книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

После быстрого нагрева до высокой температуры (например, при нагреве в селитровой ванне до 500°С) сразу развивается интенсив­ ная первичная рекристаллизация из многих центров и зерно полу­ чается мелким.

Скорость охлаждения с температуры рекристаллизационного отжига металлов и однофазных сплавов не сказывается на их свойствах. Полуфабрикаты из медных сплавов для лучшего отде­ ления окалины иногда охлаждают в воде. Если же сплав способен упрочняться при закалке и старении, то скорость охлаждения с температуры рекристаллизационного отжига иногда приходится регламентировать. Так, в термически упрочняемом алюминие­ вом сплаве В95 при отжиге после холодной деформации, кроме ос­

щим старением. В результате при отжиге не достигается необходи­ мое смягчение материала. Поэтому сплав В95 следует медленно охлаждать вместе с печью с температуры рекристаллизационного отжига (380—430°С) до температуры li50°C (со скоростью не бо­ лее 30°С/ч).

Неполный рекристаллизационный отжиг проводят при темпе­

ратурах выше tp , но ниже tрС целью частичного устранения накле­ па. Он позволяет, например, производить полунагартованные лис­ ты из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов. Структу­ ра получается частично рекристаллизованной, а частично полигонизованной.

Текстурирующий отжиг применяют для получения выгодной анизотропии свойств в трансформаторной стали, железоникеле­ вых сплавах с постоянной магнитной проницаемостью (сплавы ти­ па изоперм) и некоторых других текстурованных материалах. Вы­ бор оптимальных режимов отжига здесь — наиболее сложная за­ дача (см. § 14).

Список литературы

Г о р е л и к С. С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М., «Металлургия»,

Г л а в а I I I

ОТЖИГ, УМЕНЬШАЮЩИЙ НАПРЯЖЕНИЯ

При обработке давлением, литье, сварке, термообработке, шлифовании, обработке резанием, электроосаждении металла и других технологических процессах в изделии могут возникать внутренние напряжения, которые взаимно уравновешиваются внутри тела без участия внешних нагрузок. В большинстве случа­

110

ев внутренние напряжения полностью или частично сохраняются в металле после окончания технологического процесса и поэтому называются остаточными напряжениями.

■В данной главе рассмотрены только макронапряжения, урав­ новешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макро­ частей. Такие напряжения называют также зональными или на­ пряжениями I рода.

§ 16. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Причинами возникновения внутренних макронапряжений яв­ ляются неодинаковая деформация или разное изменение удельно­ го объема в различных точках тела.

Следующий простой пример поясняет возникновение остаточ­ ных напряжений при неодинаковой пластической деформации в разных участках металла (рис. 64). Представим себе, что полоса

рых посредине значительно больше, чем по концам. Центральные слои -полосы получают большее обжатие, чем крайние. Если бы за­

со своим обжатием: центральные прутки должны были бы вытя­ нуться сильнее, чем крайние. Но полоса металла в действитель­ ности является монолитным телом, в котором центральные и край­ ние слои не могут изолированно одни от других вытягиваться на разную длину. Поэтому центральные слои, которые стремятся сильнее вытянуться, будут испытывать сдерживающее влияние крайних слоев и окажутся недовытянутыми. Иначе говоря, в цент­ ральных слоях возникнут сжимающие внутренние напряжения. Крайние слои, наоборот, будут под действием центральных слоев вытянуты на величину больше той, которая определяется их обжа­ тием. Поэтому в крайних слоях возникнут растягивающие внут­ ренние напряжения (рис. 64). Напряжения разного знака взаимно уравновешиваются внутри полосы и сохраняются в металле пос­ ле окончания прокатки.

111

Удельный объем меняется при термическом сжатии й расшире­ нии, кристаллизации расплава, фазовых превращениях в твердом состоянии и изменении химического состава поверхностных слоев. Если бы термическое расширение или сжатие, кристаллизация расплава и фазовые превращения в твердом состоянии проходи­ ли одновременно и в одинаковой степени по всему объему тела, то внутренние напряжения не возникали бы. Но при нагреве и ох­ лаждении всегда имеется градиент температур по сечению тела и поэтому указанные выше изменения удельного объема в разных точках металла протекают неодинаково, в результате чего возни­ кают внутренние напряжения.

