Тема: Повышение прочности или упрочнение материалов. Упрочнение металла

Наклеп и нагартовка - упрочнение металла: особенности и отличия

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.

На производстве проблема упрочнения металлических поверхностей решается с помощью специального оборудования

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.

Упрочнение поверхности металла можно оценить по изменению микротвердости, уменьшающейся про мере удаления от поверхности

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.

Упрочнение (наклеп) при обработке резанием

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.

Деформационное уплотнение кромки этого затвора произошло в результате эксплуатации, значит ˜– это наклеп

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.

Схема традиционного деформационного наклепа и график повышения твердости материала

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.

Изменение структуры поверхностного слоя в результате холодной деформации

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.

Устройство промышленной дробомётной установки для обработки труб

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.

Дробометная установка для обработки листового и профильного металлопроката

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.

Нагартованная нержавеющая лента обладает более высокой прочностью с определенной потерей вязкости и пластичности

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.

Ручная правка наклепом изогнутого вала

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.

На видео ниже показан процесс упрочнения методом наклепа колес для железнодорожной техники в дробеметной установке.

Оценка статьи:

Загрузка...

Поделиться с друзьями:

met-all.org

7. Поверхностное упрочнение деталей

Назначение поверхностного упрочнения – повышение прочности, твердости, износостойкости поверхностных слоев деталей при сохранении вязкой, пластичной сердцевины для восприятия ударной нагрузки. Создание в поверхностных слоях деталей напряжений сжа­тия – второе назначение поверхностного упрочнения.

Техническими условиями на изготовление детали задают­ся твердость и глубина упрочненного слоя, а также прочность и вязкость сердцевины.

Основные методы поверхностного упрочнения можно разделить на три группы: механические, термические и химико-термическая обработка.

7.1. Механическое упрочнение поверхности

Упрочнение металла под действием холодной пластиче­ской деформации называется наклепом, или нагартовкой. При этом изменяется строение металла: искажается кристал­лическая решетка и деформируются зерна, т. е. из равноос­ных они превращаются в неравноосные. Это сопровождается увеличением твердости и проч­ности в 1,5 – 3 раза. Возникающие в наклепанном слое на­пряжения сжатия повышают сопротивление усталости. Уп­рочнение поверхности пластическим деформированием повы­шает надежность работы деталей, снижает чувствительность к концентраторам напряжений, повышает сопротивление изнашиванию и коррозионную стойкость, устраняет следы пре­дыдущей обработки. Эти операции упрочнения наиболее эффективны для металлов с твердостью до НВ250 – 280.

Накатка роликами и шариками – операция, при которой стальной закаленный ролик (шарик), обкатывая упрочняемую поверхность при заданной нагрузке (нажатии), деформирует, т. е. сминает поверхностный слой металла на определенную глубину (рис. 29). Происходит упрочнение – наклеп. Глубина упрочненного слоя – 0,5 – 2,0 мм. Этим методом в основном упрочняются детали типа тел вращения (валы, оси, гильзы) или имеющие значительные по размерам плоские поверхности.

Дробеструйная обработка – операция, при которой частицы твердого металла (дробь), вылетая из дробемета с большой скоростью (90 – 150 м/с), ударяют по уп­рочняемой поверхности и происходит ее наклеп. Прочность, твердость и предел усталости повышаются. Глубина упроч­ненного слоя составляет 0,2 – 0,4 мм. Дробеструйному накле­пу подвергают пружины, рессоры, зубчатые колеса, валы торсионные и т. п. Например, рессорные листы после термо­обработки перед сборкой в пакет подвергают дробеструйному наклепу, что значительно увеличивает срок службы рессоры (в три – пять раз).

Дробеструйная обработка является конечной технологи­ческой операцией для деталей после механической и терми­ческой обработки.

Кроме этих методов используются вибронакатывание, калибровка отверстий, алмазное выгла­живание и др.

7.2. Термическое упрочнение – поверхностная закалка

Сущность поверхностной закалки состоит в том, что верхние слои детали быстро нагреваются выше температуры критических точек и создается резкий перепад температуры по сечению от поверхности к сердцевине. Если нагрев пре­рвать и деталь быстро охладить, то закалку получит только ее поверхность, а сердцевина останется незакаленной.

Закалка с индукционным нагревом то­ком высокой частоты (закалка ТВЧ) – операция, при которой деталь для нагрева помещают в индуктор (со­леноид), представляющий собой один или несколько витков медной трубки, охлаждаемой проточной водой. Переменный ток высокой частоты, протекая по индуктору, создает пере­менное магнитное поле (рис. 30). В результате в поверхно­стном слое детали возникают вихревые токи и выделяется джоулево тепло. Происходит быстрый нагрев поверхности до температуры закалки. Время нагрева – 20 – 50 с.

