии на рисунке, соответствующие разным моментам гомогенизации).

Pи с. 1. Схема распределения легирующего элемента по сечению дендритной ячейки ?-раствора с ?-фазой на ее границах в начальный (1), промежуточный (2) и конечный (3) моменты гомогенизации.

Если избыточная ?-фаза должна полностью раствориться (в соответствии с диаграммой состояния), то после ее исчезновения через некоторое время завершается и выравнивание концентрации внутри ?-раствора. Если же состав сплава таков, что он и в равновесных условиях не должен быть однофазным, то при гомогенизации растворяется только неравновесный избыток второй фазы и остается некоторое равновесное количество этих фаз. Время окончания гомогенизации обычно оценивается по времени окончания растворения неравновесного избытка фаз.

По первому закону Фика, количество вещества, проходящего в единицу времени через единицу площади сечения, пропорционально градиенту концентрации дc/дх вдоль направления х, перпендикулярному этому сечению:

I = -D·дc/дх.

Коэффициент диффузии D зависит от природы сплава, типа и состава твердого раствора, размера зерна и от температуры:

D = А·e-Q/RT,

где R - газовая постоянная;

Т - температура;

Q - энергия активации диффузии;

А - константа, практически не зависящая от температуры.

Как видно из формулы, температура входит в показатель степени выражения для коэффициента диффузии. Поэтому сравнительно небольшое повышение температуры должно значительно ускорить диффузию.

Обычно гомогенизационный отжиг проводят при температурах выше 0,90-0,95 Тпл, но ниже точки солидуса сплава. Иногда температура гомогенизации находится в интервале 0,8 ? 0,9 Тпл.

Энергия активации диффузии Q обеспечивает переход атомов из одного положения в решетке в другое. (Величина Q у элементов, растворенных по способу внедрения, меньше, чем у элементов, растворенных по способу замещения. Поэтому последние элементы диффундируют медленнее).

Легирующие элементы, растворенные в аустените по способу замещения, обладают значительно меньшей диффузионной подвижностью, чем углерод, растворенный по способу внедрения. Скорость диффузии углерода в аустените на несколько порядков выше скорости диффузии важнейших легирующих элементов.

Слитки из углеродистых сталей обычно не подвергают гомогенизационному отжигу, так как в них при нагреве под горячую обработку давлением дендритная ликвация успевает исчезнуть из-за быстрой диффузии углерода в аустените. Легированные же стали для устранения внутрикристаллитной ликвации и растворения неравновесного избытка карбидов приходится подвергать гомогенизационному отжигу при температурах 1050-12500С.

Из закона Фика вытекает еще один важный практический вывод: наиболее интенсивно гомогенизация протекает в начальный период. Слишком длительные выдержки при гомогенизации нецелесообразны, так как они малоэффективны и приводят к излишнему расходу энергии (топлива) и уменьшению производительности. Повышение температуры отжига действует эффективнее, чем повышение времени выдержки. Повышая температуру, можно сократить время выдержки при отжиге.

Кроме того, скорость гомогенизации зависит от толщины частиц избыточной фазы и размера дендритной ячейки основной фазы. С уменьшением размера дендритной ячейки возрастает средний градиент концентрации по ее сечению и, в соответствии с законом Фика, должна ускоряться диффузия. С уменьшением размера дендритной ячейки измельчается также и избыточная фаза.

Таким образом, можно использовать два пути ускорения гомогенизации, регулируя микроструктуру: увеличение скорости кристаллизации сплава и измельчение структуры слитка обработкой давлением.

Чем выше скорость кристаллизации, тем меньше размер дендритных ячеек и тоньше частицы избыточных фаз, которые кристаллизуются по их границам. Слитки и фасонные отливки, затвердевшие при больших скоростях охлаждения, быстрее и полнее гомогенизируются и отличаются более тонким строением.

Для слитков легированной стали, вместо длительного гомогенизирующего отжига, можно увеличить продолжительность нагрева деформированной заготовки перед последним переделом.

Главное изменение свойств при гомогенизационном отжиге - повышение пластичности литого сплава. При выборе режима отжига слитка показатели пластичности следует измерять не при комнатной температуре, а при температуре первой операции горячей обработки давлением. Если, например, слитки какого-либо сплава предназначены для прессования, то показатели пластичности следует определять при температуре прессования.

Механические свойства фасонной отливки следует измерять при температуре эксплуатации детали, например комнатной.

По мере растворения хрупких фаз пластичность растет и после окончания их растворения перестает изменяться. Относительное удлинение и сужение сплавов при температурах горячей деформации возрастают в результате гомогенизации в 1,5-3 раза.

Если цель гомогенизационного отжига - повысить пластичность, то за оптимальное время гомогенизации можно принять время полного растворения неравновесного избытка фаз.

Повышение пластичности слитков легированных сталей, алюминиевых и других сплавов уменьшает брак по трещинам при первой операции горячей обработки давлением, позволяет увеличить степень деформации, особенно на первых обжатиях, повысить скорость деформирования, улучшает состояние кромки (уменьшает рванины горячекатаных полос).

Значение гомогенизации особенно велико для фасонных отливок, так как их не подвергают пластической деформации, измельчающей структуру. К фасонным отливкам из алюминиевых, и магниевых сплавов гомогенизационный отжиг как самостоятельную операцию не применяют. Гомогенизация органически входит в операцию нагрева под закалку фасонных отливок. Этот нагрев проводят при таких высоких температурах и длительных выдержках, чтобы в твердый раствор перешло максимально возможное в производственных условиях количество избыточных фаз.

