Для чего нужна закалка металла


виды, способы охлаждения, оборудование, дефекты

Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.

Закалка стали

Один из видов термообработки — закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:

  1. Нагрев металла до определенной температуры. Выдержка для выравнивания по всей глубине детали.
  2. Быстрое охлаждение.
  3. Отпуск для снятия напряжений и коррекции твердости до заданного значения.

В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.

По глубине обработки закалка делится на два вида:

  • объемная;
  • поверхностная.

В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.

Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.

Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.

Какие стали можно закаливать?

При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» — незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.

Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.

Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.

Температура и скорость нагрева

Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ — более 800⁰.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» — образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.

Свойства стали после закалки

После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:

  • увеличивается твердость и прочность;
  • уменьшается зерно;
  • снижается гибкость и пластичность;
  • повышается хрупкость;
  • увеличивается устойчивость к стиранию;
  • уменьшается сопротивление на излом.

На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.

Виды закалки стали

Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали — содержания углерода и легирующих веществ.

Закаливание в одной среде

При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.

Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит — покроется трещинами или полностью разрушится.

Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.

При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.

Ступенчатая закалка

Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.

Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.

Изотермическая закалка

Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали — топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:

  1. Нормализация для улучшения структуры.
  2. Нагрев до температуры закалки.
  3. Опускание в ванну с селитрой, прогретой до 300–350⁰, и выдержка в ней.

После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.

Изотермическая закалка

Светлая закалка

Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.

В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже — в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.

Закалка с самоотпуском

При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал — снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.

Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.

Способы охлаждения при закаливании

Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов — соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.

Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.

В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.

Как закалить сталь в домашних условиях

Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:

  • марки стали;
  • требуемой твердости;
  • режима работы детали;
  • габаритов.

Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.

Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.

Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.

Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.

При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.

Закалка в домашних условиях

Оборудование

Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.

Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.

Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.

Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.

Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:

  • одна часть под закаливаемым изделием;
  • две сверху.

Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:

  1. На оправку навить медную проволоку. Для домашнего напряжения подойдет сечение 0,8 мм. Оставить длинные концы.
  2. Расположить спираль внутри кирпичей и зафиксировать глиной, обмазав всю внутреннюю поверхность.
  3. Внутри сделать поддон — площадку для расположения заготовок. Для этого нужно смешать глину с асбестом.
  4. Теплоизолирующий материал можно расположить и снаружи, уменьшая теплоотдачу стенок.
  5. Подключить концы проволоки к проводам с вилкой.
  6. Сзади герметично заделать отверстие между кирпичами.
  7. Впереди соорудить крышку, которая будет открываться.

Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.

Дефекты при закаливании стали

При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:

  • исправимые;
  • неисправимые.

Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.

К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.

Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.

металлургия | Определение и история

Использование металлов в настоящее время является кульминацией долгого пути развития, продолжающегося примерно 6 500 лет. Принято считать, что первыми известными металлами были золото, серебро и медь, которые находились в самородном или металлическом состоянии, причем самыми ранними из них, по всей вероятности, были самородки золота, найденные в песках и гравии русел рек. Такие самородные металлы стали известны и ценились за их декоративные и утилитарные ценности во второй половине каменного века.

Ранняя разработка

Золото можно агломерировать в более крупные куски холодным молотком, а самородная медь - нет, и важным шагом к эпохе металлов стало открытие, что металлам, таким как медь, можно придавать форму путем плавления и литья в формах; Среди самых ранних известных изделий этого типа - медные топоры, отлитые на Балканах в IV тысячелетии до нашей эры. Следующим шагом стало открытие возможности извлечения металлов из металлосодержащих минералов. Они были собраны, и их можно было отличить по цвету, текстуре, весу, цвету пламени и запаху при нагревании.Заметно больший выход, полученный при нагревании самородной меди с соответствующими оксидными минералами, мог привести к процессу плавки, поскольку эти оксиды легко восстанавливаются до металла в угольном слое при температурах, превышающих 700 ° C (1300 ° F), в качестве восстановителя. , окись углерода, становится все более стабильной. Чтобы осуществить агломерацию и отделение расплавленной или плавленной меди от связанных с ней минералов, необходимо было ввести оксид железа в качестве флюса. Этот дальнейший шаг вперед можно объяснить присутствием госсановых минералов оксида железа в выветрившихся верхних зонах месторождений сульфида меди.