Рис. 30. Схема нагрева детали ТВЧ: 1 – генератор тока

высокой частоты; 2 – конденсатор; 3 – индуктор; 4 – деталь

Охлаждение нагретой для закалки детали производится либо в баке (с водой, эмульсией или маслом), либо душевым устройством – спрейером. Глубина закаленного слоя, в за­висимости от режимов закалки, – 1,5 – 4,0 мм. После закалки ТВЧ деталь подвергают низкому отпуску, или само­отпуску. Поверхностную индукционную закалку чаще приме­няют для углеродистых сталей (0,4 – 0,5 % углерода) и значительно реже – для легированных.

При поверхностной закалке, в том числе с глубинным нагревом, повышается сопротивление усталостному разрушению. Индукционный нагрев позволяет сократить длительность термической обработки и повысить производительность труда, получить поверхность без окалины, уменьшить деформацию и коробление деталей при закалке.

Закалка ТВЧ создает условия для полной механизации и автоматизации, обеспечивает термообработку в поточной линии без разрыва технологического процесса. Особенно эффективен этот метод для серийного и массового производства.

К существенным недостаткам закалки ТВЧ можно отнести неравномерный нагрев поверхности детали и ограничения по форме и размерам детали.

Закалка с газопламенным нагревом при­меняется в основном для крупных деталей, толщина закален­ного слоя – не менее 20 – 40 мм при минимальной твердости HRC55 – 58.

Наибольшее распространение получил нагрев ацетилено-кислородным пламенем (3150°С) и более дешевым и безо­пасным керосино-кислородным пламенем (2400°С).

Этот способ (как и закалка ТВЧ) обеспечивает меньшее коробление деталей по сравнению с объемной закалкой, более чистую поверхность (без окалины). Процесс легко механизи­ровать и автоматизировать, включать в технологический по­ток; не требуется сложное, дорогостоящее оборудование.

Недостатки закалки с газопламенным нагревом:

опасность перегрева, металла вплоть до оплавления поверхностного слоя;

отсутствие возможности точно регулировать темпера­туру и толщину закаленного слоя;

использование газа требует дополнительных мероприя­тий по охране труда и технике безопасности.

Лазерная закалка – перспективный метод упроч­нения сложных стальных и чугунных деталей, долговечность которых лимитируется износостойкостью и усталостной проч­ностью, когда их упрочнение другими методами затруднено. Износостойкость чугунных деталей повышается в несколько раз, а предел выносливости стальных – на 70 – 80 %.

При этой закалке на поверхность детали направляется сфокусированный линзой в точку луч лазера. Высокая концентрация световой энергии на малой площади поверхности приводит к резкому повышению температуры металла (выше критических точек). За счет постоянного перемещения лазерного луча время нагрева отдельного участка поверхности исчисляется несколькими долями секунды. Таким образом, в следующий момент времени нагретый участок начинает быстро охлаждаться за счет отвода тепла в холодные слои детали – происходит закалка нагретого участка поверхности детали. Глубина закаленного слоя не превышает одного миллиметра.

studfiles.net

3. Способы упрочнения металлов и сплавов. Материаловедение: конспект лекций [litres]

3. Способы упрочнения металлов и сплавов

Поверхностное упрочнение металлов и сплавов широко применяется во многих отраслях промышленности, в частности в современном машиностроении. Оно позволяет получить высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя при сохранении достаточно вязкой сердцевины, способствует повышению долговечности и усталостной прочности. Некоторые методы поверхностного упрочнения отличаются высокой производительностью. В ряде случаев они с большой эффективностью используются вместо обычных методов термической обработки. Существует большое количество деталей, к свойствам поверхностного слоя металла которых предъявляются иные требования, нежели к свойствам внутренних слоев. Например, зубья шестерен в процессе работы испытывают сильное трение, поэтому они должны обладать большой твердостью, однако иметь небольшую твердость и хорошую вязкость, с тем чтобы зубья не разрушались от толчков и ударов. Следовательно, зубья шестерен должны быть твердыми на поверхности и вязкими в сердцевине.

Наиболее распространенным способом упрочнения поверхностного слоя металлов и сплавов является поверхностная закалка, при которой высокую твердость приобретает лишь часть поверхностного слоя деталей. Остальная часть не закаливается и сохраняет структуру и свойства, которые были до закалки. В настоящее время наибольшее распространение получила поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты. Этот высокопроизводительный прогрессивный метод термической обработки обеспечивает повышение механических свойств стали, в том числе предела текучести, усталости и твердости, исключает возможность обезуглероживания, уменьшает опасность окисления поверхности изделий и их деформации.

Детали сложной формы, ленточные пилы, режущий инструмент (фрезы, сверла), рычаги, оси подвергают импульсной поверхностной закалке. Для этого закаливаемую часть детали нагревают до температуры, превышающей температуру обычного нагрева данного материала под закалку, и затем охлаждают с большой скоростью за счет отвода тепла в остальную массу детали без применения охлаждающих сред. В результате импульсной закалки получают закаленный «белый» слой, устойчивый при отпуске до температуры 450 °C, обладающий мелкозернистой структурой, высокой твердостью и износостойкостью.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

tech.wikireading.ru

Технологии упрочнения металлов - это... Что такое Технологии упрочнения металлов?

