в использовании отжига при температурах близких к рекристаллизации, что приводит в первую очередь к уменьшению концентрация точечных дефектов и возможному залечиванию пор под давлением.

Пути повышения эксплуатационных свойств конструкционных материалов

Для изготовления деталей конструкций различных изделий (приборов, машин, технологического оборудования и др.) применяют, как правило, конструкционные материалы.

Критерием пригодности материала, как конструкционного, является наличие комплекса свойств, которые обеспечат его работоспособность в заданных условиях. Условия работы материала задают исходя из технических требований к деталям и в целом к изделию. При этом учитываются следующие факторы: величина и характер рабочих нагрузок, срок эксплуатации, масса и габариты деталей, температурный режим работы, химический состав и свойства рабочей среды, действие различных полей, излучений и другие.

Комплекс свойств, обеспечивающих эксплуатационные требования

В комплекс эксплуатационных свойств могут входить, рассмотренные выше:

1. Конструкционная жесткость, включающая характеристики упругих констант, например, E, E/ρ · g,

2. Статическая прочность, представленная характеристиками, получаемыми при испытаниях на растяжение ? σ_0,2, σ_В, σ_0,2/(ρ · g) или σ_В /(ρ · g) с учетом коэффициентов запаса прочности и параметров пластичности δ, ψ.

3. Эксплуатационная надежность при действии ударных нагрузок и низких температур в присутствии концентраторов напряжения (KCU, KCV, KCT, t₅₀, K_1C),

4. Эксплуатационная долговечность, включающая следующие характеристики:

   • сопротивляемость усталостному разрушению - σ_R, σ_-1, Nк,

   • сопротивляемость изнашиванию - J,

   • сопротивляемость ползучести - σ^T_é , σ^T_τ

   • релаксационная стойкость - Δ σ,

   • коррозионная стойкость,

   • радиационная стойкость.

Дополнительно к этому материал конструкционных деталей ответственного назначения, как правило, должен иметь высокую теплопроводность, заданный коэффициент расширения, демпфирующую способность, малый температурный коэффициент модуля упругости и другие свойства.

Повышение характеристик эксплуатационных свойств возможно в трех направлениях: металлургическом, технологическом и конструкторском.

Металлургическое направление подразумевает:

• повышение металлургического качества материалов (уменьшение концентрации вредных примесей),

• рациональное легирование (введение элементов, улучшающих свойства),

• создание материалов с оптимальным сочетанием свойств на основе композитов и керамики

Технологическое направление включает:

• рациональный выбор материала,

• эффективное использование всех видов термической обработки (ТО),

• упрочнение поверхностным и объемным пластическим деформированием.

Конструкторское направление не является радикальным, но позволяет:

• рационально конструировать детали с минимально возможной концентрацией напряжений,

• предусмотреть близкую по величине скорость охлаждения всех сечений при термической обработке,

• уменьшить величину упругих деформаций, например, за счет возможной замены изгиба растяжением-сжатием, увеличения момента инерции сечения деталей и других способов повышения жесткости без увеличения массы деталей.

Основы термической обработки

Под термической обработкой понимают технологический процесс (или совокупность процессов), основанный на изменении температуры материала, цель которого состоит в оптимизации свойств за счет воздействие на его структурно-фазовое состояние и химический состав.

Роды термической обработки :

Различают собственно термическую (ТО), термомеханическую (ТМО) и химико-термическую (ХТО) обработки, которые состоят из следующих этапов (технологических переходов):

ТО - нагрев, выдержка, охлаждение;

ТМО - нагрев, выдержка, обработка давлением, охлаждение;

ХТО - нагрев, выдержка с насыщением поверхностных слоев легирующими элементами, охлаждение.

Собственно термическая обработка

Виды ТО - отжиг, закалка, отпуск, старение.

Отжиг

Отжиг - ТО, определяющими параметрами которой являются температура нагрева, время выдержки и малая скорость охлаждения (~ 100 К в час), обеспечивающие необходимую полноту протекания предусмотренных отжигом процессов.

Отличительной особенностью отжига является то, что все развивающиеся процессы носят диффузионный, неупорядоченный характер и образующиеся структуры близки к энергетически равновесным.

Подвиды отжига:

• первого рода (без использования фазовых превращений) - для всех видов металлических материалов;

• второго рода (с использованием фазовых превращений) - только для материалов испытывающих фазовые превращения (в частности, для сплавов на основе железа, меди, алюминия, титана, никеля).

