Глава 4. Влияние отпуска на уровень остаточных напряжений

Закалка стальных металлоизделий (особенно с полиморфными превращениями) приводит к существенному увеличению дефектности кристаллической решетки, уровня остаточных напряжений (термических и структурных), получению метастабильных структурных состояний, что требует проведения после закалки отпуска. В процессе отпуска в закаленном металле протекают следующие основные процессы, влияющие на уровень остаточных напряжений, коробление, деформацию и растрескивание металла изделий :

1-релаксация остаточных напряжений, которая зависит от температуры нагрева, скорости и равномерности нагрева, времени выдержки, от степени метастабильности структуры в закаленном металле, способа закалки, отпуска и др.;

2-выделение углерода (азота) из твердого раствора с образованием частиц вторичной фазы, их ростом до критического размера, потери когерентности и дальнейшей коагуляции и сфероидизации частиц;

3-распад остаточного аустенита;

Повышение температуры отпуска приводит к увеличению диффузионных процессов и возрастанию пластичности. На рис.12 приведены значения уровня остаточных напряжений в стали с 0,3% углерода при отпуске в течение 1,5 часа при разных температурах.

1-осевые напряжения; 2-окружные; 3-радиальные.

Рис.12 - Влияние температуры отпуска на уровень остаточных напряжений (Нахимов Д.М.).

Предварительно цилиндрические образцы диаметром 50мм были нагреты до 600⁰С и охлаждены в воде (образовались термические напряжения). При температурах 250-450⁰С интенсивность изменения уровня остаточных напряжений уменьшается, что связано с процессами образования частиц вторичной фазы (цементита), их ростом до критического размера, потери когерентности их с матрицей.

На рис.13 приведены данные по влиянию длительности отпуска при разных температурах на уровень остаточных напряжений.

Рис.13 -Влияние продолжительности отпуска при различных температурах на уровень осевых напряжений (Бюлер и др.)

Интенсивность снижения уровня остаточных напряжений в металле деталей существенно зависит от состояния металла перед отпуском. На рис.14 приведены данные об изменении напряжений в кольцевых образцах из Cr-Ni-Mo стали с различным структурным состоянием (определяется предварительной обработкой) при отпуске в течение 2 часов при разных температурах.

Сплошная линия () -предварительный режим обработки - закалка и отпуск при 180⁰С (HRC=49-51); Пунктирная линия (-- --) - закалка и отпуск при 650⁰С (HRC =30);.

Рис.14 - Снижение уровня напряжений при нагреве образцов с различным структурным состоянием (Нахимов Д.М.).

Образцы с различным структурным состоянием (после закалки и отпуска при 180⁰С и после закалки и отпуска при 650⁰С) подвергались операции механического нагружения для введения в металл примерно одинакового уровня напряжений. Для этого в зазор кольцевых образцов вводился клин с расчетом, что на всех образцах при этом создавались напряжения 500 Мпа (50 кг\мм²).

Результаты исследований показывают (рис.14 и 15), что интенсивность снижения уровня напряжений в кольцевых образцах увеличивается с повышением степени метастабильности исходного структурного состояния – в стали после закалки и низкого отпуска (180⁰С) степень метастабильности структуры существенно более высокая по сравнению с структурой сорбита отпуска. При этом наблюдается большое различие не только в интенсивности снижения напряжений, но и в уровне остаточных (в металле после отпуска) напряжений в зависимости от температуры и длительности отпуска (рис.15 ).

Зависимость пластической деформации некоторых сталей от температуры и длительности отпуска под нагрузкой показывает, что температура отпуска влияет значительно сильнее, чем выдержка. При этом следует отметить, что значительная часть пластического эффекта реализуется уже во время прогрева, и затем, в первые минуты выдержки при отпуске.

Сплошная линия () -предварительный режим обработки- закалка и отпуск при 180⁰С (HRC=49-51); Пунктирная линия (-- --) - закалка и отпуск при 650⁰С (HRC =30);.

Рис. 15 –Влияние продолжительности нагрева при 250, 300 и 450⁰С на снижение уровня напряжений в кольцевых образцах

(НахимовД.М.).

Для сталей с повышенным содержанием остаточного аустенита после закалки в практике используют многократные отпуска в связи с тем, что распад А_ост протекает стадийно и на каждой стадии его распада в структуру мартенсита или бейнита уровень напряжений в металле повышается. Поэтому многократный отпуск предназначен как для перевода А_ост во вторичную структуру, так и для снижения уровня остаточных напряжений на каждой стадии его проведения.

При производстве инструмента, например, режущего, могут производить правку в процессе закалки, после закалки, при отпуске или после отпуска. Часто производят дополнительный отпуск для уменьшения уровня остаточных напряжений после финишной шлифовки или правки, но при этом температура отпуска должна быть ниже финишного отпуска после закалки.

