Поверхностное упрочнение стали (закалка, наклеп).

Термическую обработку применяют на различных стадиях производства деталей машин и металлоизделий. В результате термической обработки свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность значительного повышения механических свойств после термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и массу машин и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий. Улучшение свойств в результате термической обработки позволяет применять сплавы более простых составов, а поэтому более дешевые, что является очень важным фактором в

условиях современной промышленности.

Основными конструкционными сплавами на сегодняшний день являются стали и чугуны, поэтому детальное изучение вопроса поверхностного упрочнения изделий, выполненных из данных сплавов, является объектом многих исследований и научных экспериментов.

В зависимости от вида фазовых превращений, происходящих в сплаве при закалке,

различают закалку с полиморфным превращением и закалку без полиморфного превращения.

Закалка с полиморфным превращением применяется для сплавов, в которых один из компонентов имеет свойство полиморфизма, т.е. способно существовать в различных кристаллических структурах, называемых полиморфными модификациями (их принято обозначать греческими буквами α,β,γ и т.д.). Данный вид закалки характерен для сталей, основной компонент которых – железо Fe - полиморфен. Для железа характерны четыре кристаллические модификации:

· до 769 °C существует α-Fe (феррит, см. рис.1) с объѐмноцентрированной

кубической решѐткой и свойствами ферромагнетика

· в температурном интервале 769—917 °C существует β-Fe, который отличается от

α-Fe только параметрами объѐмноцентрированной кубической решѐтки и магнитными

свойствами парамагнетика. Зачастую, β-Fe не выделяют в отдельную модификацию и

рассматривают еѐ как разновидность α-Fe.

· в температурном интервале 917—1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с

гранецентрированной кубической решѐткой

· выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объѐмоцентрированной кубической решѐткой

При такой закалке нагрев металла производится до температуры, при которой происходит смена типа кристаллической решетки в основном компоненте. Образование высокотемпературной полиморфной структуры γ-железа сопровождается увеличением растворимости легирующих элементов. Последующее резкое охлаждение ведет к обратному изменению типа кристаллической решетки, однако из-за быстрого охлаждения в твердом растворе остается избыточное содержание атомов других компонентов, поэтому после такого охлаждения образуется неравновесная структура. В металле сохраняются внутренние напряжения. Они вызывают резкое изменение свойств, увеличивается прочность, уменьшается пластичность. При быстром охлаждении перестройка кристаллической решетки происходит за счет одновременного смещения целых групп атомов. В результате вместо обычных зерен в металле появляется игольчатая структура, называемая мартенситом. Неравновесное состояние металла после такого типа закалки является термодинамически неустойчивым. Поэтому, чтобы перевести металл в более устойчивое состояние, получить необходимый уровень внутренних напряжений, а соответственно и необходимые механические свойства, применяют дополнительную термообработку – отпуск, заключающуюся в нагреве материала до температур из диапазона 150-650 °С с последующим медленным остыванием.

Различают 3 вида отпуска:

Низкий отпуск достигается нагревом до температуры 150 – 250° С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. При выдержке во время отпуска в указанном интервале температур мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска, при этом внутренние напряжения частично снимаются и остаточный аустенит превращается в мартенсит отпуска. В результате низкого отпуска сталь сохраняет высокую твердость, а иногда твердость повышается за счет распада остаточного аустенита; устраняется закалочная хрупкость. Такой отпуск применяют для режущего инструмента и изделий, которым необходима высокая твердость.

Превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска способствует стабилизации размеров детали, что необходимо для измерительного инструмента,, изготовляемого из инструментальной стали. Этому инструменту также дают низкий отпуск.

Средний отпуск производят при 300 – 500° С. Твердость стали заметно понижается,

вязкость увеличивается. Средний отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при средней твердости. Получаемая структура – тростит отпуска.

Высокий отпуск происходит при 500 – 600° С, его основное назначение – получить

наибольшую вязкость при достаточных пределах прочности и упругости стали. Применяют этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, подвергающихся действию высоких напряжений, особенно при ударной нагрузке. Термическую обработку, состоящую из закалки с высоким отпуском, называют улучшением, а стали подвергаемые такой обработке улучшаемыми сталями.

Получаемая структура - сорбит отпуска.

