Направления повышения эксплуатационных свойств конструкционных материалов

Критерием пригодности материала, как конструкционного, является наличие совокупности свойств, которые обеспечат его работоспособность в заданных условиях. Условия работы материала задаются исходя из технических требований к деталям и в целом к изделию. При этом учитываются следующие факторы: величина и характер рабочих нагрузок, срок эксплуатации, масса и габариты деталей, температурный режим работы, химический состав и свойства рабочей среды (наличие коррозионной среды, твердых частиц и т.п.), действие различных полей, излучений и другие.

Повышение характеристик эксплуатационных свойств материалов возможно в трех направлениях: металлургическом, технологическом и конструкторском.

Металлургическое направление подразумевает:

- повышение металлургического качества металлических материалов за счет уменьшения концентрации вредных примесей, точности концентрации составляющих компонентов, формирования оптимального структурно-фазового состояния, соответствующего нормативам, в частности, заданному размеру зерен,

- рациональное легирование металлических материалов (введение элементов, улучшающих свойства),

- создание материалов с оптимальным сочетанием свойств на основе композитов и керамики.

Технологическое направление включает:

- рациональный выбор материала,

- эффективное использование всех видов термической обработки,

- упрочнение поверхностным и объемным пластическим деформированием.

Конструкторское направление, не являясь радикальным, дает возможность:

- рационально конструировать детали с минимально возможной концентрацией напряжений,

- предусмотреть близкую по величине скорость охлаждения всех сечений при литье и термической обработке,

- уменьшить величину упругих деформаций, например, за счет возможной замены изгиба растяжением-сжатием, увеличения момента инерции сечения деталей и других способов повышения жесткости без увеличения массы деталей.

Основы термической обработки

Под термической обработкой понимают технологический процесс, основанный на изменении температуры материала, цель которого состоит в оптимизации свойств материала за счет модификации его структурно-фазового состояния и изменения химического состава.

Различают собственно термическую (ТО), термомеханическую (ТМО) и химико-термическую (ХТО) обработки.

Собственно термическая обработка

ТО - термическая обработка, основанная только на изменении температуры.

Программа ТО включает нагрев, временную выдержку и охлаждение.

Виды ТО - отжиг, закалка, отпуск, старение.

Отжиг - ТО, определяющими параметрами которой являются температура нагрева, время выдержки и малая скорость охлаждения (~100 К/час), обеспечивающие необходимую полноту протекания предусмотренных отжигом процессов.

Отличительной особенностью отжига является то, что все развивающиеся процессы носят диффузионный, неупорядоченный характер и образующиеся структуры близки к энергетически равновесным.

Подвиды отжига:

• первого рода (без использования фазовых превращений) - для всех видов металлических материалов;

• второго рода (с использованием фазовых превращений, связанных с перестройкой решетки, изменением растворимости твердых растворов) - только для материалов испытывающих фазовые превращения (в частности, для сплавов на основе железа, меди, алюминия, титана, никеля).

Основные разновидности отжига первого рода - диффузионный (гомогенизационный), рекристаллизационный, релаксационный (для уменьшения остаточных напряжений).

Диффузионный отжиг - нагрев до Т~0,8-0,9 T_пл, длительная выдержка (более 20 часов), в течение которой происходит выравнивание химического состава в твердых растворах по объему.

Отжиг производится для устранения неоднородности химического состава в твердых растворах, возникающей при ускоренном охлаждении из жидкого состояния, например, при литье.

Рекристаллизационный отжиг- нагрев холоднодеформированного материала до температур, при которых исчезают нежелательные изменения структуры и свойств, вызванные пластической деформацией, и происходит переход материала в более равновесное состояние.

Необходимость рекристаллизационного отжига вызвана тем, что в процессе холодной пластической деформации изменяются в негативном направлении многие физико-химические свойства, например, такие как пластичность, электропроводность, магнитная проницаемость, коррозионная стойкость.