Глава 5. Мероприятия, используемые на практике для уменьшения степени коробления и деформации металлоизделий. Явление сверхпластичности металлов и сплавов, обусловленное

решеточной неустойчивостью

На практике для снижения уровня (исключения) коробления, деформации и образования микротрещин в металле изделий используют различные методы, начиная от стадии конструирования деталей, выбора способа получения заготовки, процессов ОМД и заканчивая финишной термической и механической обработкой. Технологические процессы термической обработки деталей для предупреждения или уменьшения коробления и деформации должны отвечать следующим основным требованиям:

1)обеспечивать заданное изменение свойств металла при нормированной надежности результатов;

2)обеспечивать, по возможности, сохранение неизменными таких свойств изделий, как первоначальная геометрическая форма, размеры и качество поверхности.

К основным мероприятиям, снижающим вероятность коробления и деформации изделий при термической обработке относятся:

-при возможности предотвращать получение в термически обрабатываемых изделиях геометрических концентраторов напряжений (большой разнотолщинности, сложности геометрической формы, малых радиусов закруглений и др.)

-подготовка структурного состояния металла детали для финишной термической обработки (наиболее благоприятная структура- феррито-карбидная с дисперсными скоагулированными частицами, равномерно распределенными по объему металла);

-использование стадийности нагрева до заданной температуры;

-предотвращение существенного роста аустенитного зерна и исключение его разнозернистости при аустенитизации;

-использование подстуживания при упрочняющих режимах термической обработки;

-выбор закалочной среды и способа охлаждения деталей при упрочняющей термообработке, обеспечивающих получение требуемого структурного состояния в металле детали и минимальный уровень термических и структурных напряжений. Для снижения уровня коробления и деформации деталей необходимо обеспечить минимально приемлемую интенсивность охлаждения металла в мартенситном интервале температур и правильно выбрать температуру конца ускоренного охлаждения (для релаксации напряжений за счет самоотпуска мартенсита и получения определенного количества остаточного аустенита);

Часто в практике термической обработки при закалке и отпуске используются различные схемы предварительного заневоливания детали, увеличивающие вероятность сохранения формы детали после обработки.

В последние десятилетия при использовании современных методов исследования тонкой и атомной структуры металла было обнаружено явление возникновения в металлах и сплавах сверхпластичности при протекании полиморфных превращений и в течение определенного времени после их окончания. Это явление получило название в технической литературе кинетической пластичности. При использовании метода заневоливания деталей при закалке и отпуске с целью предотвращения деформаций явление кинетической пластичности (одна из разновидностей сверхпластичности) позволяет достигать хороших результатов при соответствующей технологической и методической подготовке. Возможен также вариант максимального приближения (по времени очередности выполнения) процесса правки изделий после закалки с полиморфным превращением в течение определенного (для каждой марки стали и сплава) времени после окончания полиморфного превращения.

Под термином сверхпластичность понимают аномальное изменение некоторых свойств металлических материалов под нагрузкой.

При этом материалы классифицируют по проявлению в них эффекта сверхпластичности на две группы:

-имеющие характерную микроструктуру, т.е. стабильное сверхмелкое зерно ( 14 номера) в которых проявляется эффект сверхпластичности (получить такую микроструктуру весьма сложно, а в производственных условиях практически невозможно);

-испытывающие при термической обработке или деформации фазовые или структурные превращения, при которых наблюдается явление сверхпластичности (кинетической пластичности), обусловленное так называемым эффектом решеточной неустойчивости.

К наиболее общим характеристикам сверхпластического течения материала относятся такие признаки:

-специфический характер зависимости истинных напряжений от степени деформации;

-высокая чувствительность напряжения течения металла от скорости деформации;

-значительное равномерное удлинение (может достигать ≈600% и более) образцов без образования шейки.

Временные зависимости существенно важны при технологическом использовании эффектов кинетических изменений свойств, в частности – в рассматриваемой области применения (например, при мартенситном превращении или при отпуске). На практике зажатие изделий в фиксирующих устройствах при закалке на мартенсит следует производить не позже образования в металле 3-5% мартенсита и вести охлаждение в таком заневоленном состоянии до образования не менее 80-90% мартенсита. При отпуске фиксация формы обрабатываемых изделий должна производиться до начала нагрева под отпуск.

При термической обработке с принудительным фиксированием формы используются закономерности кинетических изменений свойств:

1. Первым основным признаком кинетических изменений свойств материала служит существенное повышение показателей пластичности при воздействии внешних или внутренних деформирующих сил, обнаруживающееся во время протекания внутренних превращений.

2. Второй основной признак – одновременное понижение сопротивления пластическому деформированию, иногда – до значений, меньших предела упругости. Напряжение пластического течения не зависит от деформации, т.е. отсутствует деформационное упрочнение.

3. Кинетические изменения свойств обладают высокой степенью инвариантности по условиям, характеру, области проявления. Они обнаруживаются при всех видах фазовых и структурных превращений и во всех видах металлических материалов, которые подвергаются этим превращениям (металлы, сплавы, отдельные составляющие).