Большинство деталей машин работают в условиях изнашивания, кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжения. Газотермическое напыление, наплавка, химико-термическая обработка повышают твёрдость, кавитационную и коррозионную стойкость и, создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивают надёжность и долговечность деталей машин. Кроме того увеличить прочность и сопротивление усталости можно созданием соответствующих композиций сплавов и технологии обработки. При сохранении достаточно высокой пластичности, вязкости и трещиностойкости данные методы повышает надёжность и долговечность машин и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей.

Термические

Упрочнению термической обработкой подвергаются 8-10 % общей выплавки сталей.

В машиностроении объём термического передела составляет до 40% стали.

1. Объёмная
2. Поверхностная

Механические

Механические свойства деталей улучшаются пластической деформацией или поверхностным наклёпом. Эти методы широко используются в промышленности для повышения сопротивляемости малоцикловой и многоцикловой усталости деталей машин.

1. Обкатывание
2. Чеканка
3. Алмазное выглаживание
4. Старение

Химико-термические

Деталь помещают в среду, богатую элементом, который диффундирует в металл.

1. Цементация
2. Азотирование
3. Нитроцементация
4. Цианирование
5. Диффузионное насыщение металлами
   1. Алитирование
   2. Хромирование
   3. Никелирование
   4. Силицирование
   5. Борирование

Газотермическое напыление

С помощью нагрева исходного материала, его диспергирования и переноса газовой струей на поверхность изделия наносится слой металла или сплава, металлокерамики, керамики с необходимыми свойствами. При этом изделие не нагревается более 100 градусов Цельсия.

Наплавка

Наплавка — это нанесение слоя металла на поверхность изделия посредством сварки плавлением. Различают методы:

• Газопорошковая наплавка
• Наплавка под флюсом
• Наплавка самозащитными проволоками
• Вибродуговая наплавка
• Плазменная наплавка

PVD-процесс

Hапылениe покрытий (тонких плёнок) в вакууме

Ревитализация (техника)

Основная статья: Ревитализант

Упрочнение поверхностей смазываемых деталей механизмов в процессе их работы при помощи ревитализанта.

Комбинированные

Совместное применение химико-термических и механических методов или термических и механических.

Литература

• А.П. Гуляев Металловедение. — М.: Металлургия, 1977.
• Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с.
• Л.Х. Балдаев Реновация и упрочнение деталей машин методами газотермического напыления. — М.: КХТ, 2004.

dic.academic.ru

Тема: Повышение прочности или упрочнение материалов - Исследование

Тема: Повышение прочности или упрочнение материалов

Фундаментальная проблема современного материаловедения в машиностроении – исследование процессов, приводящих к повышению прочностных свойств материалов, механизмов упрочнения и разработка на этой основе эффективных технологий получения высокопрочных материалов. Без таких материалов невозможно дальнейшее развитие машиностроения, авиации и космической техники, судостроения, добывающей промышленности, атомной энергетики.

Повышение прочности или упрочнение материала – условно необратимое повышение прочностных характеристик при механическом, химическом, тепловом воздействии на материал. Упрочнение может достигаться, во-первых, при обработке уже полученного материала, и, во-вторых, при его получении.

Механизмы упрочнения материалов можно разделить на две группы:

а) дислокационные,

б) недислокационные.

Дислокационные механизмы упрочнения реализуются в кристаллических материалах. В их основе лежат процессы размножения дислокаций, изменения их плотности и торможения.

Недислокационные механизмы упрочнения возможны в поликристаллических и аморфных материалах, которые могут иметь гетерогенную структуру с высокой работой распространения трещин.

Предлагалось несколько классификаций вариантов или общих направлений упрочнения материалов. В основу этих классификаций положены как механизмы упрочнения, так и способы получения упрочненных материалов.

Рассмотрим наиболее распространенные классификации, предложенные в разное время выдающимися материаловедами.

Классификация способов упрочнения металлов, предложенная академиком А.А.Бочваром:

1. Холодная деформация металлов (нагартовка).

2. Сплавление основного металла с компонентами, образующими с ним твердые растворы.

3. Получение высокодисперсной смеси фаз или промежуточного состояния, соответствующего подготовительной стадии образования этой смеси.

4. Введение в сплав компонентов, образующих уже при кристаллизации новую более твердую фазу, располагающуюся по границам первичных зерен или по междендритным пространствам.

В основу классификации способов упрочнения металлов, предложенной основателем московской школы металловедения, профессором МИСИС М.Л.Бернштейном положены различные варианты торможения дислокаций:

1. Упорядочение:

- ближнее; дислокации тормозятся за счет межатомных связей, например, при понижении температуры уменьшаются межатомные расстояния в кристалле, что приводит к увеличению сил межатомного взаимодействия и торможению дислокаций;

- дальнее; образуются субзерна, домены с правильным кристаллическим строением, их границы тормозят движение дислокаций.

2. Образование атмосфер из атомов примесей.

3. Торможение дислокаций на частицах второй фазы.

