10. УПРОЧНЕНИЕ СПЛАВОВ

Интерес к упрочнению материалов обусловлен стремлением к уменьшению их расхода, увеличению прочности, износостойкости, коррозионной стойкости деталей, сопротивления хрупкому разрушению, выносливости, надежности и срока службы машин, а также повышению других механических и эксплуатационных характеристик материалов деталей - ма шин.

Любое упрочнение с энергетической точки зрения представляет собой создание структуры с повышенной величиной внутренней или свободной энергии. Повышение внутренней энергии при структурных превращениях реализуется тремя основными способами: ростом плотности дефектов кристаллического строения, переходом материала в более энергоемкое полиморфное состояние и повышением структурно–энергетических параметров исходной структуры за счет свободной энергии модифицирующих компонентов. В различных способах упрочнения проявляются свои доминирующие структурно–энергетические механизмы упрочнения. Так, в технологиях поверхностного модифицирования имеют место полиморфные превращения и повышение концентрации специальных легирующих компонентов. В технологиях пластического деформирования главную роль играет увеличение плотности дефектов кристаллического строения. При воздействии на материалы концентрированных потоков энергии и вещества проявляются все структурно–энергетические механизмы упрочнения(повышение плотности дефектов кристаллического строения, полиморфные превращения и легирование).

К основным способам упрочнения металлов и сплавов относятся: легирование с образованием твердых растворов; пластическое деформирование; создание дисперсных выделений; упрочнение термическими методами; упрочнение химико-термическими методами.

10.1. Упрочнение легированием

Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивают рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества металла.

Упрочнение при легировании увеличивается пропорционально концентрации легирующего элемента в твердом растворе. При этом надо помнить, что различные легирующие элементы имеют ограниченную растворимость в основных фазах сплава и это зависит от относительной разницы атомных радиусов компонентов. Образование твердых растворов разных типов (замещения, внедрения, упорядоченных, не упорядоченных и др.)

115

создают комбинации различных дислокационных образований с многообразными характеристиками прочности.

Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой. Наиболее эффективное измельчение структуры достигается при высокотемпературной термомеханической обработке. Она предусматривает пластическую деформацию аустенита с последующим превращением в мартенсит. В результате высокотемпературной термомеханической обработки обеспечивается наиболее благоприятное сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью, вязкостью и сопротивлением разрушению. Упрочнение растет по мере увеличения концентрации растворенного

легирующего элемента и различия в атомных радиусах железа и этого элемента. Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного феррита Si, Mn, Ni, т. е. элементы, имеющие отличную от Feα кристаллическую решетку. Слабее влияют Mo, V и Cr, решетки которых изоморф-

ны Feα. Повышение чистоты сплава достигается металлургическими приемами путем удаления вредных примесей серы, фосфора, газообразных элементов – кислорода, водорода, азота.

При введении в сталь легирующих элементов, растворимость которых в решетке железа может изменяться в зависимости от температуры, наблюдается эффект, называемый дисперсионным твердением. Для этого необходимо получить пересыщенный твердый раствор с повышенной концентрацией растворенного элемента. Такой твердый раствор является неравновесным и стремится к распаду. Процесс распада пересыщенного твердого раствора при комнатной температуре называетсяестественным старением, при некотором нагреве – искусственным старением.

При старении избыточный элемент выделяется из кристаллической решетки металла-растворителя в виде мельчайших частиц, которые назы-

вают дисперсной фазой.

Дисперсная фаза, будучи равномерно распределена в твердом растворе, искажает кристаллическую решетку последнего и изменяет механические свойства сплава. Повышение твердости, прочности наблюдается только в том случае, когда сохраняется когерентность(непрерывность) атомно-кристаллических решеток дисперсной фазы и твердого раствора.

Дисперсионное твердение связано с диффузионными процессами и поэтому продолжительность старения оказывает на него существенное влияние. Дисперсионное твердение в сложнолегированной стали с- не сколькими легирующими элементами часто проявляется совершенно иначе, чем в стали с одним легирующим элементом. Дополнительные легирующие элементы могут увеличивать или уменьшать растворимость -ос новного элемента, вызывающего дисперсионное твердение, и тем самым увеличивать или уменьшать эффект упрочнения материала. Дисперсион-

ное твердение сопутствует обычному процессу термической обработки

116

стали и оказывает существенное влияние на ее свойства. Упрочняющими фазами в сталях могут быть карбиды, нитриды, интерметаллиды, химические соединения и др.