Различают термические и фазовые (структурные) внутренние напряжения, которые возникают соответственно в результате тер­ мического сжатия или расширения и фазовых превращений в твердом состоянии при наличии в теле градиента температур. Внутренние напряжения могут возникнуть практически при лю­ бой обработке, причем одна технологическая операция может при­ вести к созданию разных по своему происхождению остаточных напряжений: термических, фазовых и напряжений от неоднород­ ной пластической деформации. Например, при горячей обработке давлением, кроме напряжений, образовавшихся из-за неоднород­ ной пластической деформации, могут возникнуть термические, а также фазовые напряжения, если торячедеформированный сплав охлаждается ускоренно и в нем протекает фазовое превращение. При литье, сварке и закалке возникают термические и фазовые напряжения. Различные по своему происхождению остаточные напряжения алгебраически складываются и очень часто дают весьма сложные эпюры.

В соответствии с названием технологического процесса разли­ чают литейные, сварочные, закалочные, шлифовочные и другие ос­

остаточные напряжения, так как они, складываясь с растягиваю­ щими напряжениями от внешних нагрузок, приводят к разруше­ нию, хотя эти нагрузки могут быть и невелики.

Особенно опасны растягивающие напряжения при трехосном растяжении. Как известно, напряженное состояние при трехосном

или равны нулю, вследствие чего создаются благоприятные усло­ вия для хрупкого разрушения. Остаточные напряжения особенно опасны также в изделиях из малопластичных сплавов и таких, ко­ торые становятся хрупкими при понижении температуры.

При больших остаточных напряжениях разрушение часто происходит от не­ значительных по величине нагрузок (особенно ударных). Так, например, трещн-

112

ны в стальных отливках могут возникать при очистке их пневматическим молот­ ком и даже от сквозняка зимой (из-за добавления термических напряжений к остаточным). Крупные слитки полунепрерывного литья из малопластичных алю­ миниевых сплавов через некоторое время после окончания литья могут разру­ шаться от случайных небольших сотрясений или ударов; освобождающаяся при разрушении упругая энергия так велика, что одна часть слитка весом в сотни килограммов с сильным треском отрывается и отлетает на расстояние в несколь­ ко метров.

Остаточные растягивающие напряжения в сварных конструкциях приводят иногда к серьезным авариям. Разрушения сварных мостов и цельносварных су­ дов часто связывают с проявлением больших остаточных напряжений, близких к разрушающим. Цельносварные суда из-за остаточных растягивающих напря­ жений иногда разрушались под воздействием незначительных внешних факто­

Растягивающие остаточные напряжения в поверхностных слоях особенно вредны для деталей, работающих при знакопеременной нагрузке, так как такие напряжения способствуют усталостному разрушению (напомним, что усталостная трещина зарождается на поверхности изделия).

Вредное действие остаточных напряжений сказывается в повышении общей химической активности металла. Особенно вредно усиление межкристаллитной коррозии под действием растягивающих остаточных напряжений (сезонное раст­ рескивание латуни).

В металле с остаточными напряжениями существуют области упругих деформаций разного знака. Упругому, т. е. обратимому, снятию макронапряжений мешают межатомные силы, связываю­ щие разнородно деформированные участки металла в единое твердое тело. Если разрезать изделие или срезать (а также стра­ вить) с него поверхностный слой, то становится возможным упру­ гое снятие макронапряжений. Например, если срезать или стра­ вить сжатый остаточными напряжениями поверхностный слой, то растянутая остаточными напряжениями внутренняя область тела, освободившись от сдерживающего влияния поверхностных слоев, сможет теперь упруго сжаться. На измерении упругих деформа­ ций, возникающих при разрезке изделия, снятии или стравлива­ нии с него слоев, основаны механические методы определения ве­ личины и знака остаточных напряжений (напряжения вычисляют по деформациям).

ботке резанием, так как удаление слоя металла нарушает равно­ весие остаточных напряжений. Например, если от полосы на рис. 64 отрезать с одной стороны слой, в котором действуют рас­ тягивающие напряжения, то полоса выгнется в плоскости черте­ жа из-за нарушения равновесия растягивающих и сжимающих ос­ таточных напряжений.

Самопроизвольные изменения размеров и коробление при хра­ нении деталей происходит из-за постепенного перераспределения остаточных напряжений йри их релаксации. Иногда поэтому пос­

113-

ле сборки станков появляются недопустимые зазоры в сопряжен­ ных деталях, ранее точно пригнанных одна к другой.