При полном рекристаллизационном отжиге - нагреве до Т>0,4 T_пл появляются центры новых зерен, которые в дальнейшем растут, заполняя объем, пока не исчезнет предшествующая деформированная зеренная структура. Процесс появления и роста новых зерен называют рекристаллизацией. Свойства материала восстанавливаются до первоначального уровня. Новая зеренная структура с низкой концентрацией дефектов обладает, как правило, изотропностью свойств, высокой пластичностью и малой твердостью, поэтому данная ТО чаще всего используется как предварительная перед холодной обработкой давлением.

Релаксационный отжиг - нагрев до T<0,4 T_пл, при которых происходит уменьшение (релаксация) остаточных напряжений до безопасного уровня с последующим охлаждением со скоростью, не допускающей образования новых остаточных напряжений.

Остаточными называются напряжения, существующие в твердом теле в отсутствие внешних воздействий. Их появление возможно за счет неравномерной пластической деформации, неравномерного охлаждения, фазовых превращений и т. п. Это недопустимо для точных деталей и упругих элементов, так как в них за счет сложения приложенных и остаточных напряжений развивается пластическая деформация, изменяющая форму и размеры изделий. Релаксационный отжиг (часто называемый стабилизирующим отжигом, старением, отпуском) включается в технологический процесс изготовления деталей после литья, обработки резанием, шлифования и механической обработки.

Основные разновидности отжига второго рода - нормализационный, полный, неполный, изотермический.

Основной целью отжига второго рода является создание структуры, улучшающей обработку резанием и давлением или подготавливающую материал к упрочняющей термической обработке.

Рассмотрим отжиг второго рода на примере отжига стали.

Нормализационный отжиг (нормализация) включает нагрев сталей любого состава до состояния аустенита (на 30-50C выше линии GSE) с последующим охлаждением на воздухе (рис. 30). Такое достаточно быстрое охлаждение приводит к частичному или полному подавлению выделения доэвтектоидного Ф и сетки вторичного Ц. В результате получается структура феррито-цементитной смеси с дисперсным и однородным строением. Это обеспечивает нормализованной стали повышенную твердость, прочность и пластичность без дополнительной обработки. Следует помнить, что легированные стали при охлаждении на воздухе могут получить структуру закаленной стали (мартенсита). Поэтому нормализацией считается процесс, при котором превращения происходят в области перлитного превращения (см. Закалка стали).

Полный отжиг (рис. 30, б) используется, в основном, для получения мелкого зерна у доэвтектоидных сталей, содержащих до 0,7%C. Он включает нагрев до состояния аустенита (А) (на 30-50С выше линии GS) с последующим медленным охлаждением, позволяющим в значительной мере происходить диффузионным процессам.

Рис. 30. Схема, иллюстрирующая полный (б) и неполный (а) отжиг стали

При нагреве происходит полная перестройка кристаллической решетки ОЦК-ГЦК. Она развивается в перлите из большого количестве центров на границах Ф и Ц, что приводит к образованию мелкозернистого А. При последующем охлаждении в каждом зерне А возникает несколько участков П, что также способствует измельчению структуры. В результате формируется мелкозернистая феррито-перлитная структура, обладающая высокой пластичностью и изотропностью свойств.

Неполный отжиг (рис.30, а), как правило, производится для сталей, содержащих свыше 0,7%C, для придания округлой формы частицам вторичного и перлитного Ц, поэтому такой отжиг называют сфероидизирующим. Он состоит из нагрева (предварительно нормализованной) стали до линии PSK с последующим очень медленным охлаждением. На этапе нагрева не происходит полное растворение Ц, поэтому нераспавшиеся мелкие частицы Ц становятся центрами для образования округлых частиц Ц.

Изотермический отжиг включает нагрев до состояния А (на 30-50С выше линии GS) с последующим сравнительно быстрым охлаждением до температур несколько ниже линии PSK (660-680C), изотермическую выдержку, необходимую для полного распада А и дальнейшее охлаждение на воздухе. Данная операция позволяет значительно уменьшить время обработки и применяется, в первую очередь, для легированных сталей (рис.31 (V5)).