Основные разновидности отжига первого рода

• диффузионный (гомогенизационный),

• рекристаллизационный,

• релаксационный (для уменьшения остаточных напряжений).

Основные разновидности отжига второго рода :

• полный,

• неполный,

• нормализационный,

• изотермический.

Основные разновидности отжига первого рода

• диффузионный (гомогенизационный),

• рекристаллизационный,

• релаксационный (для уменьшения остаточных напряжений).

Диффузионный отжиг - нагрев до 0,8-0,9 Tпл, длительная выдержка (более 20 часов), в течение которой происходит выравнивание химического состава в твердых растворах по объему.

Отжиг производится для устранения неоднородности химического состава в твердых растворах, возникающей при ускоренном охлаждении в из жидкого состояния. В процессе кристаллизации в твердых растворах в соответствие с правилом концентраций (раздел Понятие о сплавах) в первую очередь образуются центры кристаллизации (часто в виде дендритов), богатые тугоплавким компонентом. По мере охлаждения они увеличиваются за счет наращивания слоями, обедненными тугоплавким компонентом, что приводит к неравномерности химического состава по объему зерен (внутрикристаллической ликвации).

Образующаяся неравномерность концентрации может быть ликвидирована за счет диффузии в условиях достаточно медленного охлаждения после кристаллизации или в процессе диффузионного отжига. При этом устраняются легкоплавкие, часто хрупкие прослойки, присутствовавшие по границам зерен твердых растворов.

го рода для стали, но его используют также для цветных сплавов, испытывающих фазовые превращения, в частности, такие как выделение вторичных фаз из твердых растворов переменной растворимости и полиморфные превращения.

Отжиг второго рода на примере отжига стали

• полный,

• неполный,

• нормализационный,

• изотермический.

Для получения хорошей технологичности при обработке резанием и давлением сталь должна обладать не слишком большой твердостью в сочетании с хорошей пластичностью, а для получения оптимальных результатов при последующей ТО высокой изотропностью структуры и свойств. Это обеспечивается совокупностью разориентированных, близких по размерам зерен, образующих, чаще всего, мелкозернистую структуру с равномерным распределением изолированных друг от друга карбидных включений.

Поэтому основной целью отжига второго рода является создание структуры, улучшающей обработку резанием и давлением или подготавливающую сталь к упрочняющей ТО - закалке. Кроме этого устраняется возможная анизотропия свойств, вызванная текстурой.

Закалка

Закалка - ТО, в которой определяющими параметрами являются температура нагрева и время выдержки, обеспечивающие необходимые фазовые превращения, а также скорость охлаждения выше некоторой критической скорости, предотвращающей равновесное прохождение обратных фазовых превращений. Таким образом, закалке подвергаются только сплавы, имеющие фазовые превращения.

Подвиды закалки:

• с использованием полиморфного превращения - для сплавов с полиморфным превращением (на основе железа, титана, меди);

• без использования полиморфного превращения - для сплавов с переменной растворимостью твердых растворов;

Закалка с полиморфным превращением

Такая закалка возможна для сплавов с полиморфным превращением (на основе железа, титана, меди).

Для стали с содержанием C > 0,3% закалка является основной упрочняющей обработкой. При меньшем содержании C закалка вызывает незначительное упрочнение.

Термическую обработку стали, в частности закалку, удобно прослеживать, используя диаграмму изотермического распада А для стали, содержащей 0,8% C.

Диаграмма строится на основе данных по регистрации при постоянных температурах начала (кривая 1) и окончания (кривая 2) распада А на смесь Ф и Ц, связанного с перестройкой кристаллической решетки ГЦК (Fe_β) на ОЦК (Fe_α) и уменьшением растворимости C в железе. В соответствие с диаграммой Fe-F₃C ГЦК (Fe_β) растворяет до 2% C, ОЦК (Fe_α) до 0,02% C.

По мере увеличения скорости охлаждения (Vохл) или степени переохлаждения А ниже линии PSK смесь Ф и Ц становиться все более дисперсной - пластины Ц становятся все более тонкими и частыми, что приводит к увеличению прочности стали. Однако пластинчатое строение Ц не способствует повышению пластичности.

• с малой скоростью V1 формируется структура отожженной стали - перлит (П),

• с большей скоростью V2 происходит нормализация или закалка на сорбит (С),

• со скоростью V3 закалка на троостит (Т);

При охлаждении со скоростью больше Vкр распада А не происходит и ниже линии начала мартенситного превращения Мн он превращается в матренсит стали (М) - пересыщенный твердый раствор внедрения C в Fe_α , происходит закалка на М, обладающий высокой твердостью, но малой пластичностью.