Создавая контролируемые остаточные напряжения, которые вычитаются из рабочих напряжений, можно повысить эксплуата­ ционные свойства металла. Чаще всего в поверхностном слое на­ меренно создают сжимающие остаточные напряжения, которые уменьшают опасные растягивающие 'рабочие напряжения. С этой целью 'применяют дробеструйный наклеп, азотирование и другие

виды поверхностной обработки металлов.

В подавляющем большинстве случаев величина, знак и распре­ деление остаточных напряжений по объему изделия неизвестны. Для определения этих характеристик требуется нарушить целост­ ность изделия.

Рентгенографический метод позволяет по относительному из­ менению межплоскостного расстояния оценить остаточные макро­ напряжения только в поверхностном слое. Поэтому всегда можно ожидать, что неконтролируемые остаточные напряжения от обра­ ботки давлением, литейные, сварочные, закалочные и другие ос­ таточные напряжения могут ухудшить свойства металла и ока­ заться опасными при его обработке и эксплуатации изделия. IB об­ щем случае желательно полностью или хотя бы частично снять не­ контролируемые остаточные напряжения.

§ 17. УМЕНЬШЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ОТЖИГЕ

Избыточная энергия в упругодеформированных областях мо­ жет понизиться без нарушения целостности тела, если разрядка остаточных напряжений произойдет путем пластической деформа­ ции. Следовательно, чтобы добиться полного или частичного сня­ тия остаточных макронапряжений в изделии, необходимо вызвать в нем пластическое течение.

Остаточные напряжения при отжиге уменьшаются двумя путя­ ми: 1) вследствие пластической деформации в условиях, когда эти

114

так как в разных участках тела действуют разнообразные по ве­ личине остаточные касательные напряжения.

При напряжениях выше предела текучести генерируется мно­ жество дислокаций, скольжение которых приводит к очень быст­ рой пластической деформации. Можно считать, что степень раз­ рядки остаточных напряжений по такому механизму определяется температурой отжига, a we его продолжительностью.

Рассмотрим второй путь уменьшения остаточных напряжений, когда их величина меньше предела текучести. Если в какой-то мо­ мент испытания образца на растяжение перестать увеличивать де­ формацию и оставить образец в захватах разрывной машины под нагрузкой, то, как известно, в образце будет происходить релакса­ ция напряжений. Напряжения в этом опыте падают вначале быст­ ро, затем все медленнее и медленнее, и, наконец, достигается не­

Длина образца, находящегося в захватах машины, остается не­ изменной. Напряжения в нем снижаются потому, что упругая де­ формация уменьшается при одновременном и равном увеличении пластической деформации, развивающейся в условиях ползучести. Релаксация при заданной общей деформации развивается путем ползучести при падающем напряжении.

Вдетали, в которой остаточные напряжения меньше предела текучести, упругая деформация также может с течением времени переходить в пластическую.

Вобласти температур, где остаточные напряжения меньше пре­ дела текучести (ниже t\ на рис. 65), ползучесть является единст­ венно возможным механизмом их уменьшения. При напряжениях меньше предела текучести не происходит массового размножения

имассового скольжения дислокаций. Медленное пластическое те­ чение осуществляется перемещением ограниченного числа легко­

подвижных дислокаций. Встречаясь с препятствиями (отдельными сидячими дислокациями, дислокационными сплетениями, дисперс­ ными частицами, границами зерен), скользящие дислокации тор­ мозятся. Исчерпание легкоподвижных дислокаций приводит к за­ туханию ползучести, а уменьшение остаточных напряжений еще более усиливает это затухание.

Флуктуации тепловой энергии активируют скольжение. С уве­ личением продолжительности отжига они вовлекают в скольжение менее благоприятно расположенные дислокации, помогают дисло­ кациям преодолевать и обходить препятствия пересечением дис­ локаций леса и поперечным скольжением. При температурах от­

115

ше остаточных напряжений, то вначале происходит быстрая раз­ рядка напряжений до величины предела текучести вследствие мас­ сового размножения и скольжения дислокаций, а затем этот меха­ низм пластической деформации сменяется ползучестью, приводя­ щей к постепенной и затухающей во времени релаксации напря­ жений.