4. Упрочнение вследствие взаимодействия дислокаций.

Немецкими металловедами Р.Циммерманом и К.Гюнтером также были предложены следующи основные пути повышения прочности материалов:

1. Деформационное упрочнение (наклеп).

2. Упрочнение при образовании твердого раствора.

3. Упорядочение (образование антифазных границ).

4. Создание мелкозернистой структуры; старение (выделение вторых фаз).

5. Образование субструктуры.

6. Увеличение плотности дислокаций, например в результате фазового наклепа.

7. Уменьшение плотности дислокаций.

8. Создание композитных материалов.

9. Создание благоприятных (сжимающих) поверхностных остаточных напряжений.

Анализируя приведенные классификации методов упрочнения, нельзя не заметить их общность, даже повторяемость по ряду отдельных способов.

В связи с этим, можно составить обобщенную классификацию, положив в основу механизмы упрочнения.

I. Варианты упрочнения, реализуемые на основе дислокационных механизмов:

1. Твердорастворное упрочнение.

2. Дисперсионное упрочнение.

3. Дисперсное упрочнение.

4. Получение сверхмелкого зерна (зернограничное упрочнение)

5. Упрочнение сплавов путем образования прочной межзеренной сетки при их кристаллизации.

6. Деформационное упрочнение.

II. Варианты упрочнения, реализуемые на основе недислокационных механизмов:

1. Создание бездислокационных структур:

- создание монокристаллических материалов;

- создание нанокристаллических и амофных материалов.

2. Создание композиционных материалов.

3. Трансформационное упрочнение в керамиках.

Рассмотрим вышеизложенные варианты упрочнения, подробно останавливаясь на собственно механизмах упрочнения, его физической сути. Также рассмотрим и некоторые технологические способы, посредством которых могут быть реализованы варианты упрочнения.

При этом следует иметь ввиду, что некоторые вопросы предусмотрены к изучению в отдельных общих и специальных курсах, таких, как материаловедение, технология материалов и покрытий, теория строения материалов, термическая и химико-термическая обработка металлов. Поэтому вопросы материаловедения и металловедения, теории и практики термической и химико-термической обработки в данной лекции будут освещены только в связи с проблемой упрочнения материалов, его механизмами.

1. Твердорастворное упрочнение

Твердорастворное упрочнение реализуется в сплавах вследствие способности металлов образовывать между собой, а также с неметаллами либо отдельные фазы, либо смеси фаз. Различают твердые растворы замещения, твердые растворы внедрения, интерметаллические фазы.

Твердые растворы замещения возникают при занятии некоторых узлов решетки матрицы атомами другого элемента, т. е. замещением атома матрицы (рис. 1).

Область растворимости какого-либо металла в данной матрице может быть оценена эмпирическим правилом Юм-Розери: широкая область растворимости возможна в тех случаях, когда:

а) различие атомных радиусов менее 10-15 %;

б) элементы обладают почти одинаковыми электрохимическими свойствами;

в) решетки изотипны.

Рис. 1. Рис. 2.

При полном выполнении правила Юм-Розери получается непрерывный ряд твердых растворов, а при частичном – растворимость в твердом состоянии ограниченная.

При образовании твердых растворов замещения могут возникать следующи варианты расположения атомов:

1. Ближний .порядок (рис. 2). Атом окружен атомами другого вида. Энергия связи между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Рис. 3. Рис. 4.

2. Дальний порядок, или сверхструктура (рис. 3). Возникает при стехиометрическом соотношении разнородных атомов, которые образуют вполне определенную решетку. Сверхструктуры устойчивы только ниже определенной температуры.

4. Образование зон. Предпочтительное расположение однородных атомов растворяемого элемента в качестве ближайших соседей.

Твердые растворы внедрения образуются при внедрении преимущественно атомов металлоидов в междоузлия кристаллической решетки матрицы (рис. 5)

Рис. 5

Фазы внедрения – сверхструктуры в системах растворов внедрения (рис. 6) имеют полуметаллический блеск, высокую твердость и износоустойчивость. В технике наиболее широко используются такие фазы внедрения, как карбиды и нитриды переходных металлов

Рис.6.

Интерметаллические фазы образуются обычно в средних частях диаграмм состояния, за областью твердых растворов, когда не выполняется правило Юм-Розери. Характеризуются проявлением гетерополярной и гомеополярной составляющих межатом-ных сил связи наряду, естественно, с металлической связью при почти полной или частичной стехиометрии. Интерметаллические фазы стабильнее сверхструктур, они большей частью твердые, хрупкие и обладают плохой электропроводностью.

Различают (по увеличению вклада неметаллической составляющей сил связи):

1. Фазы Юм-Розери, которые образуются между металлами групп Ib, IVb до VIIIb (металлы первого рода) и металлами групп IIb, IIIa до Va (металлы второго рода). Такие фазы характеризуются определенным отношением числа валентных электронов к числу атомов.