Пересыщение C вызвано тем, что при перестройке решетки резко уменьшается растворимость C в железе, но при скорости охлаждения больше Vкр диффузия C не успевает произойти. Избыточные атомы C сильно искажают кристаллическую решетку, вследствие чего появляется много дефектов, увеличивающих твердость.

При закалке стали на максимальную твердость для доэвтектоидных сталей производится охлаждение из области однофазного А (полная закалка), для заэвтектоидной из области А+Ц _ll (неполная закалка), так как остающийся в структуре Ц _ll тверже М. Однако при этом необходимо предварительно провести отжиг на сфериодизацию цементитных включений, так как Ц _ll в виде объемной сетки способствует охрупчиванию стали.

Величина Vкр закалки уменьшается с увеличением концентрации C и всех легирующих элементов, кроме Co. Уменьшение Vкр, как правило, желательно, так как:

• способствует более равномерному охлаждению детали по сечению, что предотвращает ее деформацию,

• обеспечивает увеличение глубины закаленного слоя (прокаливаемости) детали,

• позволяет произвести низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО), вследствие повышения устойчивости переохлажденного А во времени.

Разновидности закалки с полиморфным превращением

Закалка с полиморфным превращением Разновидности закалки:

• непрерывная,

• в двух средах,

• ступенчатая,

• изотермическая,

• с обработкой холодом.

Оптимальное охлаждение при закалке углеродистой стали должно быть достаточно быстрым (~400C/c) в области перлитного превращения (700-500С) для предотвращения распада А, а в области мартенситного превращения (300-150С) по возможности более медленным (~100 C/c), чтобы не образовались большие остаточные напряжения.

При закалке медных и титановых сплавов имеющих полиморфное превращение по мартенситному механизму большого упрочнения не возникает.

Закалка с полиморфным превращением для цветных сплавов

Закалка некоторых титановых сплавов также происходит по мартенситному механизму, так как Ti имеет перестройку решетки ОЦК-ГПУ. Однако, в отличие от закалки стали это приводит к меньшим изменениям объема, а также к образованию пересыщенных твердых растворов замещения атомами легирующих элементов атомов Ti в узлах ГПУ решетки.

В результате возникают незначительные искажения кристаллической решетки, что приводит к относительно небольшому упрочнению и сохранению пластичности титановых сплавов непосредственно после закалки. Поэтому их упрочнение, как правило, связано с последующим распадом пресыщенного твердого раствора при искусственном старении и образованием дисперсных упрочняющих фаз.

При закалке алюминиевых бронз (БрАЖН 10-4-4), содержащих более 9% Al, используют мартенситный механизм перестройки решетки ОЦК высокотемпературной фазы Cu ₃ Al на решетку ГЦК твердого раствора Al в меди.

Как и в случае титановых сплавов, возникающий мартенсит не обладает высокой прочностью, и упрочнение достигается дальнейшим искусственным старением, связанным с выделением высокодисперсных частиц Cu ₉ Al ₄ при распаде пересыщенного твердого раствора Al в меди.

Закалка без использования полиморфного превращения

Такой закалке подвергаются сплавы с переменной растворимостью компонентов в твердом растворе на основе Al, Cu, Fe, Co, Ni. Она заключается в нагреве сплава выше температуры предельной концентрации растворимого компонента для получения (как правило) однофазного раствора. Далее следует охлаждение со скоростью, не позволяющей произойти обратному процессу диффузионного выделения из твердого раствора избыточных атомов растворенного компонента. В результате образуется пересыщенный твердый раствор.

При этой закалке для разных сплавов прочность может как несколько повыситься, так и понизиться, а пластичность почти не изменяется или повышается. Изменение прочности связано с различным вкладом упрочняющих факторов, к которым, в данном случае, относятся торможение дислокаций за счет:

1. частиц второй фазы, находившихся в сплаве до закалки,

2. атомов растворенного компонента в пересыщенном твердом растворе после закалки (твердорастворное упрочнение),

3. других дислокаций, образовавшихся в пересыщенном твердом растворе в результате искажений кристаллической решетки.

При закалке с образованием пересыщенного твердого раствора исчезает первый, но появляются второй и третий факторы, и результирующая прочность зависит от степени влияния упрочняющих факторов на торможение дислокаций. Например, если в исходном состоянии частицы были крупные и редкие, то после закалки возможно упрочнение.