Деформированные сплавы

Хотя при горячей обработке давлением и происходит коренное изменение строения сплава, но оно все же недостаточно, чтобы полностью устранить влияние литой структуры на его технологичность при последующей холодной обработке давлением. "Наследственность" литой структуры с не устраненной дендритной ликвацией проявляется в снижении пластичности холоднодеформированного сплава. Объясняется это тем, что при горячей обработке давлением, несмотря на сильное измельчение и "перемешивание" структуры, полностью не устраняется микронеоднородность сплава, вызванная дендритной ликвацией. Гомогенизация слитка, повышая пластичность холоднодеформированного сплава, улучшает состояние кромки холоднокатаных полос, позволяет сократить промежуточные отжиги и увеличить степень обжатия при холодной прокатке, улучшает штампуемость листов при глубокой вытяжке.

Наследственность литой структуры бывает весьма устойчивой и сказывается на служебных свойствах изделий, несмотря на то, что в технологическом цикле структура сплава испытывает такие мощные воздействия, как обработка давлением, закалка, отпуск и другие виды обработки. Так, в высокоуглеродистых сталях, легированных хромом и вольфрамом, в результате дендритной ликвации может появиться карбидная эвтектика. Это явление называют карбидной ликвацией. В изделиях, несмотря на горячую прокатку и закалку, сохраняются грубые скопления эвтектических карбидов. В этих местах выкрашиваются лезвие инструмента и трущаяся поверхность шарикоподшипника.

Гомогенизация слитка может не только улучшить, но и ухудшить некоторые свойства готовой продукции. Например, гомогенизация при 490°С в течение суток слитка из дуралюмина марки Д16 повышает на несколько процентов относительное удлинение закаленных и состаренных листов, но одновременно снижает их предел прочности на 1-1,5 кгс/мм2.

Причиной сильного ускорения гомогенизации при отжиге с нагреванием до температур выше неравновесного солидуса является не присутствие жидкой фазы, а увеличение коэффициентов диффузии легирующих элементов с повышением температуры. Ведущим звеном процесса растворения фаз ниже и выше неравновесного солидуса является диффузионный отвод атомов легирующих элементов от межфазной границы в центральную зону дендритной ячейки. Сам по себе переход через точку солидуса не является критическим по отношению к процессу гомогенизации, но повышение температуры отжига даже на 20-30°С может резко, например в два раза, увеличить коэффициенты диффузии.

Гомогенизация при температурах выше неравновесного солидуса значительно сокращает продолжительность отжига, обеспечивающего необходимую технологическую пластичность при обработке давлением. Для некоторых сплавов возможно повышение обжатия и скорости обработки давлением, например скорости прессования. Кроме того, повышаются показатели пластичности деформированных полуфабрикатов, особенно поперек волокна.

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ И ДОРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ

ОТЖИГИ Рекристаллизационный отжиг - это термическая обработка деформированного металла или сплава, при которой главным процессом является рекристаллизация.

Дорекристаллизационный отжиг- это термическая обработка деформированного металла или сплава, при которой главным процессом является возврат.

Из определения видно, что обе разновидности термической обработки применяют, в основном, после холодной обработки давлением.

Прежде, чем рассматривать процессы рекристаллизационного и дорекристаллизационного отжигов, следует знать, какие изменения структуры и свойств происходят в металле в результате холодной обработки давлением.

Пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения, которые условно можно разделить на три группы:

а) изменение формы и размеров кристаллитов;

б) изменение их кристаллографической пространственной ориентировки;

в) изменение внутреннего строения каждого кристаллита.

а) Основное изменение формы кристаллитов состоит в том, что они вытягиваются в направлении главной деформации растяжения (например, в направлении прокатки или волочения). С повышением степени холодной деформации зерна все более вытягиваются и структура становится волокнистой.

При пластической деформации кристаллические решетки зерен приобретают преимущественную пространственную ориентировку - возникает текстура деформации.

б) Характер текстуры деформации (кристаллографическая ориентировка) зависит от вида и условий обработки давлением (в основном от схемы главных деформаций) и от природы металла (типа кристаллической решетки и энергии дефектов упаковки.

Если текстура волочения характеризуется пространственной ориентировкой определенного кристаллографического направления, вокруг которого кристалл может быть как угодно повернут, то текстура прокатки характеризуется преимущественной ориентировкой и кристаллографического направления, и кристаллографической плоскости.

В деформированном металле не все кристаллы имеют идеальную преимущественную ориентировку. Совершенство текстуры возрастает с ростом степени деформации.

Количество тепла, выделяющегося в металле при пластической деформации, меньше энергии, затраченной на деформирование. До 10-20% идущей на деформирование работы поглощается металлом. Эта часть работы, составляющая 0,1-1 кал/г при средних и больших степенях деформации, задерживается в металле в виде энергии дефектов кристаллической решетки, образующихся при пластической деформации.

в) Наиболее важное изменение внутреннего строения кристаллов при деформации металла - увеличение плотности дислокаций (отношения суммарной длины дислокаций к объему металла). У хорошо отожженного поликристаллического металла плотность дислокаций равна 106- 108 см-2, при деформации на несколько процентов она возрастает до 108- 109 см-2, а при сильной деформации - до 1011 - 1012 см-2. Следовательно, плотность дислокаций при холодной обработке давлением может возрасти на пять-шесть порядков.

