37(27). Искусственное и естественное старение сплавов

Распад пересыщенного твердого раствора, полученного путем закалки, связанный с упрочнением сплава, называют дисперсионным твердением, или дисперсионным старением.

В некоторых сплавах, подвергнутых закалке, при комнатной температуре фиксируется состояние пересыщенного твердого раствора (или смеси твердых растворов); при этом сразу после охлаждения упрочнения не наблюдается, основное упрочнение происходит при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при комнатной температуре. В результате такой выдержки происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием дисперсных частиц. Такой процесс упрочнения сплавов после закалки называют дисперсионным твердением или дисперсионным старением, а саму ТО – искусственным (происходящим при повышенной температуре) или естественным (при комнатной температуре) старением.

Закалку со старением применяют для получения более высокого уровня механических или физических свойств (твердости, прочности, упругости, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и т. д.) по сравнению с отожженным состоянием. В частности, закалка и старение широко используются для упрочнения мартенситно-стареющих сталей, высокопрочных алюминиевых сплавов, пружинных бронз и др. дисперсионно-твердеющих сплавов.

38. Виды брака при термообработке

Несоблюдение технологических режимов при термообработке может привести к неисправимому или исправимому браку изготавливаемых деталей. Наиболее распространенными пороками термообработки стали, возникающими в результате неправильного режима нагрева и выдержки, являются:

Обезуглероживание, т.е. выгорание углерода из поверхностного слоя детали в результате взаимодействия с атмосферным кислородом. Брак может быть устранен специальной термообработкой в науглероживающей атмосфере или механическим срезанием поверхностного слоя металла, если это позволяют сделать припуски на заготовке.

Недогрев – дефект, образующийся при нагреве стали до температуры ниже критической, что приводит к недостаточной прочности, твердости или пластичности. Этот дефект устраняется отжигом или нормализацией с последующей повторной термической обработкой.

Перегрев – дефект, являющийся следствием нагрева стали до температуры намного выше критической или чрезмерно большой выдержки при высокой температуре. Перегрев приводит к интенсивному росте зерен, что ухудшает все механические свойства. Очень сильный перегрев может привести к образованию крупноигольчатой (пластинчатой), так называемой видманштеттовой структуры ⁴³. Крупнозернистая и видманштеттова структуры могут быть исправлены путем рекристаллизационного отжига. При закалке из-за перегрева получается крупноигольчатый мартенсит (с крупнозернистой структурой в изломе), механические свойства которого заметно ниже мелкоигольчатого. Перегретую сталь отжигают и вновь подвергают закалке.

Пережог возникает, если сталь нагревают в окислительной атмосфере (на воздухе) до температуры, близкой к началу плавления. Пережженное изделие – очень хрупкое, т.к. оно по границам зерен окислено и, нередко, имеет оплавленные кромки. Пережог – неисправимый брак, который не может быть исправлен другими видами обработки.

Кроме этого, можно выделить специфические пороки, возникающие при закалке сталей:

Недостаточная твердость получается в результате недогрева или недостаточно быстрого охлаждения детали при закалке. Причину этого дефекта можно легко установить по микроструктуре стали. Так, если структура закаленной конструкционной стали содержит кроме мартенсита феррит, то недостаточная твердость является следствием недогрева. Если же в стали после закалки наряду с мартенситом имеется троостит, значит охлаждение было недостаточно быстрым. Этот дефект исправляется повторной, правильной закалкой.

Пятнистая закалкавозникает в результате неравномерного воздействия охлаждающей среды; она связана с наличием окалины или загрязнений, недостаточным прогревом, недостаточно интенсивным или неравномерным охлаждением. В некоторых случаях пятнистая закалка является следствием анормальной структуры стали, характеризующейся наличием крупных зерен феррита.

Поводка, коробление и образование трещин – наиболее распространенные дефекты, являющиеся следствием возникновения в деталях больших внутренних напряжений, связанных с изменением их объема при закалке. Различают две причины возникновения напряжений – термические напряжения появляются вследствие обычного уменьшения объема тел при охлаждении; структурные напряжения возникают как следствие превращения аустенита. Известно, что переход аустенита в продукты его распада сопровождается увеличением объема; наиболее значительно это увеличение объема при превращении аустенита в мартенсит. Поскольку структурные превращения в различных участках закаливаемого изделия совершаются не одновременно и в результате закалки нередко возникает неодинаковая по сечению структура, то создающиеся при закалке напряжения распределяются также неравномерно, что и приводит к явлениям поводки, коробления и даже растрескивания, когда внутренние напряжения превышают предел прочности стали.

Возникновению опасных внутренних напряжений способствуют неблагоприятная форма изделия, резкие переходы по толщине, острые надрезы, канавки и др. Следует иметь в виду, что иногда закалочные трещины появляются значительное время спустя после закалки детали. Поэтому отпуск рекомендуется производить сразу после закалки.

Поводка после закалки вызывает необходимость правки, при которой создаются дополнительные напряжения. Все это также может привести к образованию трещин.

Остаточные напряжения, возникающие при закалке, могут быть причиной ряда отрицательных явлений при дальнейшей технологической обработке и эксплуатации изделий. Так, например, при обработке резанием и снятии верхних слоев, сдерживающих проявление внутренних напряжений, обрабатываемые изделия начинают деформироваться, чем нарушаются нормальные условия обработки. Перераспределение остаточных напряжений при эксплуатации может, например, вызвать деформацию вала, которая нарушит соосность и приведет к ускоренному износу шеек вала и подшипников.