Закалка без полиморфного превращения чаще всего применяется как промежуточная операция для:

• создания пересыщенного раствора перед последующим упрочняющим старением с получением оптимальной системы частиц (дисперсионное упрочнение), например, в случае дюралюминия и бериллиевой бронзы,

• повышения пластичности перед обработкой давлением, например, в случае бериллиевой бронзы и стали типа Х18Н9,

• как окончательная обработка для некоторых литейных сплавов, обеспечивающая наибольшую пластичность и коррозионную стойкость за счет формирования однофазного состояния, например, в случае АЛ8 (~10% Mg, остальное Al).

Отпуск

Отпуск - ТО, применяемая после закалки с полиморфным превращением, в частности для закаленной стали.

Определяющими параметрами отпуска стали являются температура нагрева (ниже линии эвтектоидного превращения (PSK)) и время выдержки, которые обеспечивают формирование структур с необходимым сочетанием свойств.

Отпуск производится для сталей, содержащих концентрацию углерода > 0,3%. Часто термин отпуск применяют для обозначения релаксационного отжига.

Сталь после закалки на М находиться в метастабильном состоянии пересыщенного твердого раствора с высоким уровнем растягивающих остаточных напряжений. При этом даже в нормальных условиях в структуре М начинаются процессы перераспределения атомов внедрения (в первую очередь C), несколько уменьшающие свободную энергию системы, но приводящие к искажению формы и размеров. К тому же М закалки имеет высокую твердость, но малую пластичность. Поэтому для получения требуемого сочетания свойств закаленную на М сталь подвергают отпуску.

Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий отпуск. Отпуск Различают три вида отпуска:

• низкий

• средний

• высокий отпуск

При низком отпуске (120-250C) за счет перераспределения атомов C в решетке железа и скопления их на дислокациях уменьшаются растягивающие остаточные напряжения. Низкая температура отпуска не позволяет произойти распаду пересыщенного раствора, в результате формируется мартенсит отпуска, сохраняющий высокую твердость и малую пластичность. Так как при этом за счет уменьшения напряжений повышается стабильность размеров и формы, то такой отпуск иногда называют стабилизирующим.

Низкому отпуску подвергаются стали, содержащие 0,7-1,2%C, используемые для изготовления режущего и измерительного инструмента.

При среднем отпуске (350-450C) происходит распад М с формированием высокодисперсной смеси Ф и Ц - троостита. Появление Ф и уменьшение плотности дислокаций свидетельствует о росте пластичности и некотором снижении твердости.

Данная обработка используется для сталей, содержащих 0,5-0,65%C, применяемая для изготовления упругих элементов.

Высокий отпуск на сорбит (450-650С) способствует росту частиц Ц и уменьшению их количества. Плотность дислокаций резко уменьшается, так как данная температура соответствует началу рекристаллизации. Полученная ферритоцементитная смесь - сорбит обладает повышенной прочностью и высокой ударной вязкостью, что позволяет ее использовать для ответственных деталей из конструкционных сталей (с содержанием 0,35-0,6% C).

Старение

Старение - ТО, применяемая, в основном, для закаленных без полиморфного превращения сплавов. Определяющими параметрами являются температура нагрева и выдержка закаленного сплава, вызывающие распад пересыщенных твердых растворов с выделением упрочняющих фаз.

Различают естественное старение (при нормальной температуре) и искусственное старение (при повышенных температурах). По существу происходящих процессов старение не отличается от отпуска.

Под старением понимают также и другие ТО, переводящие материал в более равновесное структурно-фазовое состояние.

При упрочняющем старении степень торможения дислокаций частицами определяется размером частиц и расстояниями между ними: чем больше размер частиц, тем меньше их количество и, следовательно, больше расстояние между ними. Поэтому в системе крупных редких частиц, имеющих место при перестаривании (температура выше оптимальной), дислокации легко проходят между ними.

Если частицы мелкие и частые, то происходит неполное старение (температура ниже оптимальной), при котором дислокации легко прорезают частицы.

Наибольшее упрочнение возникает при полном старении (оптимальная температура), когда система становиться оптимальной и дислокациям одинаково трудно как прорезать, так и обогибать частицы.

Здесь следует напомнить, что при перестаривании возникает наиболее равновесная структура системы частиц.

Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка (ТМО) сочетает собственно термическую обработку, как правило, закалку и пластическую деформацию (обработку давлением).

Целью ТМО является улучшение комплекса механических свойств (высокой прочности и достаточной вязкости) за счет образования в процессе пластической деформации структуры дефектов. При дальнейших фазовых превращениях дефекты способствуют формированию наиболее однородной и измельченной (дисперсной) структуры с равномерным распределением близких по размерам упрочняющих фаз. Однако применение ТМО ограничено формой и размерами обрабатываемых изделий.