Во многих регионах медно-мышьяковые сплавы, превосходящие медь по свойствам как в литой, так и в деформируемой форме, были произведены в следующий период. Сначала это могло быть случайным из-за сходства цвета и цвета пламени между ярко-зеленым минералом карбоната меди малахитом и продуктами выветривания таких минералов сульфида меди и мышьяка, как энаргит, и, возможно, позже за этим последовал целенаправленный отбор соединений мышьяка из-за запаха чеснока при нагревании.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Содержание мышьяка варьировалось от 1 до 7 процентов, с оловом до 3 процентов. Медные сплавы, в основном не содержащие мышьяка, с более высоким содержанием олова - другими словами, настоящая бронза - появились между 3000 и 2500 годами до нашей эры, начиная с дельты Тигра и Евфрата. Открытие ценности олова могло произойти благодаря использованию станнита, смешанного сульфида меди, железа и олова, хотя этот минерал не так широко доступен, как основной минерал олова, касситерит, который, должно быть, был конечным источником металла.Касситерит поразительно плотный и встречается в виде гальки в аллювиальных отложениях вместе с арсенопиритом и золотом; в определенной степени это также встречается в упомянутых выше госсанах из оксида железа.

Несмотря на то, что бронзовая культура могла развиваться независимо в разных местах, наиболее вероятно, что культура бронзы распространилась через торговлю и миграцию народов с Ближнего Востока в Египет, Европу и, возможно, Китай. Во многих цивилизациях производство меди, мышьяковистой меди и оловянной бронзы продолжалось некоторое время вместе.Возможное исчезновение медно-мышьяковых сплавов трудно объяснить. Производство могло быть основано на минералах, которые не были широко доступны и стали дефицитными, но относительный дефицит оловянных минералов не помешал существенной торговле этим металлом на значительные расстояния. Возможно, в конечном итоге предпочтение было отдано оловянной бронзе из-за вероятности отравления мышьяком из-за паров, образующихся при окислении содержащих мышьяк минералов.

По мере того, как выветрившиеся медные руды в данных местах разрабатывались, более твердые сульфидные руды под ними добывались и плавились.Используемые минералы, такие как халькопирит, сульфид меди и железа, нуждались в окислительном обжиге для удаления серы в виде диоксида серы и получения оксида меди. Это потребовало не только более высоких металлургических навыков, но и окисления тесно связанного железа, что в сочетании с использованием флюсов из оксида железа и более жесткими восстановительными условиями, создаваемыми улучшенными плавильными печами, привело к более высокому содержанию железа в бронзе.

Невозможно провести резкую границу между бронзовым и железным веками.Небольшие куски железа могли быть произведены в медеплавильных печах, поскольку использовались флюсы оксида железа и железосодержащие сульфидные руды меди. Кроме того, более высокие температуры печи могли бы создать более сильные восстановительные условия (то есть более высокое содержание оксида углерода в топочных газах). Первый кусок железа, найденный на железнодорожных путях в провинции Дренте, Нидерланды, был датирован 1350 годом до нашей эры, датой, обычно считающейся средним бронзовым веком для этой местности. В Анатолии, с другой стороны, железо использовалось еще в 2000 году до нашей эры.Иногда встречаются упоминания о железе и в более ранние периоды, но этот материал был метеорного происхождения.

После того, как была установлена ​​связь между новым металлом, обнаруженным в медных расплавах, и рудой, добавленной в качестве флюса, естественно последовала работа печей для производства железа. Конечно, к 1400 г. до н. Э. В Анатолии железо приобрело большое значение, а к 1200–1000 гг. До н. Э. Оно в довольно больших масштабах превращалось в оружие, первоначально лезвия кинжалов.По этой причине 1200 г. до н.э. был принят за начало железного века. Свидетельства раскопок указывают на то, что искусство производства железа зародилось в горной стране к югу от Черного моря, в районе, где преобладали хетты. Позже это искусство, по-видимому, распространилось среди филистимлян, поскольку в Гераре были обнаружены неочищенные печи, датируемые 1200 годом до н. Э., Вместе с рядом железных предметов.

Плавка оксида железа с древесным углем требовала высокой температуры, и, поскольку температура плавления железа 1540 ° C (2800 ° F) была недостижима, продукт представлял собой просто губчатую массу пастообразных глобул металла, смешанных с полужидкостью. шлак.Этот продукт, позже известный как блюм, вряд ли можно было использовать в том виде, в каком он стоял, но повторный нагрев и обработка горячим молотком удалили большую часть шлака, создав кованое железо, гораздо более качественный продукт.