Примеры фаз:

а) -фазы – большинство из них имеет кубическую и г.п.у. решетки; три валентных электрона на каждые два атома;

б) -фазы — большей частью сложные кубические решетки; 21 валентный электрон на 13 атомов;

в) -фазы — в основном г.п.у. решетки; имеют семь валентных электронов на четыре атома.

Фазы Юм-Розери имеют металлический блеск, высокую твердость и хрупкость. 2. Фазы Лавеса, представляющие, собой соединения АВ2 типов MgCu2, MgNi2 и MgZn2. Фазы Лавеса – твердые, хрупкие, диамагнитные.

3. Фазы Цинтля, представляющие собой соединения между металлами с сильно различающимися электрохимическими свойствами; имеют солевидный характер. Фазы Цинтля Li и Mg.

4 Фазы Гриме-Зоммерфельда, имеющие гомеополярный характер сил связи, образующиеся между элементами, равноотстоящими вправо и влево от группы IVa периодической системы элементов. Они кристаллизуются в кубическую решетку алмазного типа или гексагональную типа вюрцита, например CdSe, который применяется как полупроводник (лазер).

5. Интерметаллические соединения на железной основе с металлами IV, V и VI групп, интерметаллические соединения Fe с Со, Ni и Мn.

-фазы описываются, как фазы Юм-Розери (имеют определенное отношение электронов на атом).

Растворное упрочнение реализуется только в сплавах на основе твердых растворов замещения и внедрения. В основе этого эффекта лежит механизм взаимодействия дилокаций с примесными атомами, которое приводит к их торможению, т.е. к упрочнению материала.

Инородные атомы, находящиеся в узлах или междоузлиях кристаллической решетки базового металла, могут вызывать торможение дислокаций и упрочнение материала за счет четырех эффектов:

1) образования примесных атмосфер на дислокациях;

2) изменения энергии дефектов упаковки;

3) увеличения сил трения при движении дислокаций;

4) упорядочения.

Образование на дислокациях примесных атмосфер (Коттрелла, Сузуки, Снука) затрудняет их перемещение, особенно при низких температурах и повышает напряжение, необходимое для начала работы источников Франка-Рида. Вследствие этого затрудняется переход к новым системам скольжения, примесные атмосферы их блокируют. Такая блокировка приводит к началу пластической деформации при более высоких напряжениях, после разблокировки облегчается множественное и поперечное скольжение, что особенно важно для поликристаллов. Торможение дислокаций за счет образования атмосфер Коттрелла уже при очень низких концентрациях инородных атомов (~0,01-0,001%)

Атмосферы Снука формируются из атомов внедрения, которые упорядоченно располагаются в растянутых октаэдрических порах ОЦК-решеток. Решетка искажается вследствие наличия дислокации.

Атмосферы Сузуки – облака примесных атомов внедрения или замещения, сформировавшиеся в дефекте упаковки, насыщаются при концентрации инородных атомов, равной нескольким атомным процентам. Поэтому торможение дислокаций проявляется и в сплавах, и в нелегированных металлах технической чистоты.

Энергия дефекта упаковки при легировании чаще всего снижается. При значительных концентрациях растворенного элемента энергия дефекта упаковки может стать на порядок меньше, чем у металла-основы, в результате чего поперечное скольжение дислокаций сильно затруднится.

Инородные атомы в решетке твердого раствора являются центрами искажения, вокруг которых возникают поля упругих напряжений. Движение дислокации в такой искаженной решетке затруднено, по сравнению с чистым металлом: растут силы трения, препятствующие перемещению дислокаций. Степень прироста сил трения тем больше, чем сильнее разница в размерах атомов основы и добавки и их электронной структуре

Увеличение сил трения в твердых растворах часто связывают также с разницей в модулях упругости основы и добавки.

При образовании дальнего порядка пластическая деформация скольжением осуществляется за счет перемещения парных дислокаций, связанных антифазной границей (рис.7).

Рис.7.

Расстояние между дислокациями в упорядоченном твердом растворе влияет иа их поведение качественно так же, как ширина дефекта упаковки. Влияние дальнего порядка на пластическую деформацию наиболее заметно в растворах с г.ц.к. решеткой значительно слабее в о.ц.к. и г.п. растворах.

Все описанные эффекты растворного упрочнения (кроме упорядочения) проявляются тем легче, чем ниже температура деформации. С повышением температуры влияние растворимых примесей и легирующих элементов ослабляется из-за размытия примесных атмосфер и активного развития термически активируемых процессов.

Растворное упрочнение широко применяется для создания жаропрочных сплавов. В этом случае важно, чтобы эффект растворного упрочнения сохранялся до возможно более высоких температур. Поскольку жаропрочные свойства во многом определяются диффузионной подвижностью атомов и процессами динамического разупрочнения, то одно из основных требований легирования заключается в том, чтобы легирующие элементы понижали коэффициенты диффузии атомов матрицы. Чем меньше подвижность атомов легирующего компонента, тем более эффективно он повышает прочность и жаропрочность. Диффузионная подвижность атомов легирующего компонента, в свою очередь, тем меньше, чем больше силы межатомной связи. О силах межатомной связи сплавов можно приближенно судить по температурам начала их плавления. Так, температуру солидус никелевых сплавов существенно повышают вольфрам и рений.