4. При кинетической пластичности, обусловленной только фазовыми превращениями, размеры зерен (вплоть до 1 см) несущественны; явление реализуется по фронту превращения. При кинетической пластичности, существенно меньшей по величине от сверхпластичности за счет сверхмелкого зерна, ее численные значения от геометрических размеров изделий не выявлены или малозаметны.

5. Изменения пластических свойств обнаруживаются при всех видах механического нагружения: растяжении, сжатии, кручении, изгибе, при испытаниях на сопротивление ползучести, способности к релаксации, при разнообразных способах циклического нагружения и т.п. Направление изменений соответствующих свойств всегда отвечает пп. 2 и 3.

6. Указанные изменения свойств являются временными: они возникают лишь в момент внутреннего превращения и исчезают, как только данное превращение заканчивается (либо в течение короткого времени после фазового превращения), или приостанавливается по какой-либо причине. С этого момента восстанавливаются обычные значения свойств материала, присущие достигнутому (фиксированному) новому фазовому и структурному состоянию (с учетом фактических температур до и после превращения). В этом смысле можно называть рассматриваемые изменения свойств обратимыми.

7. Конкретный характер, интенсивность и длительность проявления изменений свойств для данного материала определяются видом и степенью реализации соответствующего фазового или структурного превращения, т.е. природой процессов, протекающих на атомном уровне.

Некоторые практические рекомендации по уменьшению или устранению брака по причине деформации деталей при термической обработке.

Возможность и характер деформирования изделий при термической обработке должны учитываться, начиная с ранних стадий конструирования. От их понимания конструктором в большой мере зависят технологичность и качество будущих деталей. К общим рекомендациям по этому вопросу относятся:

1. Поверхности изделия, ограничивающие участки массы, в которых может возникать существенное коробление, при выполнении термических операций должны, по возможности, находиться в одинаковых или не очень сильно отличающихся условиях теплопоглощения и теплоотдачи, что предполагает, в частности, возможно большую симметрию распределения масс и сходное качество поверхности (одинаковые чистота механической обработки, площади рифления и т.п.).

2. Различия в массе и толщине смежных участков детали должны быть минимальными, переходы между ними – плавными.

3. Должна быть обеспечена максимально возможная технологичность по важнейшему признаку – конструктивной жесткости. При необходимости вводятся технологические разъемы, т.е. изделие расчленяется на меньшие, но более жесткие стыкуемые между собой части. Элементы, требующие упрочнения желательно отделить от менее нагруженных (соединительных, несущих). Плоские или криволинейные тонкостенные поверхности требуют подкрепления утолщенными поясами или ребрами и т.д.

4. Число отверстий, канавок, пазов, шпоночных гнезд должно быть минимальным, расположение – симметричным; надрезы – неглубокими.

5. Принято считать правильным следующее приближенное распределение полей технологических припусков (допусков) на размеры термообрабатываемых деталей:

а) при изготовлении детали, предназначенной для термической обработки, в механическом цехе может использоваться не более 1/3 поля межоперационного припуска (допуска);

б) допустимые наибольшие изменения размеров во время термической обработки должны укладываться в остающиеся 2/3 припуска;

6. Если технологическим процессом предусматривается термическая обработка (закалка, отпуск, старение) с применением жестких фиксирующих приспособлений, посадочные места для этой цели должны быть заранее учтены в конструкции деталей; кроме того:

а) должны быть установлены не слишком широкие допуски на межоперационные размеры изделий, согласующие относительное положение зажимных поверхностей (посадочных мест), выбранных для фиксирования формы (обычно не свыше +-0,025 мм);

б) примерно такие же допуски применяют при согласовании диаметров и соосности участков тел вращения значительной длины, которыми они укладываются на опорные ролики в призмы закалочных устройств;

в) допуск на биение изделия (например, при фиксации, как в предыдущем случае) – не свыше 0,05 мм.

В некоторых случаях приведенные правила требуют известного ужесточения межоперационных допусков на размеры детали до термической обработки; это компенсируется лучшим сохранением точности формы после термической обработки и соответственно облегчает и удешевляет отделочные операции.

7. На практике особые трудности для исправления повторной механической обработкой представляют следующие виды искажений формы:

   • овальность резьбовых отверстий;

   • изменение шага резьбы длинных винтов;

   • вспучивание плоских диафрагм, днищ, стенок;

   • продольное искривление (или образование эллипса из круглого поперечного сечения) трубообразных изделий;

   • относительные угловые смещения элементов сложных фигур.

Кроме того, припусками, предусмотренными на шлифовку отверстий, трудно исправить изменение межцентрового расстояния.

Исходя из большого количества различных факторов, оказывающих влияние на уровень коробления и деформации деталей на всех стадиях их изготовления, целесообразно объединять в единую технологическую цепочку все рекомендации, рассмотренные в вышеизложенных материалах.