При степенях деформации примерно 5-10% у многих металлов и сплавов начинает формироваться ячеистая структура: сплетения дислокаций связываются между собой, образуя размытые объемные границы областей, внутри которых плотность дислокаций сравнительно невелика.

Эти области называют ячейками. Размер ячеек - порядка одного микрона, а толщина их границ-десятые доли микрона. С повышением степени деформации ячеистая структура становится более ярко выраженной. Границы ячеек делаются более узкими и из объемных стремятся превратиться в плоские. Ячейки полностью оконтуриваются границами, и внутри ячеек остается совсем мало дислокаций. Хорошо оформленные ячейки с плоскими стенками обычно называют субзернами, а структуру называют субзеренной.

Средняя плотность дислокаций при увеличении степени деформации возрастает в результате роста их плотности в сплетениях на границах, а не внутри ячеек. Из-за избытка в границах дислокаций одного знака соседние ячейки и субзерна разориентировапы на углы, находящиеся в интервале от нескольких секунд до нескольких градусов.

При пластической деформации возрастает концентрация точечных дефектов - вакансий и межузельных атомов. Точечные дефекты генерируются порогами скользящих винтовых дислокаций. С увеличением степени деформации одновременно с повышением плотности растянутых дислокаций растет и число дефектов упаковки.

Таким образом, с увеличением степени пластической деформации растет плотность дислокаций и избыток дислокаций одного знака, может формироваться ячеистая структура, увеличивается концентрация точечных дефектов и дефектов упаковки. Все эти изменения внутреннего строения кристаллитов - важнейший результат пластической деформации металлов и сплавов.

Наклеп

Под наклепом понимают упрочнение при обработке давлением. В более широком понимании наклеп - это совокупность структурных изменений и связанных с ними изменений свойств при пластической деформации.

С увеличением степени холодной деформации показатели сопротивления деформированию (предел прочности, предел текучести и твердость) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) падают (см. рис.1, где H- толщина изделия до деформации, h- толщина после деформации). При деформировании металла со степенью деформации более 50-70% предел прочности и твердость обычно увеличиваются в 1,5 - 2 раза, а иногда и в 3 раза в зависимости от природы металла и вида обработки давлением.

Небольшие деформации (до 10%), как правило, значительно сильнее влияют на предел текучести, чем на предел прочности. При больших степенях деформации у некоторых сплавов предел текучести может возрастать в 5-8 раз и более.

Сильная деформация, увеличивающая предел прочности и твердость в 1,5-2 раза, снижает относительное удлинение в 10-20, а иногда и в 30-40 раз и более.

Рост показателей сопротивления деформированию и снижение показателей пластичности с увеличением степени предварительной холодной деформации происходят в результате повышения плотности дислокаций. В наклепанном металле из-за повышенной плотности дислокаций затруднено скольжение уже имеющихся, а также генерирование и скольжение "свежих" дислокаций.

Границы ячеек и субзерен служат барьерами для скользящих дислокаций. Уменьшение расстояний между этими барьерами (уменьшение размера ячеек) способствует упрочнению при увеличении степени обжатия.

Увеличение числа дефектов решетки при холодной пластической деформации вызывает рост электросопротивления.

Анизотропия свойств

Свойства холоднодеформированного металла по разным направлениям различны. Анизотропия свойств обусловлена двумя причинами: волокнистостью структуры и текстурой деформации.

По длине разрывного образца, вырезанного поперек волокна, число межзеренных границ значительно больше, чем в образце, вырезанном вдоль волокна. На межзеренных границах сосредоточены примеси и неметаллические включения, например окисные плены. Естественно, что механические свойства металла вдоль и поперек волокна разные. Поэтому при контроле полуфабрикатов, полученных обработкой давлением, различают "продольные" и "поперечные" образцы и, соответственно, "продольные" и "поперечные" свойства. Обычно показатели пластичности и ударная вязкость на поперечных образцах ниже, чем на продольных.

Каждый кристаллит анизотропен, его свойства зависят от кристаллографического направления. В металле с хаотичной ориентировкой кристаллов свойства по всем направлениям статистически усредняются. Такой металл квазиизотропен. В текстурованном металле с предпочтительной ориентировкой кристаллов имеются направления, вдоль которых одни свойства усилены, другие ослаблены. Поэтому текстура деформации обусловливает анизотропию свойств.

Холодная обработка давлением приводит металл в неравновесное состояние с повышенной свободной энергией. Наклепанный металл стремится самопроизвольно перейти в более равновесное состояние с меньшей свободной энергией.

К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки и другие внутризеренные процессы и рост зерен. Первое требует высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300-400°С) снимает искажения решетки (как результат многочисленных субмикропроцессов- уменьшение плотности дислокаций в результате их взаимного уничтожения, так называемая аннигиляция, слияния блоков, уменьшение внутренних напряжений, уменьшение количества вакансий и т. д.). Снятие искажений решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом, или отдыхом. В результате этого процесса твердость и прочность несколько понижаются (на 20- 30% по сравнению с исходными), а пластичность возрастает. Наряду с этим, т. е. с отдыхом (возвратом), может происходить еще так называемый процесс полигонизации, заключающийся в том, что беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собираются, образуя сетку и создавая ячеистую структуру, которая может быть устойчивой и может затруднить процессы, развивающиеся при более высокой температуре. Рекристаллизация, т. е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат и полигонизация, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Сопоставление температур рекристаллизации различных металлов показывает, что между минимальной температурой рекристаллизации и температурой плавления существует простая зависимость Трек = а Тпл (Трек - абсолютная температура рекристаллизации; Tпл - абсолютная температура плавления; а - коэффициент, зависящий от чистоты металла). Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. У металлов обычной технической чистоты а = 0,3~0,4. Температура рекристаллизации сплавов, как правило, выше температуры рекристаллизации чистых металлов и в некоторых случаях достигает 0,8 Тпл. Наоборот, очень чистые металлы имеют очень низкую температуру рекристаллизации: 0,2 Тпл и даже 0,1 Тпл.