Различают низкотемпературную тмо (нтмо) и высокотемпературную тмо (втмо).

НТМО применяется для повышения эффекта упрочнения стареющих сплавов и легированных сталей.

В случае стареющих сплавов после закалки производится ХПД пересыщенного раствора, приводящая к появлению высокой концентрации дефектов, в первую очередь дислокаций и вакансий. В результате пересыщенный твердый раствор переходит в менее устойчивое энергетическое состояние, что облегчает дальнейшие фазовые превращения при старении. Кроме этого дислокационная структура с равномерной плотностью дислокаций способствует образованию более однородной системы упрочняющих фаз.

В процессе НТМО конструкционных легированных сталей (с большой устойчивостью переохлажденного А) пластическая деформация (>50%) производится в процессе закалочного охлаждения при температуре несколько ниже Тр. При этом переохлажденный А приобретает повышенную плотность дислокаций, которые сохраняются в образующемся М. Дислокации увеличивают степень упрочнения и способствуют измельчению структуры, что обеспечивает приемлемую пластичность и вязкость. После закалки производится низкий отпуск для уменьшения остаточных напряжений.

В случае ВТМО пластическая деформация (~20%) производится в области А с целью формирования субзеренной (полигонизованной) дислокационной структуры. На ее фоне в процессе охлаждения образуется М, наследующий дислокации А и, главное, имеющий более измельченное строение, чем в случае обычной закалки. Это позволяет помимо высокой прочности получить достаточную пластичность и вязкость при последующем отпуске.

ВТМО имеет преимущество перед НТМО в том, что, несмотря на меньшую получаемую прочность, сталь обладает большей вязкостью, а также в том, что этой обработке можно подвергать стали с малой устойчивостью переохлажденного аустенита, то есть углеродистые и малолегированные стали.

Химико-термическая обработка

При химико-термической обработке (ХТО) происходит насыщение поверхностного слоя материала детали различными легирующими элементами, изменяющими состав, структуру и в конечном счете свойства поверхностного слоя.

В зависимости от используемых химических элементов различают следующие разновидности ХТО:

1. C - цементация (повышение твердости),

2. N - азотирование (повышение твердости и коррозионной стойкости),

3. B - борирование (повышение твердости),

4. Al - алитирование (повышение коррозионной стойкости при высоких температурах),

5. Ti - титанирование (повышение твердости).

6. Si - силицирование (повышение износостойкости),

Применяется и совместное насыщение - нитроцементация или цианирование (C и N), хромотитанирование, хромосилицирование и т. п.

Наиболее часто используются цементация и азотирование.

Цементация производится для малоуглеродистых (до 0,25%C) сталей при температуре ~920С, когда присутствует однофазное состоянии А, хорошо растворяющего C. В поверхностный слой за 15 часов входит ~1,0%C на глубину ~1,2мм. При последующей закалке поверхностный слой обретает структуру М и Ц _II , обладающего высокой твердостью (6 000 МПа) и износостойкостью, а малоуглеродистая сердцевина сохраняет структуру вязкой ферритоцементитной смеси. После закалки проводится низкий отпуск для уменьшения остаточных напряжений. Существенную роль для повышения трещиностойкости имеет формирование остаточных напряжений сжатия, вследствие увеличения объема в поверхностном слое при закалке.

Азотирование дает максимальное упрочнение поверхностного слоя для специальных сталей, содержащих нитридообразующие элементы: Cr, Al, Mo. Насыщение N происходит гораздо медленнее, чем C, но возможно при более низкой температуре. Так при T~520C за 55 часов толщина насыщенного слоя составляет всего ~0,5 мм. Образующиеся в поверхностном слое нитриды имеют очень высокую твердость (12 000 МПа), получение которой не требует дальнейшей упрочняющей термической обработки. Благодаря низкой температуре процесса насыщения азотируемые стали (нитролои), например, 38ХМЮА до азотирования можно подвергать улучшению (закалка, высокий отпуск), формирующему сорбит - высокопрочную и вязкую структуру.

Преимущество азотирования перед цементацией состоит в более высокой твердости поверхностного слоя, высокой коррозионной стойкости и большем уровне сжимающих остаточных напряжений, а также в том, что после азотирования не требуется дополнительной термообработки.

К недостаткам азотирования следует отнести длительность и дороговизну процесса.