10.2. Упрочнение пластическим деформированием

В результате холодной пластической деформации изменяются свойства металла: повышаются прочность, электросопротивление, снижаются пластичность, плотность, коррозионная стойкость. Это явление называется наклепом и может быть использовано для изменения свойств металлических материалов. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации. Металлы наклепываются в начальной стадии деформирования более интенсивно, чем при дальнейшем возрастании степени деформации (рис. 10.1). С увеличением степени деформаций предел текучести растет быстрее временного сопротивления. У сильно наклепанных металлов обе характеристики сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла называется предельным; при попытке продолжить деформирование может произойти разрушение металла. В результате наклепа удается повысить твердость и временное сопротивление в полтора – три раза, а предел текучести в три – семь раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна(интенсивно наклепываются аустенитная сталь и никель, а алюминий упрочняется незначительно).

Рис. 10.1. Зависимость механических свойств от степени деформации

Наклеп понижает плотность металла вследствие нарушений порядка в размещении атомов, при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые в процессе эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. Наиболее распространенным способом холодного пластического поверхностного деформирования является дробеструйная обработка. Она заключается в воздействии на обрабатываемую поверхность частиц

117

дроби, ускоренных в дробеструйных центробежных или пневматических аппаратах. Для этого используется стальная или чугунная дробь величиной 0,5–2,0 мм. Время обработки поверхности детали не превышает 2–3 минуты, а толщина поверхностного слоя находится в пределах 0,2–0,4 мм.

В поверхностном наклепанном слое увеличивается плотность дефектов кристаллической решетки, может изменяться форма и ориентация зерен. В поверхностных слоях создаются сжимающие напряжения, тормозящие зарождение и развитие трещин. Дробеструйная обработка может быть эффективна для сталей различного состава и после различной термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, улучшение, цементация и др.).

Основное назначение дробеструйной обработки– повышение усталостной прочности. Такой обработке подвергаются пружины, рессоры, шестерни, различные валы и т. д. Особенно эффективна дробеструйная обработка деталей, имеющих галтели, выточки, следы грубой механической обработки и другие концентраторы напряжений. Для сравнения в таблице 10.1 приведены примеры повышения сопротивления усталостному разрушению некоторых деталей машин.

		Таблица 10.1.
Название детали	σ–1, МПа
	До	После
	обработки	обработки
Шестерня после закалки из стали 45	300	480
Пружины автомобиля передней подвески	458	724
из стали 65Г
Клапанные пружины двигателя из стали	480	738
50ХФА

Если изменение структуры и свойств в результате пластической -де формации нежелательно, оно может быть устранено последующей термической обработкой – рекристаллизационным отжигом.

10.3. Упрочнение термическими методами

Температурное воздействие на различные материалы с целью изменения их структуры и свойств является самым распространенным способом упрочнения в современной технике. Это воздействие может осуществляться чаще при плюсовых температурах, реже – при отрицательных и сочетаться с химическим, деформационным, магнитным, электрическим и другими процессами.

118

Следуя классификации А. А. Бочвара, в основу которой положены типы фазовых и структурных превращений в металле, различают следующие виды термообработки:

·собственно термическая;

·термомеханическая;

·химико-термическая.

Собственно термическая обработка предусматривает только темпе-

ратурные воздействия на металл или сплав. Управляемые структурно– фазовые процессы в стали, которые обеспечивают получение требуемой фазовой и дислокационной структуры, происходят вследствие наличия аллотропии.

Термомеханическая обработка (ТМО) – сочетание термического воздействия и пластической деформации. ТМО позволяет получить более высокие прочностные и вязкостно-пластические свойства у стали, чем после обычной закалки и низкого отпуска. Положительный дополнительный эффект при ТМО объясняется предварительным наклепом аустенита во время пластической деформации. Последствия этого наклепа передаются мартенситу в виде дополнительных, возникающих при наклепе дислокаций, которые складываются с дислокациями, возникающими при последующем мартенситном превращении, создают более плотную дислокационную структуру. Такая высокая плотность дислокаций (до 1013 см–2) не порождает возникновение трещин при закалке. Существуют две разновидности термомеханической обработки – высокотемпературная (ВТМО) и низкотемпературная (НТМО). При ВТМО аустенит деформируется при температуре выше линии А3 до степени деформации 20–30%. При НТМО производится деформация переохлажденного до400–600 ºС аустенита, степень деформации составляет 75–90%.

Химико-термическая обработка (ХТО) – сочетание химического и термического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении. При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (C, N, B, Al, Cr, Si, Ti и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды(твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий:

·выделения диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде;

·контактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение(растворение) их в решетку железа (адсорбция);

·диффузии атомов насыщающего элемента в глубь металла.

119