После того как рекристаллизация (I стадия) завершена, строение металла и его свойства становятся прежними, т. е. такими, которые он имел до деформации.

Пользуясь коэффициентом а, легко подсчитать температуру рекристаллизации металлов обычной чистоты: для железа она будет около 450°С, для меди - около 270°С, для алюминия - около 5°С. Для таких легкоплавких металлов, как цинк, олово, свинец, температура рекристаллизации ниже комнатной.

Кроме чистоты металла, минимальная температура рекристаллизации зависит также и от степени предшествующей деформации. Чем больше степень деформации, чем более искажена структура, тем менее она устойчива и тем больше ее стремление принять более устойчивое состояние. Следовательно, большая степень деформации облегчает процесс рекристаллизации и снижает минимальную температуру рекристаллизации.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т. п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Пластическое деформирование выше температуры рекристаллизации, хотя и приводит к упрочнению, но это упрочнение устраняется протекающим при этих температурах процессом рекристаллизации. Следует отметить, что рекристаллизация протекает не во время деформации, а сразу после ее окончания и тем быстрее, чем выше температура. При очень высокой температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации, она завершается в секунды и даже доли секунд.

Следовательно, при пластическом деформировании выше температуры рекристаллизации упрочнение и наклеп металла, если и произойдут, то будут немедленно сниматься. Такая обработка, при которой нет упрочнения (наклепа), называется горячей обработкой давлением. Обработка давлением (пластическая деформация) ниже температуры рекристаллизации вызывает наклеп и называется холодной обработкой.

Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние. Самопроизвольно должны происходить явления, возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.

Таким образом, пластическое деформирование железа при 6000С следует рассматривать как горячую обработку, а при 400°С - как холодную. Для свинца и олова пластическое деформирование даже при комнатной температуре является по существу горячей обработкой, так как температура 20°С выше температуры рекристаллизации этих металлов. Эти металлы в практике называют ненаклепываемыми, хотя при деформировании у них образуются линии сдвига, что показывает, например, характерный хруст оловянной пластинки при ее изгибании).

При горячей обработке металла, чтобы увеличить его пластичность, а также устранить возможность наклепа, применяют температуры, значительно превосходящие минимальную температуру рекристаллизации.

Для отжига наклепанного материала в производственных условиях применяют более высокие температуры, чем минимальная температура рекристаллизации.

В соответствии с описанными выше процессами изменения строения наклепанного металла при его нагреве следует ожидать и соответствующего изменения свойств. По мере повышения температуры твердость сначала слегка снижается вследствие явлений возврата. После отжига при температуре, несколько превышающей температуру рекристаллизации, твердость резко падает и достигает исходного значения (значения твердости до наклепа). Эта температура и есть минимальная температура рекристаллизации, или порог рекристаллизации). Аналогично изменению твердости изменяются и другие показатели прочности (предел прочности, предел текучести).

Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:

1) первичная рекристаллизация, или рекристаллизация обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;

2) вторичная, или собирательная рекристаллизация, заключающаяся в росте зерен и протекающая при более высокой температуре.

Процессы первичной и вторичной рекристаллизации имеют ряд особенностей.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие, можно даже сказать очень мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен. Хотя в процессе нагрева и происходят внутризеренные процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой, стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов. К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из таких зерен, т. е. очень мелких зерен, В поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс вторичной рекристаллизации, заключающейся в росте зерен.

Рост кристаллов - процесс самопроизвольный, определяемый стремлением системы к уменьшению запаса внутренней энергии.

Укрупнение зерна, т. е. получение из нескольких мелких зерен меньшего числа крупных, приводит к уменьшению суммарной поверхности зерна ("внутренней поверхности") и, следовательно, к уменьшению запаса свободной энергии в системе.

Важно знать, по какому механизму растет зерно, так как от размера зерна зависят многие свойства, а, зная механизм роста зерна, можно регулировать его размеры термической обработкой.

Возможны три существенно различных механизма роста зерна:

1) зародышевый - состоящий в том, что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, и их рост приводит к образованию новых зерен, но их меньше, чем зерен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса зерна в среднем станут крупнее;

2) миграционный - состоящий в перемещении границы зерна и в увеличении его размеров. Так как крупное зерно термодинамически устойчивее мелкого (отношение S/V у него меньше, где S - поверхность, а V -объем), то растут крупные зерна за счет "поедания" мелких зерен;

3) слияние зерен - состоящее в постепенном "растворении" границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное.

Первый "зародышевый" процесс, по-видимому, реализуется весьма редко (образование новых зерен из рекристаллизованных энергетически маловероятно).

Миграция границ зерен является диффузионным процессом, скорость его определяется скоростью самодиффузии, и поэтому этот процесс имеет преимущественное значение при высокой температуре, значительно выше температуры рекристаллизации.