О способности легирующих элементов повышать жаропрочность сплавов по растворному механизму можно также косвенно судить по их влиянию на температуру начала рекристаллизации.

Молибден и вольфрам являются наиболее перспективными легирующими элементы в жаропрочных никелевых сплавах.

Наибольший эффект дает комплексное легирование металлов. По мере усложнения состава твердого раствора прочность и жаропрочность возрастает. Растворное упрочнение можно использовать при повышении жаропрочности до температур (0,6...0,65) Тпл (примерно до 800 °С для никелевых сплавов).

2. Дисперсионное и дисперсное упрочнение

Частицы избыточных фаз могут еще более существенно, чем растворенные атомы, влиять на пластическую деформацию во всем интервале гомологических температур. Обычно в сплавах они находятся в окружении матрицы – твердого раствора на базе основного металла – и являются эффективными барьерами для скользящих в матрице дислокаций.

Дисперсные смеси можно создать двояким образом:

а) закалкой и старением;

б) методами порошковой металлургии.

Соответственно, упрочнение, достигаемое за счет выделения дисперсных включений в процессе термообработки называется дисперсионным, а за счет введения дисперсных частиц в исходную шихту, последующего формования и спекания – дисперсным.

Несмотря на это, механизмы торможения дислокаций при пластической деформации для данных вариантов упрочнения общие. Некоторые особенности состоят в различии межфазных границ «частица-матрица».

В дисперсионноупрочненных материалах эта граница может быть когерентной, полукогерентной и некогерентной (рис.8, а, б, в). В дисперсноупрочненных материалах межфазная граница всегда некогерентна. Отличия данных типов межфазных границ:

- когерентная граница наблюдается между фазами, имеющими одинаковые типа решеток с близкими параметрами, сопряжение полное;

- полукогерентная граница возникает в случае частичного сопряжения решеток, для полного сопряжения необходимо ввести дислокации;

- некогерентная граница возникает между фазами с различным типом решетки, параметром. Для сопряжения требуется переходная решетка и зернограничные дислокации

а б в

Рис. 8

Оптимальные (с точки зрения торможения дислокаций) условия: расстояния между частицами <0,1 мкм, размер частиц <0,01 мкм.

Когда при равномерном распределении частиц в объеме сплава движущаяся дислокация встречается с частицей, существуют две возможности: перерезание частицы и обход частицы дислокацией (механизм Орована). Реализуется тот процесс, для протекания которого необходимо наименьшее напряжение.

Перерезание частиц. Модельное представление (рис. 9) предусматривает два предположения: а) дислокации негибкие, б) частицы сферические.

Рис.9. Перерезание частиц дислокацией

Дополнительные напряжения, необходимые для перерезания частицы:

=Ed/bD,

где Е – энергия вновь образующейся поверхности, возникающей в результате перерезания; D – расстояние между двумя частицами; d – диаметр круга, возникающего в результате среза частицы; b – вектор Бюргерса.

Механизм Орована. Если частицы представляют собой непреодолимое препятствие, то в процессе пластической деформации линия дислокации изгибается (рис. 10).

Необходимое для осуществления этого процесса дополнительное напряжение определяется по формуле

доп=Gb/(D—d), D>>d.

Обычно действует в случае частиц порядка 0,05 мкм. Отсюда следует, что чем плотнее- расположены частицы, тем больше они противодействуют движению дислокаций (труднее ей прогнуться и обогнуть частицу).

Рис. 10. Огибание частиц дислокацией Рис. 11. Перерезание частицы с образованием по Оровану парных дислокаций

Перерезание частицы с образованием парных дислокаций. Частицы когерентные, упорядоченные, диаметром порядка 0,1 мкм (рис. 11). В упорядоченных частицах образованная дислокацией 1 антифазная граница устраняется дислокацией 2. Остающаяся антифазная граница между дислокациями 1 и 2 пытается стянуть обе дислокации. При этом увеличивается также сила отталкивания при сближении дислокаций. В равновесии эти силы приблизительно равны.

Критерии механизмов:

доп < – механизм Орована

доп = – переходное состояние между двумя механизмами.

доп > – механизм перерезания.

Факторы, затрудняющие перерезание и обход частиц.

Влияние поля напряжений на поверхности раздела частица—матрица. Когда на поверхности раздела матрица – частица возникает напряженное состояние, то требуется дополнительное напряжение для продвижения дислокаций. Причинами повышенных напряжений на поверхности раздела матрица – частица могут быть:

а) в случае когерентных частиц – различие в объемах ячейки матрицы и частиц;

б) в случае некогерентных частиц – разница в решетках и в коэффициентах теплового расширения между матрицей и частицами, что приводит к возникновению напряжений при охлаждении, например после горячей деформации.

