производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 2.7. Методы упрочнения металлических сплавов

Методы упрочнения связаны с созданием препятствий перемещению дислокаций. Этого можно достичь за счет термической обработки сплавов определенного вида: перекристаллизации; дисперсионного твердения; мартенситного превращения, особенно характерного для сталей (см. подразд. 5.1.2 и 5.2); пластической деформации (наклеп).

Перекристаллизация — это изменение типа кристаллической решетки, происходящее при полиморфном превращении. Упрочнение достигается за счет измельчения зерна в процессе изменения типа кристаллической решетки, т.е. при образовании новой фазы. Так, в исходном состоянии сплав имеет крупнозернистое строение. При его нагреве до температуры /| (рис. 2.27) начинается (α γ)-превращение. Вновь образующаяся γ-фаза возникает по границам исходной α-фазы и имеет меньшую величину зерна. Превращение заканчивается при нагреве до температуры t2, при этом структура сплава представлена только мелкозернистой γ-фазой. При охлаждении происходит обратное(γа)-превращение и вторичное измельчение зерна.

Рис. 2.27. Схема упрочнения сплавов за счет перекристаллизации:

а — диаграмма состояния; б — структура в исходном состоянии; в — структура после упрочнения

Дисперсионное твердение — это упрочнение сплава за счет выделения из пересыщенного твердого раствора большого количества мельчайших частиц второй дисперсной (очень мелкой) фазы. Прочность возрастает за счет того, что эти частицы препятствуют перемещению дислокаций. Дисперсионное твердение возможно для сплавов типа твердый раствор с ограниченной растворимостью (рис. 2.28). В исходном состоянии частицы второй фазы крупные. Упрочнение достигается нагревом до получения однофазной структуры (температуры г)), при этом частицы второй фазы растворяются в твердом растворе. Образованную однофазную структуру фиксируют последующим быстрым охлаждением, т.е. закалкой. Выделение второй фазы подавляется из-за быстрого охлаждения, поэтому при комнатной температуре получается структура пересыщенного твердого раствора. Выделение вторичной фазы происходит при старении, т.е. нагреве до температур ниже tb вызывающем выделение второй фазы, но не ее рост. В результате получается структура с зернами твердого раствора и мельчайшими частицами второй фазы. Таким образом упрочняются алюминиевые сплавы, быстрорежущие стали и др.

Рис. 2.28. Схема упрочнения сплава при дисперсионном твердении:

а — структура в исходном состоянии; б — структура после упрочнения

Наклеп и рекристаллизация. Наклеп — изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией. В результате наклепа повышается предел прочности металла, а его пластичность снижается (рис. 2.29).

В результате пластической деформации происходит искажение кристаллической решетки, зерна металла деформируются и приобретают определенную ориентацию. До деформации зерно имеет равноосную форму, а после деформации зерна сначала вытягиваются в направлении действующих сил, а затем дробятся, т.е. измельчаются (рис. 2.30), что и приводит к повышению прочности.

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. В таком металле даже при комнатной температуре могут самопроизвольно протекать процессы, приводящие его в более устойчивое состояние. Если же деформированный металл нагреть, то скорость этих процессов возрастает. Небольшой нагрев (для железа до 300... 400 °С) ведет к снятию искажений кристаллической решетки, но микроструктура остается без изменений — зерна по-прежнему сохраняют вытянутую форму. Прочность несколько снижается, а пластичность повышается. Такая обработка называется возвратом или отдыхом.

Рис. 2.29. Влияние пластической деформации на механические свойства металла:

σ1— предел прочности; δ — относительное удлинение; HRB — твердость; ϝ — степень пластической деформации

Рис. 2.30. Изменение структуры при пластической деформации металла:

а — структура металла до деформации; б — структура металла после первой операции деформации; в — структура металла после окончательной деформации

При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов возрастает и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост равноосных зерен. В результате металл приобретает структуру и свойства, которые имел до наклепа (рис. 2.31). Это явление называется рекристаллизацией.

Температура начала рекристаллизации зависит от природы металла — его температуры плавления, а также от того, чистый это металл или сплав:

Тр = αТпл,

где Tp и Tпл— соответственно температура рекристаллизации и плавления, К; α — коэффициент, зависящий от чистоты металла и типа сплава, для технически чистых металлов и сплавов он составляет 0,3...0,4, для сплавов типа твердый раствор — 0,5...0,6, а в некоторых случаях достигает 0,8.

Рис. 2.31. Влияние нагрева на механические свойства наклепанного металла: σ, — предел прочности; δ — относительное удлинение; σ0,2 — напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2% от первоначальной длины образца

Температура рекристаллизации играет важную роль в процессах обработки металлов давлением. Обработка, производимая ниже температуры рекристаллизации, вызывает наклеп и называется холодной обработкой давлением. Если обработка выполняется при температурах, превышающих температуру рекристаллизации, то это горячая обработка давлением, при которой наклепа не возникает.

Поскольку температура рекристаллизации зависит от температуры плавления, то и пограничные температуры, разделяющие обработку на горячую и холодную, для разных металлов сильно отличаются. Так, пластическая деформация свинца при комнатной температуре является горячей обработкой и не вызывает наклепа. Действительно, температура плавления свинца составляет 327 °С, или 600 К. Определим температуру рекристаллизации Тр для а = 0,4 (чистый металл): Тр = 600 0,4 = 240 К = -33 °С. Таким образом, свинец будет упрочняться за счет пластической деформации, если ее выполнять при отрицательных температурах.

На практике для снятия наклепа металл нагревают до более высоких температур, чтобы ускорить процесс рекристаллизации. Эта операция называется рекристаллизационный отжиг. Он необходим при производстве заготовок (например, проволоки, ленты в металлургическом производстве) и деталей методами холодной пластической деформации. Так, после прокатки заготовки до определенного диаметра ее пластичность понижается настолько, что дальнейшая холодная обработка невозможна, потому что металл будет разрушаться. Для проведения дальнейшей прокатки и выполняется рекристаллизационный отжиг с целью восстановления исходной пластичности (см. рис. 2.31). При этом структура металла не должна быть крупнозернистой, так как высокая пластичность наряду с прочностью присуща мелкозернистым сплавам.

Рис. 2.32. Влияние продолжительности (а) и температуры (б) отжига на величину рекристаллизованного зерна: Т1 < Т2 < Т3

Рекристаллизация является диффузионным процессом, поэтому на величину рекристаллизованного зерна оказывают влияние температура отжига (рис. 2.32, а) и его продолжительность (рис. 2.32, б). Нагрев выше оптимальных температур и увеличение времени выдержки ускоряют диффузионные процессы. Это приводит к интенсивному росту зерен и получению в результате крупнозернистой структуры металла.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.