Слияние зерен не требует для своего осуществления значительных диффузионных процессов, и, главное, процесс слияния может происходить одновременно по всем (или многим) поверхностям межзеренного раздела. Межзеренные границы являются сосредоточением различных дефектов, дислокаций, в первую очередь. Аннигиляция этих дефектов есть уничтожение границ зерен. Следовательно, процесс роста зерен путем слияния происходит при более низкой температуре, чем рост зерен путем миграции и приводит к образованию очень крупных зерен.

Для незавершенного процесса слияния характерно наличие структуры, состоящей из небольшого числа крупных зерен и большого числа мелких. Такая разнозернистая структура не обладает стабильными и высокими свойствами.

Из сказанного следует заключить, что процесс слияния вредно отражается на структуре и, следовательно, и свойствах, так как может привести к крупнозернистой (при завершении процесса) или к разнозернистости (при не завершении процесса), и тогда следует принять меры, предупреждающие это.

Какой из перечисленных двух основных механизмов роста зерна реализуется, зависит от температуры: при более низкой температуре рост зерна происходит за счет слияния, при более высокой - за счет миграции границ, а также и от исходного структурного состояния, в частности от степени, предшествующей пластической деформации.

При малой степени деформации насыщенность дефектами незначительна и поэтому образование новых, свободных от дефектов, рекристаллизованных зерен не дает значительного эффекта в смысле выигрыша в свободной энергии. Поэтому при малой степени деформации и первичная рекристаллизация осуществляется с трудом (при высокой температуре), и роста зерна при вторичной рекристаллизации почти не происходит. При некоторой сравнительно небольшой степени пластической деформации создается сравнительно небольшая плотность дислокаций в основном по границам зерен, обеспечивающая преимущественное развитие процесса роста зерна по механизму слияния, что при завершенности процесса приводит к очень сильному росту зерна.

Степень деформации, обусловливающая преимущественное развитие процесса слияния и приводящая после нагрева к гигантскому росту зерна, называется критической степенью деформации. Она невелика и находится в пределах 3-8% (обычно). Если после деформации осуществляется рекристаллизацнонный нагрев, то критической степени деформации следует избегать.

При сверхкритической деформации плотность дефектов такова, что механизм слияния затруднен или неосуществим. Рост зерна происходит в результате миграции границ, что при прочих равных условиях дает более мелкое зерно, чем то, какое получается при процессе слияния.

ВЫБОР РЕЖИМОВ ДОРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОГО И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОГО ОТЖИГА

Основные параметры отжига наклепанных металлов и сплавов - температура и продолжительность. Они определяют характер и полноту структурных изменений при отжиге, а также свойства металла и сплава после отжига. В отдельных случаях, которые будут рассмотрены ниже, важную роль играют также скорость нагрева до температуры отжига и скорость охлаждения с этой температуры.

Дорекристаллизационный отжиг

Дорекристаллизационный отжиг бывает смягчающим и упрочняющим.

Дорекристаллизационный смягчающий отжиг используют для повышения пластичности при частичном сохранении деформационного упрочнения. Его применяют, когда необязательно или нежелательно полное смягчение металла, которое достигается рекристаллизационным отжигом. Смягчающий дорекристаллизационный отжиг чаще всего служит операцией, придающей изделию необходимое сочетание прочности и пластичности.

Дорекристаллизационный отжиг часто наряду с повышением пластичности, преследует цель снизить остаточные напряжения, стабилизировать свойства, повысить стойкость против коррозии. Для выбора режима дорекристаллизационного отжига необходимо знать температуру начала рекристаллизации Тнр (при данной степени деформации).

Дорекристаллизационный упрочняющий отжиг применяют для повышения упругих свойств пружин и мембран. Оптимальную температуру выбирают опытным путем.

Рекристаллизационный отжиг

Рекристаллизационный отжиг подразделяется на полный, неполный и текстурирующий.

Полный рекристаллизационный отжиг - одна из наиболее широко применяемых операций термообработки. Его используют как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную термическую обработку. В производстве полуфабрикатов и изделий из цветных металлов и сплавов этот вид отжига распространен гораздо шире, чем в технологии производства стали. Объясняется это тем, что холодной обработке давлением подвергают большую долю изделий из цветных металлов и сплавов, чем стальных изделий. Для выбора режима отжига используют диаграммы рекристаллизации. При этом необходимо избегать получения очень крупного зерна и разнозернистости.

В крупнозернистом материале неоднородность пластической деформации разных зерен выражена особенно сильно: на свободной поверхности изделия она проявляется в виде апельсиновой корки - характерной шероховатости на поверхности изделий после глубокой вытяжки. При мелком зерне такой шероховатости не видно.

Скорость нагрева до температуры нагрева обычно не имеет значения. В отдельных случаях необходим ускоренный нагрев, например для холоднодеформированных полуфабрикатов из некоторых алюминиевых сплавов, так как при медленном нагреве в них вырастает крупные зерна, обусловливающие шероховатость поверхности после правки и снижающие относительное удлинение.

Скорость охлаждения с температуры рекристаллизационного отжига металлов и однофазных сплавов не сказывается на их свойствах.

Неполный рекристаллизационный отжиг проводят при температурах выше tнр, но ниже tкр с целью частичного устранения наклепа. Структура получается частично рекристаллизованной, а частично полигонизованной.

Текстурирующий отжиг применяют для получения выгодной анизотропии свойств в трансформаторной стали, железоникелевых сплавах с постоянной магнитной проницаемостью и некоторых других текстурированных материалах.