Закалка без полиморфного превращения – термическая обработка, фиксирующая при

более низкой температуре состояние, свойственное сплаву при более высоких температурах (пересыщенный твердый раствор). К материалам, подвергнутым закалке без полиморфного превращения, применяется старение – вид термической обработки, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора, приводящий к изменению свойств закаленных сплавов – увеличению прочности и твердости и снижению пластичности.

Кроме того, закалка разделяется на объемную и поверхностную: в первом случае закалке подвергается весь образец, во втором – только поверхностный слой. Поскольку при использовании изделия в качестве детали машин - например, в паре трения, основной износ приходится на поверхностный слой, поверхностная закалка является более распространенной по сравнению с объемной по причине меньших энергозатрат и отсутствию необходимости упрочнения металлического изделия на большую глубину.

МЕХАНИЗМ УДАРНОГО НАКЛЕПА

Традиционный наклеп эффективно и широко применяется в промышленности уже более 60 лет. Принцип действия данного метода основывается на обстреле обрабатываемой детали чугунной, металлической или керамической дробью. Ударяясь о металлическую поверхность, дробь вызывает пластическую деформацию металла. В основном эффект распространяется на глубину от 0,13 до 0,25 мм. Упрочнение металлов и сплавов при поверхностной деформации объясняется возрастанием на несколько порядков плотности дислокаций. Их свободное перемещение затрудняется взаимным влиянием, также торможением дислокаций в связи с измельчением блоков и зерен, искажениями решетки металлов, возникновением напряжений. Анализ сущности пластической деформации с позиций дислокационной концепции позволяет установить, что изменение внутреннего строения металла при пластической деформации связано главным образом с ростом плотности дислокаций, происходящим вследствие их непрерывного генерирования источниками Франка-Рида под действием напряжений, создаваемых прикладываемой силой. Если дислокация подходит к границе двух зерен и не может выйти на поверхность, она застревает. Следующие дислокации, подходят к застрявшей дислокации, образуя скопление дислокаций вблизи границ зерен. Чем мельче зерна, тем больше поверхность их раздела, и тем выше уровень напряжений, необходимый для смещения дислокаций. Напряжения скапливаются у границ зерен, все больше заполняя решетку. Для дальнейшей деформации кристалла необходимо повысить внешнее усилие. При этом происходит

прорыв дислокаций через препятствие, раздробление блоков, увеличение их границ, и тем самым больше мест скопления дислокаций. Упрочнение металла в результате скопления дислокаций на границах зерен и невозможности их перемещения называется наклепом металла при холодной деформации. В результате наклепа возрастает упругое искажение кристаллической решетки, увеличивается сопротивление деформации и уменьшается пластичность. Увеличение прочности особенно интенсивно происходит на начальных стадиях деформации (до 25%). Для упрочнения металла зачастую его легируют атомами другого металла, таким образом повышая количество дефектов кристаллической решетки. Иными словами, с одной стороны дефекты ослабляют металл, а с другой – затрудняют движение дислокаций, что упрочняет металл. Кроме увеличения количества дислокаций при холодной деформации происходит и изменение формы кристаллов.

Зерна, имевшие до деформации произвольную ориентацию, после деформации вытягиваются в определенном направлении. Механические свойства металла становятся неодинаковыми в различных направлениях, т.е. материал становится анизотропным. Ориентация кристаллических решеток зерен в определенном направлении с появлением анизотропии свойств называется текстурой. Таким образом, наклеп сопровождается текстурой кристаллов. Кроме увеличения прочностных свойств, при наклепе увеличивается электрическое сопротивление (до 50%), уменьшается электропроводность, коррозионная стойкость и магнитная проницаемость металлов.

К преимуществам данного метода также можно отнести его относительную дешевизну, высокую надежность оборудования и возможность обрабатывать большие поверхности за цикл. К недостаткам относится вероятность неоднородной обработки поверхности, необходимость контролировать качество дроби, небольшая толщина слоя сжимающих остаточных напряжений даже для мягких сплавов (для алюминиевых сплавов не превышает 0,25 мм), шероховатость поверхности (особенно в мягких сплавах), которая может привести к появлению микротрещин, недопустима для ряда задач и еѐ устранение стандартными методами приводит к удалению упрочненного слоя.