На свойства железа сильно влияет присутствие небольшого количества углерода, при этом значительное увеличение прочности связано с содержанием менее 0,5 процента. При достижимых в то время температурах - около 1200 ° C (2200 ° F) - восстановление древесным углем дает почти чистое железо, которое было мягким и имело ограниченное применение для оружия и инструментов, но когда соотношение топлива к руде было увеличено и вытяжка печи с изобретением более совершенного сильфона, железо поглотило больше углерода.Это привело к появлению блюмов и продуктов из железа с различным содержанием углерода, что затрудняет определение периода, в течение которого железо могло быть намеренно упрочнено за счет науглероживания или повторного нагрева металла в контакте с избытком древесного угля.

Углеродсодержащее железо имело еще одно большое преимущество, заключающееся в том, что, в отличие от бронзы и безуглеродистого железа, его можно было сделать еще более твердым путем закалки, то есть быстрого охлаждения путем погружения в воду. Нет никаких доказательств использования этого процесса закалки в раннем железном веке, так что он, должно быть, был либо неизвестен тогда, либо не считался выгодным, поскольку закалка делает железо очень хрупким и должно сопровождаться отпуском или повторным нагревом в более низкая температура, чтобы восстановить прочность.То, что, кажется, было установлено на раннем этапе, было практикой многократной холодной ковки и отжига при 600–700 ° C (1100–1300 ° F) - температуре, которая достигается естественным путем при простом огне. Эта практика распространена в некоторых частях Африки даже сегодня.

К 1000 г. до н. Э. Железо стало известно в Центральной Европе. Его использование медленно распространилось на запад. Производство железа было довольно широко распространено в Великобритании во время римского вторжения в 55 г. до н. Э. В Азии железо было известно еще в древности, в Китае около 700 г. до н. Э.

.

Что такое возрастная закалка? (с рисунком)

Старение - это вид термической обработки, используемый в металлургии для упрочнения металлических сплавов. Это также называется дисперсионным упрочнением, поскольку оно упрочняет металл за счет образования твердых примесей или выделений в сплаве, что предотвращает появление дислокаций в кристаллической структуре сплава. Его название происходит от точки в процессе закалки, в которой металл подвергается старению, либо путем нагревания в течение продолжительного времени, либо путем хранения при более низкой температуре в течение длительного периода перед использованием, чтобы эти осадки могли образоваться.Эта обработка используется для ковких сплавов, таких как сплавы из никеля, магния и титана, а также для некоторых типов стали.

Металлические сплавы можно упрочнить путем упрочнения при старении - процесса, который требует нагрева металла или выдерживания его при низкой температуре в течение длительных периодов времени.

Металл, подвергающийся старению, нагревается до высокой температуры, которая варьируется в зависимости от используемых материалов и желаемых свойств конечного результата. Например, мартенситностареющая сталь подвергается термообработке при температуре около 1510 ° F (около 820 ° C). Добавляют легирующие материалы и дают возможность диффундировать через металл до тех пор, пока нагретый металл не пересыщается ими, что означает, что количество этих материалов, растворенных в металле, выше, чем было бы возможно для твердого раствора при комнатной температуре.

Далее металл подвергается старению. В некоторых сплавах это достигается путем нагревания металла в течение нескольких часов при температуре ниже, чем температура начальной фазы, но все же намного более высокой, чем комнатная температура. Остальные сплавы хранят дни или недели при комнатной температуре.При более низких температурах все легирующие материалы больше не могут оставаться растворенными в перенасыщенном металле, и поэтому некоторые из них претерпевают осаждение и отделяются от твердого раствора, становясь примесями, распространяющимися по всему металлу. Температура, при которой происходит процесс старения, влияет на то, как происходит это выделение, и, таким образом, влияет на механические свойства получаемого сплава.

Эти примеси, образовавшиеся в процессе закалки, укрепляют металл, препятствуя движению кристаллографических дефектов, называемых дислокациями, которые возникают в результате несоосности атомов, образующих кристаллическую структуру металла.Дислокации делают металл более уязвимым для необратимого сгибания под воздействием внешних сил. Их сопротивление смещению дает упрочненным старением сплавам высокий предел текучести и способность противостоять остаточной деформации при сильной деформации.

Сплавы, полученные в процессе упрочнения старением, находят множество применений, особенно там, где необходимы высокая прочность и хорошие характеристики при высоких температурах.Мартенситностареющая сталь используется в деталях двигателей, а также в ракетах и ​​ракетах. Упрочненные старением алюминиевые сплавы, изготовленные из таких металлов, как никель, медь и цинк, часто используются в конструкции самолетов. Сплав Rene 41, изготовленный из никеля, легированного молибденом, титаном, хромом и кобальтом, используется в приложениях, требующих экстремальных нагрузок и температур, таких как реактивные двигатели.