Отжиг, уменьшающий остаточные напряжения

Классификация остаточных напряжений

При любых технологических процессах в металле возникают внутренние (остаточные) напряжения, которые взаимно уравновешиваются внутри изделия без участия внешних нагрузок. В большинстве случаев внутренние напряжения полностью или частично сохраняются в металле после окончания технологического процесса и поэтому называются остаточными напряжениями. Внутренние напряжения могут возникнуть практически при любой обработке, причем одна технологическая операция может привести к созданию разных по своему происхождению остаточных напряжений: термических, фазовых и напряжений от неоднородной пластической деформации. Например, если горячедеформированный сплав охлаждается ускоренно и в нем протекает фазовое превращение, кроме напряжений, вызванных неоднородной пластической деформацией, в нем возникают термические, а также фазовые напряжения. Различные по своему происхождению остаточные напряжения алгебраически складываются и часто дают весьма сложные эпюры.

Остаточные напряжения (ОН) - это напряжения, связанные с упругими деформациями, существующими в металле после полного прекращения внешних воздействий на металл. Остаточные напряжения уравновешиваются в пределах всего тела (или больших его объемов) и обладают ориентировкой, связанной с геометрическими очертаниями тела и характером его обработки. Они очень чувствительны к внешним воздействиям и участвуют в той или иной мере практически во всех процессах и явлениях, происходящих в металле на макро- и микроуровнях.

Из опытов известно, что работа, затраченная на пластическую деформацию, переходит в тело не полностью, а лишь на 80 - 90%. Остальные 10 -20 % как раз и остаются в теле в виде энергии остаточных напряжений.

Было предложено несколько видов классификации остаточных напряжений. Наиболее широко используется классификация Н.Н.Давиденкова. Классификации Е.Орована и Мак-Грегора оказались менее удобными.

По классификации Н.Н.Давиденкова существуют остаточные напряжения трех родов. Они различаются объемами, в которых эти напряжения уравновешиваются.

Напряжения, уравновешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макрочастей, называют также зональными или напряжениями 1 рода. Причинами их возникновения являются неодинаковая пластическая деформация или разное изменение удельного объема в различных точках тела.

Напряжения II рода ("микронапряжения") уравновешиваются в объемах единичных кристаллов и частей кристаллитов, находящихся между действующими плоскостями скольжения (между линиями и полосами скольжения).

Первоначальный термин "напряжения III рода", которые уравновешиваются в пределах небольших групп атомов, постепенно заменен термином "статические искажения кристаллической решетки", что наиболее точно соответствует существу описываемого явления: это искажения решетки, обусловленные полями деформаций, связанными как с точечными дефектами, так и с дислокациями.

На основе классификации Н.Н. Давиденкова проведена систематизация путей появления искажений разного рода, а также изучен характер влияния на свойства материалов этих разных по происхождению и по природе, но взаимосвязанных искажений кристаллической решетки.

Тело, в котором действуют остаточные напряжения, можно рассматривать как находящееся под воздействием длительной нагрузки. В результате ее действия с течением времени возможна пластическая деформация и, следовательно, коробление и изменение размеров тела, а также растрескивание. Остаточные напряжения могут явиться следствием не только пластической обработки тела, но и неравномерного нагрева, охлаждения, закалки, фазовых превращений и т.п.

Остаточные напряжения можно свести к минимуму подбором соответствующего режима пластической обработки, последующей термообработкой и механическими воздействиями (обкатка и т.п.), характер которых зависит от конкретных условий обработки.

Например, при прокатке на поверхностях полосы и валков существуют участки застоя, торможения и скольжения. Характер перемещений частиц металла относительно поверхности валков на участках застоя и торможения идентичен. Отличие заключается лишь в том, что на участке застоя смещения столь малы, что соизмеримы по величине с упругими деформациями. Они изменяются от нуля в нейтральном сечении до некоторого максимума на границах зон застоя и торможения, продолжая, однако, в зоне торможения оставаться малыми.

Отжиг, уменьшающий напряжения - это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений.

Рис. 1. Схема влияния температуры на остаточные напряжения (1) и предел текучести (2)

Избыточная энергия в упругодеформированных областях может понизиться без нарушения целостности тела, если разрядка остаточных напряжений произойдет путем пластической деформации.

Следовательно, чтобы добиться полного или частичного снятия остаточных макронапряжений в изделии, необходимо вызвать в нем пластическое течение.

Остаточные напряжения при отжиге уменьшаются двумя путями:

1) вследствие пластической деформации в условиях, когда эти напряжения превысят предел текучести;

2) в результате ползучести при напряжениях меньше предела текучести.

Рассмотрим первый путь. Остаточные напряжения, являющиеся упругими, по закону Гука пропорциональны модулю упругости и величине упругой деформации. С ростом температуры модуль упругости слабо снижается, и соответственно слабо уменьшаются остаточные напряжения. Предел текучести также падает с ростом температуры, причем значительно более интенсивно, чем остаточные напряжения.

Выше некоторой температуры (t1) предел текучести становится ниже остаточных напряжений и происходит пластическая деформация, в результате которой остаточные напряжения уменьшаются до значения предела текучести.

Нижняя температурная граница уменьшения остаточных напряжений не очень четкая, так как в разных участках тела действуют разнообразные по величине остаточные касательные напряжения.

При напряжениях выше предела текучести генерируется множество дислокаций, скольжение которых приводит к очень быстрой пластической деформации. Можно считать, что степень разрядки остаточных напряжений по такому механизму определяется температурой отжига, а не его продолжительностью.

