7.Термические и структурные напряжения, деформация и коробление изделий при термической обработке

План лекции

1. Способы предупреждения коробления и деформации

2. Технология механической правки

3. Закалочные трещины

Причиной деформации и коробления изделий являются внутренние напряжения, которые в зависимости от происхождения делятся на: усадочные (литейные) образуются в основном в отливках; тепловые (термические); структурные и фазовые; деформационные, возникающие в результате наклепа при обработке резанием давлением, шлифованием. По объему, в котором напряжения уравновешиваются, они подразделяются на макро- и микронапряжения.

Усадочные напряжения возникают в отливках при затвердевании материала в результате уменьшения объема при переходе жидкого расплава в твердое состояние. Термические – при нагреве или охлаждении в связи с неодновременным изменением температуры по сечению (рис. 6,а). Структурные – также при нагреве и охлаждении вследствие неодинакового протекания фазовых превращений по объему деталей с изменением удельного объема (рис. 6,б). Величина деформационных напряжений, их распределение в изделиях определяются степенью деформации, технологической жесткостью изделий, неоднородностью макро- и микроструктуры. Необходимо учитывать, что напряжения, и особенно напряжения сжатия на поверхности, могут быть и полезными. Например, наклеп дробью поверхности зуба шестерни, пружины, рессоры повышает усталостную прочность в 1,5-2,0 раза.

При деформации за счет напряжений возможно образование следующих дефектов: увеличение или уменьшение объема изделий, выводящие их за пределы допуска; кривизна, волнистость, винтообразность, пропеллерность, овальность отверстий, изменение шага резьбы, вспучивание плоских стенок, диафрагм; макро- и микротрещины и др. Возможна неоднородная деформация (анизотропия) вызванная строчечным расположением

Рис. 6. Деформация тел простой формы при нагреве и охлаждении под воздействием напряжений: а – термических; б – структурных

На деформацию и коробление в первую очередь оказывает влияние форма и размеры изделий. В зависимости от геометрии изделия делятся на:

1. Стержнеобразные – изделия удлиненной формы;

2. Плоские изделия;

3. Объемные изделия.

По устойчивости деталей к действию остаточных напряжений они делятся на пять категорий жесткости:

1. Массивные (валы, оси, плиты, колеса) l׃d ≤ 5;

2. Повышенной жесткости l׃d = 5-10;

3. Средней жесткости l׃d = 10-15;

4. Малой жесткости l׃d = 25-40;

5. Весьма малой жесткости l׃d > 40,

где l – наибольший размер изделия; d – наименьший размер.

Количественной оценкой технологической жесткости при деформации изгиба является величина – А, которая определяется:

для стержнеобразных изделий по формуле:

А = d4⁄ l3 , (3);

для плоскостных:

А = d3⁄ l4 (4).

По величине А изделия подразделяются на четыре категории, характеристика которых приведена в табл. 10.

Таблица 10

Категории технологической жесткости

7.1 Способы предупреждения коробления и деформации

Для предупреждения коробления и деформации при термической обработке используется ступенчатый нагрев, ограничение скорости нагрева, получение однородной структуры, охлаждение с оптимальной температуры закалки (желательно более низкой), применение подстуживания, изотермической или ступенчатой закалки, отжига для снятия напряжений. При термической обработке механически обточенных деталей уменьшить деформацию можно за счет значительных припусков на механическую обработку. Для деталей малой и весьма жесткости рекомендуется выполнять термическую обработку в вертикальном (подвешивание) положении.

Применение максимально медленного нагрева способствует значительному понижению деформации. При охлаждении принудительное фиксирование формы закаливаемых изделий в штампах, приспособлениях (плоские, кольцевые детали), используя эффект кинетической пластичности. Закономерности кинетических изменений свойств материалов наблюдаются при всех видах фазовых и структурных превращений при воздействии внешних деформирующих усилий. При этом в материале повышается пластичность с одновременным снижением сопротивления пластическому деформированию. При кинетической пластичности, обусловленной фазовыми превращениями, размеры зерен (почти до 1см) практически не оказывают влияния. Рост пластичности обнаруживается при всех видах механического нагружения: растяжении, сжатии, кручении, изгибе. Однако такое изменение свойств является временным, так как возможно только в момент фазовых превращений и исчезает после его завершения или приостановке по какой-либо причине.

В связи с малым временем проявления кинетической пластичности при ее практическом применении следует соблюдать следующие правила:

1. Фиксацию изделий производить до начала нагрева или охлаждения;

2. Стабилизирующие устройства должны минимально нарушать равномерность нагрева или охлаждения;

3. Фиксация изделия до или после фазовых переходов может усилить коробление и деформацию;

4. Преждевременная выгрузка деталей может сопровождаться усиленной деформацией.

Если, не смотря на все меры, изделия получили деформацию и коробление, превышающие допуск, то основным способом их устранения является механическая правка.