.

Что такое закаленная сталь? (с изображением)

Закаленная сталь - это разновидность углеродистой стали, используемая для изготовления инструментов и деталей тяжелых машин. Этот материал состоит из стали, специально обработанной для повышения ее твердости и прочности. По сравнению со стандартной сталью, закаленная сталь обладает большей износостойкостью и долговечностью, что делает ее хорошо подходящей для тяжелых условий эксплуатации.

Диск из закаленной стали.

Для изготовления закаленной стали производители нагревают углеродистую сталь до высоких температур, а затем подвергают ее процессу, называемому закалкой. Во время закалки сталь быстро охлаждают в растворе рассола или воды. После закалки сталь становится очень твердой, но при этом чрезвычайно хрупкой. Чтобы уменьшить хрупкость при сохранении добавленной твердости стали, производители затем закаляют металл, повторно нагревая его и давая ему остыть естественным образом. Комбинируя закалку и отпуск, производители стали могут создавать изделия, которые тверже стандартной углеродистой стали, но при этом достаточно прочные, чтобы выдерживать растрескивание или повреждение, вызванное резкими ударами.

Термин «закаленная сталь» может также относиться к металлу, подвергнутому закалке. Этот тип металла проходит несколько иной процесс закалки и отпуска, что придает ему прочный и износостойкий внешний вид, устраняя при этом всю хрупкость внутри сердечника стали.Стальной корпус из стали используется для изготовления таких предметов, как пистолеты, где износостойкость должна сочетаться с максимальной прочностью материала.

Закаленная сталь используется для изготовления металлических предметов, которые могут подвергаться высоким уровням применения силы или злоупотреблений.Например, из этого материала изготавливают большинство автомобильных запчастей, особенно те, которые используются для грузовых автомобилей. Ручные инструменты и сверла часто состоят из этого типа стали, как и многие ножи. Этот тип стали не используется для изделий, изготовленных на токарном станке для металлообработки, поскольку для этих станков требуется более мягкая сталь, с которой легче работать.

Одним из основных преимуществ закаленной стали является повышенная стойкость к износу и истиранию.Этот материал может выдерживать частые злоупотребления и большие нагрузки без повреждений или поломок. Кроме того, он лучше противостоит ржавчине и коррозии, чем стандартные стальные изделия.

Несмотря на множество преимуществ, закаленная сталь может не подходить для всех типов применений.По сравнению со стандартной углеродистой сталью этот материал довольно хрупкий, даже после того, как он прошел отпуск. Это означает, что он не выдерживает повреждений от резких ударов. Закалка и отпуск также понижают температуру плавления стали, что может создать проблемы с точки зрения пожарной безопасности. Это также может помешать использованию закаленной стали в некоторых проектах, где она будет подвергаться воздействию высоких температур, например, вблизи двигателей или других больших машин.

.

Изменение свойств - механизмы упрочнения / упрочнения

Механизмы упрочнения / упрочнения

Как обсуждалось в предыдущем разделе, способность кристаллического материала пластически деформироваться во многом зависит от способности дислокации перемещаться внутри материала. Следовательно, препятствие движению дислокаций приведет к упрочнению материала. Существует несколько способов препятствовать перемещению вывиха, в том числе:

  • контроль размера зерна (снижение сплошности атомных плоскостей)
  • деформационное упрочнение (образование и запутывание дислокаций)
  • легирование (введение точечных дефектов и большего количества зерен в точечную дислокацию)

Контроль размера зерен
Размер зерен в материале также влияет на прочность материала.Граница между зернами действует как барьер для движения дислокаций и возникающего в результате скольжения, поскольку соседние зерна имеют разную ориентацию. Поскольку выстраивание атомов различное и плоскости скольжения между зернами прерывистые. Чем меньше зерна, тем меньше расстояние, на которое атомы могут перемещаться по определенной плоскости скольжения. Следовательно, более мелкие зерна улучшают прочность материала. Размер и количество зерен в материале контролируется скоростью затвердевания из жидкой фазы.