Быстрая разрядка остаточных напряжений при повышенных температурах иногда бывает опасной, так как из-за неоднородного распределения напряжений по сечению и длине изделия она может привести к нарушению равновесия внутренних сил и моментов, сопровождающегося короблением. Идеальна для отжига релакса­ ция напряжений в ее классическом виде, когда медленная пласти­ ческая деформация нарастает при одновременном и равном умень­ шении упругой деформации так, что линейные размеры в направ­ лении действия сил не изменяются.

Чем выше уровень исходных напряжений, тем быстрее в пер­ вый период происходит их разрядка и тем больше опасность ко­ робления.

Продолжительность отжига дЛя уменьшения напряжений уста­ навливают опытным путем. Определенной температуре отжига в каждом конкретном изделии соответствует свой конечный уровень остаточных напряжений, по достижении которого увеличивать про­ должительность отжига практически бесполезно (рис. 66).

Кинетику уменьшения остаточных напряжений при сравнении сплавов разного состава удобно изучать в опытах на релаксацию с образцами, растянутыми в машине до заданной деформации.

116

При выборе же производственного режима отжига следует при­ бегать к натурным испытаниям, так как каждая конкретная де­ таль характеризуется своим распределением остаточных напряже­ ний до и после отжига.

Если сплав содержит фазы с резко различающимися термическими коэффи­ циентами линейного расширения (силумины, металлокерамические материалы), то по сравнению с обычным отжигом более эффективен циклический отжиг с обра­ боткой холодом. Такой комбинированной термообработке подвергают детали, к которым предъявляют особо жесткие требования по стабильности размеров во время хранения и эксплуатации высокоточных приборов. Детали из силуминов типа АЛ2 и АЛ9 охлаждают до температур минус 40— минус 196°С, затем ото­ гревают до комнатной температуры и помещают в печь, нагретую до 150°С (или же сразу переносят в печь). Затем детали охлаждают до комнатной температуры и вновь обрабатывают холодом. В течение трех циклов такой обработки (по­ следней всегда должна быть операция нагрева) остаточные напряжения умень­ шаются на 30— 70% (наибольшее влияние оказывает первый цикл). Обычный длительный отжиг при верхней температуре термического цикла (150°С) несрав­ ненно слабее уменьшает остаточные напряжения. Скорости охлаждения и нагре­ вания на результатах термоциклирования не сказываются.

Как показал М. Л. Хенкин, механизм эффективного уменьшения остаточ­ ных напряжений при термоциклировании силумина состоит в следующем. Из-за большой разницы в термических коэффициентах линейного расширения алюми­ ниевой и кремниевой фаз (примерно в 6,5 раз) на межфазных границах воз­ никают микронапряжения. При обработке холодом эти микронапряжения усили­ ваются и, складываясь с остаточными напряжениями, вызывают при нагревании значительные пластические деформации. Таким образом, чередование захолаживания до отрицательных температур и последующего нагревания усиливает пла­ стическое течение в микроучастках и этим способствует более полному умень­ шению остаточных напряжений.

Во многих случаях уменьшение остаточных напряжений явля­ ется побочным процессом, совершающимся при разнообразных операциях термообработки одновременно с основными структур­ ными и фазовыми изменениями. Например, литейные и сварочные напряжения уменьшаются при отжиге, основной целью которого является фазовая перекристаллизация (см. § 25). Литейные на­ пряжения уменьшаются при гомогенизационном отжиге. При вы­ соком отпуске стали наряду с основным процессом превращения мартенсита в сорбит уменьшаются закалочные напряжения. Оста­ точные напряжения, возникшие в результате холодной обработки давлением, уменьшаются при рекристаллизационном отжиге, ос­ новной целью которого является снятие наклепа.

Нагрев для уменьшения остаточных напряжений довольно час­ то приходится применять как самостоятельную операцию термо­ обработки, которая в этом случае и называется отжигом для уменьшения напряжений.

Использование отжига для уменьшения напряжений лимити­ руется теми нежелательными структурными и фазовыми измене­ ниями, которые могут произойти при нагреве. Например, чтобы достаточно полно снять закалочные напряжения в изделиях из термически упрочняемых алюминиевых сплавов, необходимо на­ гревать их до температур около 230—260°С. Но при таких темпе­ ратурах в алюминиевых сплавах происходит перестаривание, со­ провождающееся снижением прочности, а у некоторых сплавов, кроме того, снижается стойкость против коррозии. Для полного

П7

снятия остаточных макронапряжений после холодной обработки давлением желательно проводить отжиг при таких температурах, при которых протекает рекристаллизация. Но при этом снимается упрочнение от холодной обработки давлением, что во многих слу­ чаях недопустимо. Поэтому приходится либо мириться с недоста­ точно полным снятием остаточных напряжений при низких темпе­ ратурах, либо идти на компромисс, достигая более полного снятия напряжений при некотором ухудшении механических и других свойств.

