Способы упрочнения материалов и деталей

Действенным средством снижения массы является повышение прочности материалов. В отличие от способа увеличения напряжений путем снижения фактического запаса прочно­сти, сопряженного с риском ослабления де­тали, надежность в данном случае не умень­шается (если сохраняется запас прочности). Другое отличие заключается в том, что этот способ применим ко всем деталям без исклю­чения, тогда как первый способ охватывает только расчетные детали.

Основные способы упрочнения материалов следующие: горячая обработка давлением, легирование, упрочняющая термическая и хи­мико-термическая обработка, обработка мето­дами холодной пластической деформации.

При горячей обработке давлением упрочне­ние происходит в результате превращения рыхлой структуры слитка в уплотненную структуру с ориентированным направлением кристаллитов. Пустоты между кристаллитами уковываются и завариваются, прослойки при­месей по стыкам кристаллитов дробятся и под действием высокой температуры и давления растворяются в металле. Главное назначение легирования - повыше­ние прочности с дифференцированным улуч­шением частных характеристик: вязкости, пла­стичности, упругости, жаропрочности, хладо-стойкости, сопротивления износу, коррозион­ной стойкости и др. Присадка некоторых элементов (Ni и особенно микроприсадка В) увеличивает прокаливаемость сталей, что по­зволяет получать повышенные механические свойства по всему сечению детали. Для полу­чения высоких механических качеств легиро­вание должно быть дополнено термообработ­кой.

Упрочняющая термическая обработка (закал­ка с высоким, средним и низким отпуском, изотермическая закалка) вызывает образова­ние неравновесных структур с повышенной плотностью дислокаций и сильно деформи­рованной атомно-кристаллической решеткой (сорбит, троостит, мартенсит, бейнит). Регули­руя режимы термообработки, можно получать стали с различным содержанием этих струк­тур, размерами и формой зерен и соответ­ственно с различными механическими свой­ствами. Для конструкционных сталей чаще всего применяют улучшение (закалка с вы­соким отпуском на сорбит), обеспечивающее наиболее благоприятное сочетание прочности, вязкости и пластичности.

Закалка с индукционным нагревом по­верхностного слоя ТВЧ помимо технологиче­ских преимуществ (экономичность, высокая производительность) дает значительный уп­рочняющий эффект, обязанный возникнове­нию в закаленном поверхностном слое оста­точных напряжений сжатия.

Одним из технологических процессов упрочняющей обработки является термомеханическая обработка (ТМО).

Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам изменения строения и свойств материалов.

При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенитном состоянии).

Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.

В зависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО).

Сущность высокотемпературной термомеханической обработки заключается в нагреве стали до температуры аустенитного состояния (выше А₃). При этой температуре осуществляют деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке (рис. 16.1 а).

Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко повышает ударную вязкость при комнатной температуре. Понижается температурный порог хладоломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка повышает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке.

Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей.

Последующий отпуск при температуре 100…200^oС проводится для сохранения высоких значений прочности.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг).

Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600^oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рис. 16.1 б).

Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование.

Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей.

Последующий отпуск при температуре 100…200^oС проводится для сохранения высоких значений прочности.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг).

Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600^oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рис. 16.1 б).

Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование.