17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины

18. Дилатометрия. Магнитные свойства металлов и сплавов. Методы определения Дилатометрия – раздел физики; основная задача: изучение влияния внешних условий (температуры, давления, электрического, магнитного полей, ионизирующих излучений) на размеры тел. Главный предмет

43. Маркировка, структура, свойства и области применения цветных металлов и их сплавов К цветным металлам относятся медь, алюминий, магний, титан, свинец, цинк и олово, которые обладают ценными свойствами и применяются в промышленности, несмотря на относительно высокую

Задача упрочнения поверхностного слоя металлического изделия является достаточно актуальной во многих случаях, ведь большая часть деталей машин и различных механизмов работает под воздействием значительных механических нагрузок. Решить такую задачу позволяет как наклеп, так и нагартовка, которые, несмотря на свою схожесть, все же имеют определенные различия.

Сущность наклепа и нагартовки

Наклеп металла является одним из способов упрочнения металлического изделия. Происходит это благодаря пластической деформации, которой такое изделие подвергают при температуре, находящейся ниже температуры рекристаллизации. Деформирование в процессе наклепа приводит к изменению как внутренней структуры, так и фазового состава металла. В результате таких изменений в кристаллической решетке возникают дефекты, которые выходят на поверхность деформируемого изделия. Естественно, эти процессы приводят и к изменениям механических характеристик металла. В частности, с ним происходит следующее:

• повышается твердость и прочность;
• снижаются пластичность и ударная вязкость, а также сопротивляемость к деформациям, имеющим противоположный знак;
• ухудшается устойчивость к коррозии.

Явление наклепа, если оно относится к ферромагнитным материалам (например, к железу), приводит к тому, что у металла увеличивается значение такого параметра, как коэрцитивная сила, а его магнитная проницаемость снижается. Если наклепанная область была сформирована в результате незначительной деформации, то остаточная индукция, которой характеризуется материал, снижается, а если степень деформации увеличить, то значение такого параметра резко возрастает. Из положительных последствий наклепа следует отметить и то, что с его помощью можно значительно улучшить эксплуатационные характеристики более пластичных металлов, создающих значительное трение в процессе использования.

Наклепанный слой на поверхности металлического изделия может быть сформирован как специально, тогда такой процесс является полезным, так и неумышленно, в таком случае его считают вредным. Чаще всего неумышленное поверхностное упрочнение металлического изделия происходит в процессе обработки резанием, когда на обрабатываемый металл оказывается значительное давление со стороны режущего инструмента.

Увеличение прочности приводит к тому, что поверхность металла становится и более хрупкой, что является очень нежелательным последствием обработки.

Если формирование наклепа может произойти в результате как осознанных, так и неосознанных действий, то нагартовка всегда выполняется специально и является, по сути, полноценной технологической операцией, цель которой состоит в поверхностном упрочнении металла.

Типы наклепа

Различают два основных типа наклепа, которые отличаются процессами, протекающими при его формировании в материале. Если новые фазы в металле, характеризующиеся иным удельным объемом, сформировались в результате протекания фазовых изменений, то такое явление носит название фазового наклепа. Если же изменения, произошедшие в кристаллической решетке металла, произошли из-за воздействия внешних сил, они называются деформационным наклепом.

Деформационный наклеп, в свою очередь, может быть центробежно-шариковым или дробеметным. Для выполнения наклепа первого типа на обрабатываемую поверхность воздействуют шариками, изначально располагающимися во внутренних гнездах специального обода. При вращении обода (что выполняется на максимальном приближении к обрабатываемой поверхности) шарики под воздействием центробежной силы отбрасываются к его периферии и оказывают ударное воздействие на деталь. Формирование наклепа в дробеструйных установках происходит за счет воздействия на обрабатываемую поверхность потока дробинок, перемещающихся по внутренней камере такого оборудования со скоростью до 70 м/с. В качестве таких дробинок, диаметр которых может составлять 0,4–2 мм, для наклепа могут быть использованы чугунные, стальные или керамические шарики.

Для того чтобы понимать, почему нагартовка или формирование наклепа приводят к упрочнению металла, следует разобраться в процессах, которые протекают в материале при выполнении таких процедур. При холодной пластической деформации, происходящей под воздействием нагрузки, величина которой превышает предел текучести металла, в его внутренней структуре возникают напряжения. В результате металл будет деформирован и останется в таком состоянии даже после снятия нагрузки. Предел текучести станет выше, и его значение будет соответствовать величине сформировавшихся в материале напряжений. Чтобы деформировать такой металл повторно, необходимо будет приложить уже значительно большее усилие. Таким образом, металл станет прочнее или, как говорят специалисты, перейдет в нагартованное состояние.

При холодной деформации металла, протекающей в результате воздействия соответствующего давления (в процессе, например, наклепа), дислокации, составляющие внутреннюю структуру материала, начинают перемещаться. Даже одна пара движущихся дефектных линий, сформировавшихся в кристаллической решетке, способна привести к образованию все новых и новых подобных локаций, что в итоге и повышает предел текучести материала.

Внутренняя структура металла при его деформировании в процессе выполнения наклепа или нагартовки претерпевает серьезные изменения. В частности, искажается конфигурация кристаллической решетки, а пространственное положение кристаллов, которые ориентированы беспорядочно, упорядочивается. Такое упорядочивание приводит к тому, что оси кристаллов, в которых они обладают максимальной прочностью, располагаются вдоль направления деформирования. Чем активнее будет выполняться деформирование, тем большее количество кристаллов примут подобное пространственное положение. Существует ошибочное мнение, что зерна, составляющие внутреннюю структуру металла, при его деформации измельчаются. На самом деле они только деформируются, а площадь их поверхности остается неименной.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что в процессе выполнения нагартовки или наклепа изменяется кристаллическая структура стали или другого металла, в результате материал становится более твердым и прочным, но одновременно и более хрупким. Нагартованная сталь, таким образом, представляет собой материал, который специально был подвергнут пластической деформации для улучшения прочностных характеристик.

Нагартовка и оборудование для нее

Выполнение нагартовки изделий из стали особенно актуально в тех случаях, когда имеется необходимость повысить их устойчивость к поверхностному растрескиванию, а также предотвратить протекание в нем усталостных процессов. Отраслями промышленности, в которых нагартованные изделия зарекомендовали себя особенно хорошо, являются авиа- и автомобилестроение, нефтедобыча, нефтепереработка и строительство.

Такие методы упрочнения металлов, как контролируемый наклеп или нагартовка, могут быть реализованы при помощи различного оборудования, от качества и функциональности которого зависит результат выполняемых операций. Оборудование для нагартовки изделий из стали или других сплавов, которое сегодня представлено большим разнообразием моделей, может быть общего назначения или специального – для того, чтобы выполнять обработку деталей определенного типа (болтов, пружин и др.).

В промышленных масштабах нагартовка выполняется на автоматизированных устройствах, все режимы работы которых устанавливаются и контролируются за счет использования электронных систем. В частности, на таких станках автоматически регулируется как количество, так и скорость подачи дроби, используемой для выполнения обработки.

Выполнение наклепа, при котором процесс его формирования контролируется, используется в тех случаях, когда изделие из стали нет возможности упрочнить при помощи термической обработки. Помимо нагартовки и наклепа повысить прочность поверхностного слоя металлического изделия могут и другие методы холодной пластической деформации. Сюда, в частности, относятся волочение, накатка, холодная прокатка, дробеструйная обработка и др.

Кроме стали, содержание углерода в которой не должно превышать 0,25%, такой способ упрочнения необходим изделиям из меди, а также некоторым алюминиевым сплавам. Нагартовке также часто подвергается лента нержавеющая. Ленту нагартованную применяют в тех случаях, когда обычная лента нержавеющая не способна справляться с воспринимаемыми нагрузками.

Наклеп, который сформировался на поверхности металлического изделия в процессе выполнения его обработки различными методами, можно снять, для чего используется специальная термическая обработка. При выполнении такой процедуры металлическое изделие нагревают, что приводит к тому, что атомы его внутренней структуры начинают двигаться активнее. В результате она переходит в более устойчивое состояние.