Деформационное упрочнение
Деформационное упрочнение (также называемое наклепом или холодной деформацией) - это процесс повышения твердости и прочности металла за счет пластической деформации. Когда металл пластически деформируется, дислокации перемещаются и возникают дополнительные дислокации. Чем больше дислокаций в материале, тем больше они будут взаимодействовать и запутываться. Это приведет к снижению подвижности дислокаций и упрочнению материала. Этот вид упрочнения обычно называют холодной деформацией.Это называется холодной обработкой, потому что пластическая деформация должна происходить при достаточно низкой температуре, чтобы атомы не могли перегруппироваться. Когда металл обрабатывается при более высоких температурах (горячая обработка), дислокации могут перестраиваться, и упрочнение незначительное.

Деформационное упрочнение легко продемонстрировать с помощью куска проволоки или скрепки. Прямой участок согните несколько раз вперед-назад. Обратите внимание, что металл сложнее согнуть в одном и том же месте. В зоне деформационного упрочнения образовались дислокации, которые запутались, увеличивая прочность материала.Продолжение изгиба в конечном итоге приведет к разрыву проволоки в месте изгиба из-за усталостного растрескивания. (После большого количества циклов изгиба дислокации образуют структуры, называемые стойкими полосами скольжения (PSB). PSB - это в основном крошечные области, где дислокации накапливаются и перемещают поверхность материала, оставляя ступеньки на поверхности, которые действуют как концентраторы напряжения или инициируют трещины. баллов.)

Однако следует понимать, что увеличение прочности путем холодной обработки также приводит к снижению пластичности.График справа показывает предел текучести и относительное удлинение в зависимости от процента холодной обработки для нескольких примеров материалов. Обратите внимание, что для каждого материала небольшая холодная обработка приводит к значительному снижению пластичности.

Влияние повышенной температуры на деформационно упрочненные материалы
Когда деформационно упрочненные материалы подвергаются воздействию повышенных температур, упрочнение, возникшее в результате пластической деформации, может быть потеряно.Это может быть плохо, если требуется усиление, чтобы выдержать нагрузку. Однако упрочнение из-за деформационного упрочнения не всегда желательно, особенно если материал сильно деформируется, так как пластичность будет снижена.

Термическая обработка может использоваться для устранения эффектов деформационного упрочнения. Во время термообработки могут произойти три вещи:

  1. Восстановление
  2. Рекристаллизация
  3. Рост зерна

Восстановление
Когда материал, отвержденный пятнами, выдерживается при повышенной температуре, происходит усиление диффузии атомов, что снижает часть энергии внутренней деформации.Помните, что атомы не фиксированы в своем положении, но могут перемещаться, когда у них достаточно энергии, чтобы разорвать свои связи. Диффузия быстро увеличивается с повышением температуры, и это позволяет атомам в сильно напряженных областях перемещаться в ненапряженные положения. Другими словами, атомы свободнее перемещаться и возвращаться в нормальное положение в структуре решетки. Это известно как фаза восстановления, и она приводит к корректировке деформации в микроскопическом масштабе. Внутренние остаточные напряжения снижаются за счет уменьшения плотности дислокаций и перемещения дислокации в позиции с более низкой энергией.Спутки дислокаций конденсируются в резкие двумерные границы, и плотность дислокаций внутри этих областей уменьшается. Эти области называются субзернами. Заметного снижения прочности и твердости материала не происходит, но часто повышается коррозионная стойкость.

Рекристаллизация
При более высокой температуре новые, свободные от деформации зерна зарождаются и растут внутри старых искаженных зерен и на границах зерен. Эти новые зерна растут, чтобы заменить деформированные зерна, образовавшиеся в результате деформационного упрочнения.При рекристаллизации механические свойства возвращаются к исходному, более слабому и более пластичному состоянию. Рекристаллизация зависит от температуры, количества времени при этой температуре, а также от степени деформационного упрочнения материала. Чем больше деформационное упрочнение, тем ниже будет температура, при которой происходит рекристаллизация. Кроме того, для любой рекристаллизации необходимо минимальное количество (обычно 2-20%) холодной обработки. Размер новых зерен также частично зависит от степени деформационного упрочнения.Чем больше затвердевание пятен, тем больше зародышей у новых зерен, и в результате размер зерна будет меньше (по крайней мере, на начальном этапе).

Рост зерен
Если образец оставить при высокой температуре сверх времени, необходимого для полной рекристаллизации, зерна начинают увеличиваться в размерах. Это происходит потому, что диффузия происходит через границы зерен, и более крупные зерна имеют меньшую площадь поверхности границы зерен на единицу объема. Следовательно, более крупные зерна теряют меньше атомов и растут за счет более мелких.Крупные зерна уменьшают прочность и ударную вязкость материала.

.

Смотрите также