В табл. 6 приведены режимы отжига для уменьшения напряже­ ний в различных материалах. Скорости нагрева и особенно охлаж­ дения при отжиге должны быть небольшими, чтобы не возникли новые внутренние термические напряжения.

Верхнюю границу температурного интервала отжига для уменьшения напряжений определяют экспериментально с учетом тех нежелательных структурных изменений, которые ухудшают механические и другие свойства.

Стали отжигают для уменьшения напряжений при температу­ рах обычно несколько ниже критической точки Ас\. На рис. 67 по­ казано, что достаточно полное снятие литейных напряжений достигается от­ жигом примерно при 600°С. Отливки из серого чугуна отжигают для умень­ шения напряжений так, чтобы графитизация сильно не развивалась и твердость существенно не уменьша­

лась.

Холоднокатаные листы и штампов­ ки из меди, никеля, титана и дефор­ мируемых сплавов на их основе отжи­ гают для уменьшения остаточных на­ пряжений при температурах не выше точки начала рекристаллизации, чтобы сохранить высокие прочностные харак­ теристики наклепанного металла. От­ жиг для уменьшения напряжений ши­

роко применяют к латуням, содержащим более 20% Zn, так как они характеризуются сильной склонностью к коррозии под напря­ жением («сезонная болезнь»).

Выше уже отмечалось, что температуры отжига для уменьше­ ния напряжений у алюминиевых сплавов находятся между темпе­ ратурами старения и закалки. В этом температурном интервале в термически упрочненных изделиях значительно снижаются проч­ ностные характеристики, поэтому к изделиям из деформируемых алюминиевых сплавов отжиг для уменьшения напряжений приме­ няют редко. Иногда для предотвращения поводки изделия из-за удаления слоя металла перед окончательной (чистовой) обработ­ кой резанием применяют отжиг при 350—370°С. Если слитки не­ прерывного литья из деформируемых алюминиевых сплавов не

118

подвергались гомогенизационному отжигу, то перед разрезкой на мерные заготовки для уменьшения остаточных напряжений их сле­ дует отжечь при ЭОО—350°С во избежание опасного разрушения слитков при резке. Отливки из некоторых алюминиевых сплавов, например детали точных приборов, для стабилизации разменов подвергают уменьшающему литейные напряжения отжигу при

230—300°С.

Чтобы снизить закалочные напряжения в плитах, штамповках и других де­ талях из алюминиевых сплавов, которые нельзя отжечь из-за недопустимости разупрочнения, 'можно применить обработку холодом с тепловым ударом. За­ каленное изделие помещают в жидкий азот (— 196°С), а затем быстро нагрева­ ют до невысоких температур в кипящей воде или струе пара. Градиент темпе­ ратур при быстром нагреве противоположен градиенту температур при закалке, и возникающие -при нагреве термические напряжения уменьшают закалочные. После такой обработки можно проводить обычное упрочняющее старение. Ука­ занный оригинальный способ уменьшения закалочных напряжений пока не на­ шел применения.

К крупногабаритным изделиям, например к сварным конструкциям, которые невозможно поместить в обычные печи, иногда применяют местный отжиг с на­ гревом пламенем газовой горелки или другими способами. При этом следует учитывать, что местный отжиг может создать новые сильные напряжения из-за неизбежного перепада температур. Для уменьшения сварочных напряжений в особо ответственных громоздких конструкциях строят специальные печи с боль­ шим рабочим пространством для помещения в них целиком всего изделия.

Отжиг для уменьшения остаточных напряжений широко приме­ няют в технике. Он уменьшает вредные остаточные растягивающие напряжения, особенно опасные при объемном напряженном состо­ янии, позволяет повысить допустимые внешние нагрузки, повыша­ ет сопротивляемость усталости и ударным 'нагрузкам, снижает склонность к хрупкому разрушению, межкристаллитной коррозии и коррозионную усталость, стабилизирует размеры и предотвра­ щает коробление и поводку изделий.

119