Рассмотрим второй путь уменьшения остаточных напряжений, когда их величина меньше предела текучести. Если в какой-то момент испытания образца на растяжение перестать увеличивать деформацию и оставить образец в захватах разрывной машины под нагрузкой, то, как известно, в образце будет происходить релаксация напряжений. Напряжения в этом случае падают вначале быстро, затем все медленнее и медленнее, и, наконец, достигается некоторый практически неизменный уровень напряжений. Общая деформация образца складывается из упругой и пластической: ?общ????упр????пл.

Длина образца, находящегося в захватах машины, остается неизменной. Напряжения в нем снижаются потому, что упругая деформация уменьшается при одновременном и равном увеличении пластической деформации, развивающейся в условиях ползучести. Релаксация при заданной деформации развивается путем ползучести падающем напряжении. В детали, в которой остаточные напряжения меньше предела текучести, упругая деформация также может с течением времени переходить в пластическую.

В области температур, где остаточные напряжения меньше предела текучести (ниже t1 на рис.), ползучесть является единственно возможным механизмом их уменьшения. При напряжениях меньше предела текучести не происходит массового размножения и массового скольжения дислокаций. Медленное пластическое течение осуществляется перемещением ограниченного числа легкоподвижных дислокаций. Встречаясь с препятствиями (дислокационными сплетениями, дисперсными частицами, границами зерен скользящие дислокации тормозятся. Исчерпание легкоподвижных дислокаций приводит к затуханию ползучести, а уменьшение остаточных напряжений еще более усиливает это затухание.

Остаточные напряжения в изделиях несколько снижаются вследствие ползучести и при комнатной температуре. Чем выше температура, тем больше термические флуктуации и тем быстрее и полнее уменьшаются остаточные напряжения.

Если изделия нагревать до температур (выше t1 на рис.), при которых предел текучести становится меньше остаточных напряжений, то вначале происходит быстрая разрядка напряжений до величины предела текучести вследствие массового размножения и скольжения дислокаций, а затем этот механизм пластической деформации сменяется ползучестью, приводящей к постепенной и затухающей во времени релаксации напряжений.

Быстрая разрядка остаточных напряжений при повышенных температурах иногда бывает опасной, так как из-за неоднородного распределения напряжений по сечению и длине изделия она может привести к нарушению равновесия внутренних сил и моментов, сопровождающемуся короблением. Идеальна для отжига релаксация напряжений в ее классическом виде, когда медленная пластическая деформация нарастает при одновременном и равном уменьшении упругой деформации так, что линейные размеры в направлении действия сил не изменяются.

Чем выше уровень исходных напряжений, тем быстрее в первый период происходит их разрядка и тем больше опасность коробления.

Продолжительность отжига для уменьшения напряжений устанавливают опытным путем. Определенной температуре отжига в каждом конкретном изделии соответствует свой конечный уровень остаточных напряжений, по достижении которого увеличивать продолжительность отжига практически бесполезно.

При выборе производственного режима отжига следует прибегать к натурным испытаниям, так как каждая конкретная деталь характеризуется своим распределением остаточных напряжений до и после отжига.

Во многих случаях уменьшение остаточных напряжений является побочным процессом, совершающимся при разнообразных операциях термообработки одновременно с основными структурными и фазовыми изменениями. Например, литейные напряжения уменьшаются при гомогенизационном отжиге. При высоком отпуске стали наряду с основным процессом превращения мартенсита в сорбит уменьшаются закалочные напряжения. Остаточные напряжения, возникшие в результате холодной обработки давлением, уменьшаются при рекристаллизационном отжиге, основной целью которого является снятие наклепа.

Нагрев для уменьшения остаточных напряжений довольно часто приходится применять как самостоятельную операцию термообработки, которая в этом случае и называется отжигом для уменьшения напряжений.

Использование отжига для уменьшения напряжений лимитируется теми нежелательными структурными и фазовыми изменениями, которые могут произойти при нагреве. Например, чтобы достаточно полно снять закалочные напряжения в изделиях из термически упрочняемых алюминиевых сплавов, необходимо нагревать их до температур около 230-260 С. Но при таких температурах в алюминиевых сплавах происходит перестаривание, сопровождающееся снижением прочности. Для полного снятия остаточных макронапряжений после холодной обработки давлением желательно проводить отжиг при таких температурах, при которых протекает рекристаллизация. Но при этом снимается упрочнение от холодной обработки давлением, что во многих случаях недопустимо. Поэтому приходится либо мириться с недостаточно полным снятием остаточных напряжений при низких температурах, либо идти на компромисс, достигая более полного снятия напряжений при некотором ухудшении механических и других свойств.

Скорости нагрева и особенно охлаждения при отжиге должны быть небольшими, чтобы не возникли новые внутренние термические напряжения.

Отжиг для уменьшения остаточных напряжений широко применяют в технике. Он уменьшает вредные остаточные (растягивающие) напряжения, особенно опасные при объемном напряженном состоянии, позволяет повысить допустимые внешние нагрузки, повышает сопротивляемость усталости и ударным нагрузкам, снижает склонность к хрупкому разрушению, межкристаллитной коррозии и коррозионную усталость, стабилизирует размеры и предотвращает коробление и поводку изделий.

