4.8. Способы воздействия на свойства веществ и материалов

Изменение свойств материалов, например повышение прочности металлов, в инженерной практике решается созданием соответствующих химических композиций и применением различных способов обработки материалов.

Обработка материалов – действие, направленное на изменение свойств предмета труда при выполнении технологического процесса.

К наиболее распространенным способам обработки относятся механическая и термическая обработка материалов.

4.8.1. Механическая обработка

4.8.1.1. Общие сведения

Изделия требуемых форм, размеров и свойств получают из раз­личного рода сплавов, как правило, применяя механическую обработку.

Механическая обработка − это обработка давлением или резанием.

Обработка давлением − обработка, заключающаяся в пласти­ческом деформировании или разделении материала, причем разделение материала давлением происходит без образования стружки.

Обработка давлением бывает объемная, поверх­ностная, основная цель последней − упрочнение поверхности. К объемным видам обработки давлением относятся прокатка, волочение, штамповка, прессование и ковка, а к поверхностным − дробеструйный наклеп, накатывание стальным шариком, центробежно-шариковый на­клеп, алмазное выглаживание и др.

Прокатка − обжатие материала, в основном металла, между вра­щающимися валками с уменьшением исходного сечения заготовки, увели­чением ее длины и формированием профиля, соответствующего форме вал­ков, если последние не гладкие. Способом прокатки получают большинст­во строительных изделий: балки, рельсы, листовую и прутковую сталь, арматуру, трубы.

Волочение − протягивание заготовки через отверстие, сечение которо­го меньше сечения заготовки.

Штамповка − выдавливание материала, при котором форма и разме­ры изделия определяются конфигурацией инструмента (штампа). Штам­повка позволяет получить изделия очень точных размеров.

Прессование − выдавливание (экструдирование) материала из замк­нутой полости контейнера через канал матрицы, форма и размеры которо­го определяют сечение прессуемого профиля. Прессование используется как способ обработки материалов давлением с целью их упрочнения и (или) производства изделий.

Ковка − штампованная деформация материала, в основном металла, под действием повторяющихся ударов молота или пресса.

Обработка резанием − обработка, заключающаяся в образо­вании новых поверхностей отделением поверхностных слоев мате­риала с образованием стружки. Образование поверхностей сопрово­ждается деформированием и разрушением поверхностных слоев.

4.8.1.2. Деформация поликристаллов

На всех стадиях деформирования поликристаллического веще­ства наблюдается смещение, в том числе остаточное, атомов от своих равновесных положений в кристаллической решетке. Это ведет к не­упорядоченному изменению ее параметров (искажению). Отдельные атомы могут совсем уходить из узлов решетки в междоузлия, становясь межузельными (дислоцированными) и образуя вакансии, что ведет к росту количества точечных дефектов кристаллической решетки.

При относительно малых деформациях (~1 %) атомная кон­центрация точечных дефектов достигает 10^-5...10^-4, что приводит к изменению ряда физических свойств, например, к увеличению удель­ного электросопротивления; в то же время упрочнения материала еще не обнаруживается.

Для характеристики деформации используют понятие «степень деформации» ɛ, которую определяют по формуле:

ɛ = (F_о-F_к)/F_о ^. 100 %, (4.24)

где F_о и F_к − площади сечения до и после деформации соответственно.

При увеличении степени деформации пластическая деформа­ция поликристаллических веществ идет аналогично деформации мо­нокристалла путем сдвига (скольжения) или двойникования, но фор­моизменение происходит в результате пластической деформации ка­ждого отдельного зерна.

В каждом зерне плоскости и направления скольжения различно ориентированы по отношению друг к другу, и пластическая дефор­мация первоначально начинается в наиболее благоприятно ориенти­рованных по отношению к направлению воздействия зернах. Начинается перемещение дислокаций, вызывая сдвиг (скольжение) одних частей кристалла (зерна) относительно других вдоль определенных металлографических направлений, что приводит к удлинению зе­рен. При этом движущаяся дислокация не может переходить в соседнее зерно, так как в нем системы скольжения ориентированы иначе. Границы зерна тормозят движение дислокаций, но их скопление у границы создает напряжение и может упруго распространиться через границу, что приведет в действие источник возникновения дислокаций в соседнем зерне. Таким образом, происходит передача деформа­ции от одного зерна другому.

В результате скольжения некоторых частей зерна (слоев) не только изменяется форма зерна, но в них измельчается блочная структура при увеличении угла разориентировки между блоками. Измельчение блочной структуры приводит к значительному увеличению числа дефектов кристаллической решетки (дислокаций, вакан­сий, межузельных атомов) и резкому возрастанию внутрикристаллитных и межкристаллитных напряжений, а следовательно, к деформационному упрочнению (наклепу). Однако повышение плотности дефектов кристаллической решетки затрудняет движение отдельных дислокаций.