Возникновение противодействующих напряжений от скопления дислокаций у частиц. При увеличении степени деформации механизм Орована становится недостаточным для описания процессов взаимодействия дислокаций с частицей. Развитию скольжения препятствует напряжение k от скопления дислокаций около частицы, направленное против  (рис. 12).

Рис.12. Скопление дислокаций у частицы

Поэтому для преодоления противодействия от скопления дислокаций возле частицы напряжение  должно увеличиться на Δ.

Иногда головная дислокация в скоплениях у частицы (принимая во внимание то, что линии дислокаций гибкие) огибает частицу с образованием вокруг нее дислокационного кольца. При этом скольжение других дислокаций еще больше затрудняется и прочность повышается.

Рассмотрим теперь отдельно способы дисперсионного и дисперсного упрочнения на конкретных примерах.

Дисперсионное упрочнение легированной стали

При отпуске закаленной легированной стали протекают два противоположных процесса: разупрочнение вследствие распада мартенсита и упрочнение в результате выделения дисперсных частиц специальных карбидов. Дисперсные карбидные частицы повышают прочностные характеристики стали, так как являются эффективными препятствиями на пути движения дислокаций. Эффективность упрочнения обусловливается количественным соотношением процессов разупрочнения и упрочнения.

На рис. 13 приведена схема, иллюстрирующая соотношение процессов разупрочнения и упрочнения при отпуске легированного карбидообразующими элементами мартенсита. Если повышение прочности |+д.ч| в результате выделения дисперсных частиц карбидов (рис. 13, кривая 1) превышает разупрочнение |-т.р| твердого раствора при отпуске (рис. 13, кривая 2) при повышении температуры от t1 до t2, то суммарное изменение прочности стали (рис.13, кривая 3) будет характеризоваться наличием пика повышения прочности. Для приведенного случая при температуре отпуска t2|+д.ч| > |-т.р|. Если эффект упрочнения будет меньше, чем эффект разупрочнения, т. е. |+д.ч| < |-т.р|, то на суммарной кривой изменения прочности пика не будет, а будет лишь наблюдаться замедление процесса разупрочнения.

а) б)

Рис. 13. Изменение прочности из-за выделения дисперсных карбидных частиц (1), вследствие распада мартенсита (2) и суммарное (3) при отпуске закаленной стали: а – |+д.ч| > |-т.р|, б – |+д.ч| < |-т.р|

Для дисперсных частиц определенного фазового состава соотношение между упрочнением и разупрочнением, т. е. результирующая прочность, будет зависеть от содержания легирующего элемента, образующего дисперсную упрочняющую фазу. Чем больше такого элемента выделяется в виде дисперсной фазы, тем больше упрочнение преобладает над разупрочнением. На рис. 14 показано влияние содержания ванадия на твердость стали 40 после закалки и отпуска. В стали без ванадия упрочнение благодаря выделению карбида ванадия отсутствует, т. е. VC =0. При 0,25% V |+VC||-M| и на соответствующей кривой после отпуска при 500-600°С наблюдается почти горизонтальная линия. При больших содержаниях ванадия (0,47; 0,9 и 1,7%) |+VC|>|-M| на кривых наблюдается повышение прочности, которое называют пиком вторичной твердости.

refdb.ru

Упрочнение - металл - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Упрочнение - металл

Cтраница 1

Упрочнение металла является следствием происходящих деформаций.  [2]

Упрочнение металла является следствием происходящих деформаций. Обычно происходит два вида деформации - деформация растяжения, охватывающая всю стенку детали, и деформация сдвига, образующая слой текстуры на обработанной поверхности. Деформация в слое текстуры значительно превосходит по интенсивности деформацию в стенке детали.  [4]

Упрочнение металла, происходящее в процессе обработки давлением, позволяет увеличивать нагрузки на детали, что в свою очередь приводит к снижению веса машины.  [5]

Упрочнение металла в процессе объемной штамповки, отсутствие надрезов на поверхности детали, возможность получения направленности волокон, совпадающей с осью детали, повышают ее n - рочность. Высокая производительность ( в 4 - 5 раз и более по сравнению с резанием), возможность использования широкой автоматизации и механизации производства являются преимуществами холодной штамповки.  [6]

Упрочнение металла при пластической деформации происходит в результате искажения кристаллической решетки, увеличения плотности дислокаций и сдвигов одной части кристалла по отношению к другой. При сдвигах зерно делится на части и становится вытянутым, так что пластическая деформация приводит к измельчению структуры металла. Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической решетки и измельчением зерна, но и определенной ориентировкой зерен - текстурой. Беспорядочно ориентированные кристаллы под действием деформации поворачиваются вдоль направления деформации.  [7]

Упрочнение металла в процессе пластической деформации получило название наклеп и указывает на протекание в нем необратимых процессов, связанных с перемещением атомов и отдельных частей кристалла друг относительно друга.  [9]

Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом или нагартов-кой. Наклеп связан с изменением структуры материала при его деформировании.  [11]