Если рабочие напряжения при эксплуатации изделий сравнительно небольшие (далеки от предела текучести) и основное требование к деталям - высокая стабильность размеров и формы, для предотвращения коробления не обязательно добиваться значительного уменьшения остаточных напряжений. Примером могут служить малонагруженные базовые детали точных станков и приборов, отливаемые из дешевого серого чугуна. Старинная практика предотвращения коробления таких отливок - вылеживание их на складе при температуре окружающей среды в течение нескольких месяцев и даже нескольких лет. Этот способ стабилизации размеров чугунных отливок называют естественным старением. Как оказалось впоследствии, при длительном вылеживании чугунных отливок остаточные напряжения в них уменьшаются всего на 5-20%, хотя такое вылеживание и предотвращает коробление деталей. Это можно объяснить тем, что коробление отливок из серого чугуна вызывается релаксацией главным образом пиковых напряжений в местах их концентрации около пластинок графита. При сравнительно невысоком общем уровне остаточных напряжений они около таких концентраторов как графитовые включения, могут приближаться к пределу текучести и в этих местах быстрее релаксировать. Для доказательств образцы из стали, чугуна с шаровидным графитом и серого чугуна нагрузили до одинакового исходного напряжения. Затем в течение полугода следили за релаксацией напряжений. Оказалось, что медленнее всего напряжения релаксировали в образцах из стали, несколько быстрее - в образцах из чугуна с шаровидным графитом и наиболее быстро - в образцах из серого чугун с грубыми пластинами графита. Можно предположить, что при комнатном вылеживании отливок из серого чугуна релаксируют главным образом пиковые напряжения около включений графита, что предотвращает коробление деталей, хотя и мало сказывает на измеряемых средних остаточных напряжениях.

Многомесячное вылеживание отливок из серого чугуна в условиях современного производства трудно использовать как основной способ предотвращения коробления. Для ускорения стабилизации размеров применяют отжиг чугунных отливок при 500-600°С в течение 2-4 ч.

Стали отжигают для уменьшения напряжений при температурах обычно несколько ниже критической точки Ас.

Холоднокатаные листы и штамповки из меди, никеля, титана и деформируемых сплавов на их основе отжигают для уменьшения остаточных напряжений при температурах не выше точки начала рекристаллизации, чтобы сохранить высокие прочностные характеристики наклепанного металла. Отжиг для уменьшения напряжений широко применяют к латуням, содержащим более 20% Zn, так как они характеризуются сильной склонностью к коррозии под напряжением ("сезонная болезнь").

Если слитки непрерывного литья из деформируемых алюминиевых сплавов не подвергались гомогенизационному отжигу, то перед разрезкой на мерные заготовки их следует отжечь при 300-350°С для уменьшения остаточных напряжений во избежание опасного разрушения слитков при резке. Для уменьшения сварочных напряжений в особо ответственных громоздких конструкциях строят специальные печи с большим рабочим пространством, для помещения в них целиком всего изделия.

Временные перегрузки для уменьшения остаточных напряжений

Как уже отмечалось, разрядка остаточных напряжений при отжиге происходит только в результате развития пластической деформации. Если остаточные напряжения значительно меньше предела текучести, то релаксируют они медленно вследствие развития ползучести. Для более полного и более быстрого уменьшения остаточных напряжений используют различные временные перегрузки изделия, которые суммируясь с остаточными напряжениями, вызывают пластическую деформацию во всем изделии или в отдельных его участках.

Самые старые способы создания временных перегрузок - принудительная вибрация и остукивание со всех сторон чугунных отливок. Эти простые приемы весьма эффективно предотвращают коробление. Для стабилизации размеров чугунных отливок можно применять также временное статическое нагружение. Например, в длинных станинах создают с помощью домкратов изгибающие моменты.

Детали из силуминов типа АЛ2 и АЛ9 охлаждают до температур минус 40-минус 196°С, затем отогревают до комнатной температуры и помещают в печь, нагретую до 150°С (или сразу переносят в печь). Затем детали охлаждают до комнатной температуры и вновь обрабатывают холодом. В течение трех циклов такой обработки (последней всегда должна быть операция нагрева) остаточные напряжения уменьшаются на 30-70%. Обычный длительный отжиг при верхней температуре термического цикла (150°С) несравненно слабее уменьшает остаточные напряжения.

Из-за большой разницы в термических коэффициентах линейного расширения алюминиевой и кремниевой фаз (примерно 6,5 раз) на межфазных границах возникают микронапряжения. При обработке холодом эти микронапряжения усиливаются, складываясь с остаточными напряжениями, вызывают при нагреве значительные пластические деформации. Таким образом, чередование захолаживания до отрицательных температур и последующего нагрева усиливает пластическое течение в микроучастках и этим способствует более полному уменьшению остаточных напряжений.

Естественному термоциклированию (с незакономерными циклами изменения температуры под действием солнца, ветра и дождя) подвергаются чугунные отливки во время вылеживания под открытым небом. Возникающие при этом временные перегрузки способствуют большей стабилизации размеров, чем вылеживание тех же отливок в закрытом помещении.

Чтобы снизить закалочные напряжения в плитах, штамповках и других деталях из алюминиевых сплавов, которые нельзя отжигать из-за недопустимости разупрочнения, предлагается применять обработку холодом с последующим термоударом. Закаленное изделие помещают в жидкий азот (-196°С), а затем быстро нагревают до невысоких температур в кипящей воде или струе пара. Предварительное захолаживание в жидком азоте позволяет увеличить термические напряжения во время термоудара при высокой температуре нагрева.

Показать полностью… https://vk.com/doc-27804135_63751127
295 Кб, 15 марта 2012 в 21:38 - Россия, Москва, МГВМИ, 2012 г., doc
Рекомендуемые документы в приложении