Выполняя такой процесс, как рекристаллизационный отжиг, следует учитывать степень нагрева металлической детали. Если степень нагрева незначительна, то в структуре металла снимаются микронапряжения второго рода, а его кристаллическая решетка частично искажается. Если интенсивность нагрева увеличить, то начнут формироваться новые зерна, оси которых сориентированы в одном пространственном положении. В результате интенсивного нагрева полностью исчезают деформированные зерна и формируются те, оси которых ориентированы в одном направлении.

Существует также такая технологическая операция, как правка наклепом, при помощи которой металлический вал или лист приводятся в исходное состояние. Чтобы выполнить такую операцию, нацеленную на устранение несоответствий геометрических параметров их требуемым значениям, нет необходимости использовать специальный станок – ее выполняют при помощи обычного молотка и ровной плиты, на которую укладывается обрабатываемое изделие. Нанося таким молотком удары по изделию, форму которого требуется исправить, добиваются формирования на его поверхности наклепанного слоя, что в итоге приведет к достижению требуемого результата.

Основной принцип, лежащий в основе повышения прочности металлов и сплавов, – создание препятствий, затрудняющих перемещение дислокаций. Упрочнение достигается путем термической обработки или пластической деформации металлов и сплавов за счет увеличения плотности дефектов (см. рис. 1.16).

Термическая обработка – процесс теплового воздействия на материалы для целенаправленного изменения их структуры и свойств.

Возможность упрочнения сплавов с помощью термической обработки определяется превращениями определенного типа, которые происходят в сплавах, находящихся в твердом состоянии. Эти превращения могут быть диффузионными и бездиффузионными.

При бездиффузионных превращениях атомы перемещаются па весьма малые расстояния, не более 1...2 периодов кристаллической решетки. Скорость превращений очень велика и значительно превосходит скорости нагрева и охлаждения сплавов при термической обработке, поэтому управлять такими превращениями или регулировать их весьма трудно или невозможно. Примером бездиффузионного превращения может служить полиморфное превращение, например, Fea ↔ Fe .

При диффузионных превращениях атомы перемещаются на значительные расстояния (до нескольких мм), превращения протекают медленно (например, продолжительность процесса азотирования, описанного ниже, достигает нескольких суток). Поэтому степень прохождения этих превращений можно регулировать при термической обработке, изменяя скорость нагрева или охлаждения, температуру или время выдержки. Примером диффузионного превращения может служить частичный распад твердого раствора, при котором в результате уменьшения растворимости одного из компонентов при понижении температуры из твердого раствора выделяется вторичная фаза (см. 3.4.4 и рис. 3.8).

Следует иметь в виду, что упрочняющей обработке подвергают заготовки, имеющие определенную форму, полученную в результате формообразующих операций (например, обработкой резанием). Для облегчения выполнения таких операций металл должен обладать хорошими технологическими свойствами – невысокими твердостью и прочностью, это достигается специальными видами термической обработки.

Упрочнение термической обработкой

Перекристаллизация

Этот метод упрочнения основан на бездиффузионных превращениях. При перекристаллизации упрочнение сплавов достигается за счет измельчения зерен, которое происходит при полиморфном превращении (изменение типа кристаллической решетки) в процессе нагрева и охлаждения сплава.

Рассмотрим процесс перекристаллизации на примере сплавов системы "Fe – Cr" (рис. 3.14). На диаграмме α – твердый раствор хрома в Fea; γ – твердый раствор хрома в Fe . Эти твердые растворы отличаются типом кристаллической решетки: a-твсрдый раствор имеет кубическую объемно- центрированную кристаллическую решетку; γ-твердый раствор – кубическую гранецентрированную. Перекристаллизация возможна в сплавах, концентрация хрома в которых ниже определяемой проекцией точки а – а".

Рассмотрим превращения, протекающие при нагреве и охлаждении в одном из таких сплавов. До упрочнения структура сплава (заготовки) состоит из крупных зерен α-твердого раствора (рис. 3.15, а). Прочность сплава в таком состоянии невелика, так как мала протяженность межзеренных границ, которые являются препятствиями на пути перемещения дислокаций. При нагреве сплава крупнозернистая структура сохраняется до точки 1 – температуры начала полиморфного превращения (см. рис. 3.14). При температуре выше точки 1

Рис. 3.14. Фрагмент диаграммы состояния "Fe – Cr"

Рис. 3.15.

а – в – нагрев; в – д – охлаждение

α-твсрдый раствор становится неустойчивым и по границам его зерен происходит образование новой фазы – γ, размеры зерен которой значительно меньше зерен α-фазы (рис. 3.15, 6). При дальнейшем повышении температуры (до точки 2) количество γ-фазы увеличивается за счет образования новых мелких зерен. В точке 2 полиморфное α → γ превращение заканчивается, α-фаза полностью заменяется γ-фазой, имеющей более мелкие зерна (рис. 3.15, в). Нагрев выше точки 2 (до точки 3) не изменяет фазового состава сплава, но приводит к укрупнению зерен γ-фазы. В связи с этим при проведении термической обработки сплав нагревают лишь немного выше точки 2 (на 30...50 °С), что гарантирует завершение α → γ превращения, но не вызывает увеличения размеров зерен γ-твердого раствора.

После нагрева до указанной температуры и необходимой выдержки сплав охлаждают. Охлаждение выполняют медленно для получения равновесной структуры и снятия напряжений, возникающих при фазовых превращениях. При охлаждении до точки 2 начинается обратное (γ → а) полиморфное превращение с образованием по границам зерен γ-твердого раствора кристаллитов α-фазы, более мелких, чем у исходной γ-фазы (рис. 3.15, г). При понижении температуры до точки 1 количество α-фазы возрастает за счет появления новых мелких зерен. В точке 1 полиморфное превращение заканчивается, структура сплава, сформированная окончательно в результате двойной перекристаллизации, состоит из мелких зерен α-твердого раствора (рис. 3.15, l)).

Таким образом, в результате термической обработки фазовый состав сплава не изменился, изменилась его структура – из крупнозернистой превратилась в мелкозернистую. Уникальность этого метода упрочнения заключается в том, что в результате измельчения зерна повышается не только прочность, но и пластичность сплава. Все остальные методы, повышающие прочность сплавов, одновременно снижают их пластичность.

Полная перекристаллизация, т.е. α → γ и γ → α превращения при нагреве и охлаждении соответственно, во всем объеме возможна только в сплавах с концентрацией хрома не более b" – проекции точки b (см. рис. 3.14). Сплавы, лежащие в интервале b" – а", невозможно упрочнить во всем объеме, так как при нагреве не произойдет полной перекристаллизации, возможно лишь превращение α → α + γ и, таким образом, лишь частичное упрочнение.

Помимо рассмотренной диаграммы состояния упрочнение за счет полиморфного превращения возможно в сплавах, диаграмма состояния которых представлена на рис. 3.16. Здесь сплавы с содержанием компонента В до F можно упрочнить во всем объеме, лежащие в интервале F – D частично. Сплавы с содержанием компонента В более D упрочнить невозможно, поскольку при нагреве их структура не меняется вплоть до начала плавления.

Термомеханическую обработку применяют и для других сплавов.

Поверхностное упрочнение стальных деталей.

Конструкционная прочность часто зависит от состояния материала в поверхностных слоях детали. Одним из способов поверхностного упрочнения стальных деталей является поверхностная закалка.

В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости.

Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева.

Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.

Закалка токами высокой частоты.

Метод разработан советским ученым Вологдиным В.П.

Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

Обычно используются машинные генераторы с частотой 50…15000 Гц и ламповые генераторы с частотой больше 10 6 Гц. Глубина закаленного слоя – до 2 мм.

Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.

Схема технологического процесса закалки ТВЧ представлена на рис. 16.2.

Рис. 16.2. Схема технологического процесса закалки ТВЧ

После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.

Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200 o С (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

Преимущества метода:

• большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;
• более высокие механические свойства;
• отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;
• снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;
• возможность автоматизации процесса;
• использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые;
• позволяет проводить закалку отдельных участков детали.

Основной недостаток метода – высокая стоимость индукционных установок и индукторов.

Целесообразно использовать в серийном и массовом производстве.

Газопламенная закалка.

Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200 o С.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или – наоборот.

Недостатки метода:

• невысокая производительность;
• сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

Старение.

Отпуск применяется к сплавам, которые подвергнуты закалке с полиморфным превращением.

К материалам, подвергнутым закалке без полиморфного превращения, применяется старение.

Закалка без полиморфного превращения – термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние, свойственное сплаву при более высоких температурах (пересыщенный твердый раствор).

Старение – термическая обработка, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.

В результате старения происходит изменение свойств закаленных сплавов.

В отличие от отпуска, после старения увеличиваются прочность и твердость, и уменьшается пластичность.

Старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.

В стареющих сплавах выделения из твердых растворов встречаются в следующих основных формах:

• тонкопластинчатой (дискообразной);
• равноосной (сферической или кубической);
• игольчатой.

Форма выделений определяется конкурирующими факторами: поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящимися к минимуму.

Поверхностная энергия минимальна для равноосных выделений. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в виде тонких пластин.

Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественным старением называется самопроизвольное повышение прочности и уменьшение пластичности закаленного сплава, происходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре.

Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Повышение прочности в процессе выдержки при повышенных температурах называется искусственным старением.

Предел прочности, предел текучести и твердость сплава с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (явление перестаривания)

При естественном старении перестаривания не происходит. С повышением температуры стадия перестаривания достигается раньше.

Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то также ускоряются процессы, протекающие при старении – это деформационное старение.

Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе: процессы, подготавливающие выделение, и сами процессы выделения.

Для практики большое значение имеет инкубационный период – время, в течение которого в закаленном сплаве совершаются подготовительные процессы, когда сохраняется высокая пластичность. Это позволяет проводить холодную деформацию после закалки.

Если при старении происходят только процессы выделения, то явление называется дисперсионным твердением.

После старения повышается прочность и снижается пластичность низкоуглеродистых сталей в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.

Старение является основным способом упрочнения алюминиевых и медных сплавов, а также многих жаропрочных сплавов.

Обработка стали холодом.

Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения (М к) ниже 0 o С. Поэтому в структуре стали после закалки наблюдается значительное количество остаточного аустенита, который снижает твердость изделия, а также ухудшает магнитные характеристики. Для устранения аустенита остаточного проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур, до температуры ниже т. М к (- 80 o С). Обычно для этого используют сухой лед.

Такая обработка называется обработкой стали холодом.

Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1…4 HRC.

После обработки холодом сталь подвергают низкому отпуску, так как обработка холодом не снижает внутренних напряжений.

Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.

Упрочнение методом пластической деформации.

Основное назначение методов механического упрочнения поверхности – повышение усталостной прочности.

Методы механического упрочнения – наклепывание поверхностного слоя на глубину 0,2…0,4 мм.

Разновидностями являются дробеструйная обработка и обработка роликами.

Дробеструйная обработка – обработка дробью поверхности готовых деталей.

Осуществляется с помощью специальных дробеструйных установок, выбрасывающих стальную или чугунную дробь на поверхность обрабатываемых деталей. Диаметр дроби – 0,2…4 мм. Удары дроби вызывают пластическую деформацию на глубину 0,2…0,4 мм.

Применяют для упрочнения деталей в канавках, на выступах. Подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.

При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия.

При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину. Обработка улучшает микрогеометрию. Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия.

Обкатка роликами применяется при обработке шеек валов, проволоки, при калибровке труб, прутков.

Не требуется специальное оборудование, можно использовать токарные или строгальные станки.

Дата публикования: 2015-03-26 ; Прочитано: 1735 | Нарушение авторского права страницы | Заказать написание работы

Отключите adBlock!
очень нужно