Упрочнение металлов при легировании может быть обусловлено эффектами, которые связаны с образованием твердых растворов, когерентных и некогерентных выделений. Хотя детали указанных трех механизмов упрочнения при легировании различны, общим является более высокое сопротивление движению дислокаций, так как появляются дополнительные барьеры, которые последние должны преодолевать.  [12]

Упрочнение металла в результате пластической деформации, проводимой при комнатной температуре ( холодная деформация), например прокатка, волочение, называется наклепом.  [13]

Упрочнение металла происходит вследствие искажения кристаллической решетки и блокирования плоскостей скольжения - дислокацией. Кроме того, упрочнение может происходить в результате структурных и фазовых превращений, когда, например, выделение дисперсных карбидов и твердых включений ведет также к блокированию плоскостей скольжения.  [14]

Упрочнение металла в результате холодной пластической деформации называют наклепом.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Упрочнение - это... Что такое Упрочнение?

        в технологии металлов, повышение сопротивляемости материала заготовки или изделия разрушению или остаточной деформации.

         У. характеризуется степенью У. – показателем относительного повышения значения заданного параметра сопротивляемости материала разрушению или остаточной деформации по сравнению с его исходным значением в результате упрочняющей обработки, а также (в ряде случаев) глубиной У. (толщиной упрочнённого слоя). У. обычно сопровождается снижением пластичности (См. Пластичность). Поэтому практически выбор способа и оптимального режима упрочняющей обработки определяется максимальным повышением прочности материала при допустимом снижении пластичности, что обеспечивает наибольшую конструкционную прочность.          У. материала в процессе его получения может быть вызвано термическими, радиационными воздействиями, Легированием и введением в металлическую или неметаллическую матрицу (основу) упрочнителей – волокон, дисперсных частиц и др. (см. Композиционные материалы).          У. материала заготовок и изделий достигается механическими, термическими, химическими и др. воздействиями, а также комбинированными способами (химико-термическими, термомеханическими и др.). Наиболее распространённый вид упрочняющей обработки – поверхностное пластическое деформирование (ППД) – простой и эффективный способ повышения несущей способности и долговечности деталей машин и частей сооружений, в особенности работающих в условиях знакопеременных нагрузок (оси, валы, зубчатые колёса, подшипники, поршни, цилиндры, сварные конструкции, инструменты и т.п.). В зависимости от конструкции, свойств материала, размеров и характера эксплуатационных нагрузок деталей применяются различные виды ППД: Накатка и Раскатка роликами и шариками, Обкатка зубчатыми валками, алмазное выглаживание, дорнование, гидроабразивная, вибрационная, дробеструйная и др. способы обработки. Часто ППД, кроме У., значительно уменьшает шероховатость поверхности, повышает износостойкость деталей, улучшает их внешний вид (упрочняюще-отделочная обработка). У. при термической обработке (См. Термическая обработка) металлов обеспечивается, в частности, при закалке (См. Закалка) с последующим Отпуском. Улучшению прочностных свойств значительно способствуют и определённые виды термо-механической обработки (в т. ч. горячий и холодный наклёп). У. химико-термическим воздействием может осуществляться путём азотирования (См. Азотирование), цианирования (См. Цианирование), цементации (См. Цементация), диффузионной металлизации (См. Диффузионная металлизация) (насыщением поверхности детали алюминием, хромом и др. металлами).          У. обеспечивается также применением электрофизических и электрохимических методов обработки (См. Электрофизические и электрохимические методы обработки), ультразвуковой, электроэрозионной, магнитоимпульсной, электрогидравлической, электроннолучевой, фотоннолучевой, анодно-химической, электроискровой, а также воздействием взрывной волны, лазера и др. Упрочняющая обработка может быть поверхностной (например, пластическое деформирование с возникновением поверхностного Наклёпа), объёмной (например, изотермическая закалка) и комбинированной (например, термическая обработка с последующим ППД). Объёмная и поверхностная упрочняющая обработки могут вестись последовательно несколькими методами.

         Лит.: Гуляев А. П., Металловедение, 4 изд., М., 1966; Прочность металлов при циклических нагрузках, М., 1967; Папшев Д. Д., Упрочнение деталей обкаткой шариками, М., 1968; Елизаветин М. А., Сатель Э. А., Технологические способы повышения долговечности машин, 2 изд., М., 1969; Кудрявцев И. В., Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин, 2 изд., М., 1969; Данилевский В. В., Технология машиностроения, 3 изд., М., 1972; Картавов С. А., Технология машиностроения, К., 1974.

         Д. Л. Юдин.

dic.academic.ru

---

• 
  Мотор гидравлический
• 
  Коэффициент уплотнения грунта при обратной засыпке
• 
  Автомобиль белаз
• 
  Устройство молниезащиты
• 
  Коробка уаз 469
• 
  Фильтр топливный маз
• 
  Грузоподъемность лифта
• 
  Щелочные аккумуляторные батареи
• 
  Ведущая шестерня
• 
  Ведущая шестерня
• 
  Расход битумной эмульсии на 1 м2 асфальта