Деформационное упрочнение поликристаллических веществ, происходящее в процессе пластической деформации, значительно превосходит аналогичное в монокристаллах.

Деформационное воздействие на материал можно охарактеризовать по стадиям. Стадийность прежде всего связана с различным типом дефектных самоорганизующихся структур. Так, в эволюции дислокационных структур при деформации материалов с ОЦК-решеткой выявлено три стадии структурообразования (рис. 4.17): I − диполи из краевых дислокаций, винтовые дислокации и скопления дислокаций; II − клубки дислокаций, границы блочной структуры; III – блочная структура.

Рис. 4.17. Трехстадийная кривая деформации в координатах «приведенное напряжение сдвига – деформация сдвига»: I – стадия легкого скольжения; II – стадия линейного упрочнения; III – стадия параболического упрочнения

Металлы с ГЦК-решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК-решеткой. Среди сплавов с ГЦК-решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, аустенитная сталь).

При достаточно больших степенях деформации изменение формы зерна в результате смещения и поворотов его отдельных частей приводит к тому, что все зерна в поликристаллическом веществе, например металле, вытягиваются вдоль направления деформирования, образуя ориентированную структуру (рис. 4.18). Само зерно как целое при этом не поворачивается в пространстве, а лишь изменяет размеры, удлиняясь. Микроструктура, получаемая в результате такой ориентации, при степени деформации более 40 % называется тексту­рой деформации (кристаллографической текстурой).

Рис. 4.18. Схемы изменения микроструктуры при объемной

пластической деформации поликристалла:

а − ɛ=0 %; б − ɛ=1 %; в − ɛ=40 %; г − ɛ=80 %

Текстура деформации − наличие преимущественной ориента­ции кристаллографических направлений и (или) плоскостей относи­тельно направления деформации, приводящей к анизотропии свойств.

Характер текстуры зависит от кристаллического строения ма­териала и вида деформации. При волочении, экструзии, вытяжке воз­никают так называемые аксиальные текстуры — у каждого кристалла определенное кристаллографическое направление оказывается па­раллельным направлению деформации. При прокатке получается бо­лее сложная текстура (текстура прокатки) − параллельно плоскости прокатки лежит определенная кристаллографическая плоскость, в которой вдоль направления прокатки ориентировано также опреде­ленное кристаллографическое направление.

Возникновение анизотропии физических свойств при образо­вании текстур деформации в поликристаллическом материале имеет большое практическое значение. Объемное пластическое деформиро­вание, при котором создается магнитная текстура, используется, на­пример, при производстве текстурованной электротехнической (трансформаторной) стали, сплавов для постоянных магнитов и др.

При большой степени деформации кристаллическое вещество переходит из стабильного (исходного) состояния в метастабильное. Структурные изменения, вызванные пластической деформацией, не являются устойчивыми и сохраняются только из-за малой подвижности атомов при низкой температуре. Температурное воздействие может восстановить структуру поликристаллических веществ такой, какой она была до деформации.

Деформационное упрочнение существенно влияет на величину физических свойств. Источником этого влияния являются 5...10 % энергии, запасенной материалом из энергии, затраченной на деформирование. Так, объемная пластическая деформация приводит к увеличению твердости, удельного электросопротивления (максимально до 6 %), коэрцитивной силы; возрастает склонность к коррозии и, наоборот, снижаются плотность, магнитная проницаемость и величина остаточной индукции ферромагнитных материалов; поверхностная – повышает твердость, сопротивление коррозии.

При наклепе увеличиваются прочностные характеристики и понижаются пластичность и вязкость (рис. 4.19). С увеличением степепени деформации предел текучести растет быстрее предела прочности. Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются; такое состояние наклепанного металла является предельным — при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и предел прочности удается повысить в 1,5...3 раза, а предел текучести − в 3...7 раз при максимально возможных деформациях.

.

Рис. 4.19. Зависимость механических свойств металлов и сплавов

от степени деформирования

Упрочнение поверхностных слоев изделий в технике (ГОСТ 18296-72) прежде всего ориентировано на повышение долговечности деталей машин и оборудования, поскольку их разрушение в большинстве случаев развивается с поверхности. Наклеп поверхностным пластическим де­формированием при толщине упрочненного слоя 0,1...0,25 мм повы­шает предел выносливости на 30...50 %, долговечность в 3...10 раз, со­противление фреттинг-коррозии в 1,5...2 раза