Влияние механических воздействий на свойства металлов и сплавов
Для улучшения механических и магнитных свойств металлических заготовок применяют специальные виды механической обработки: холодную прокатку и волочение. Прокатка металлов является таким видом пластической обработки, когда исходная заготовка обжимается вращающимися валками прокатного стана для придания её поперечному сечению заданной формы и размеров.
Волочение осуществляется путем обработки металлов давлением, при которой изделия (заготовки) круглого или фасонного профиля (поперечного сечения) протягиваются через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки. В результате поперечные размеры изделия уменьшаются, а длина увеличивается. Волочение широко применяется в производстве пруткового металла, проволоки, труб и другого и производится на волочильных станах, основными частями которых являются волоки и устройство, тянущее через них металл.
Холодная прокатка электротехнического металла позволяет получать текстурованный лист (текстура — это преимущественная ориентация кристаллов в листе, при которой ось их легкого намагничивания совпадает с направлением прокатки). У такого листа энергетические потери на перемагничивание и коэрцитивная сила меньше, чем у нетекстурированного.
При горячей прокатке металл заготовки уплотняется благодаря удалению пустот и газовых пузырей, однако физические дефекты решетки (точечные дефекты, вакансии, дислокации и другие), которые неизбежно возникают при прокатке, повышают её удельное электросопротивление.
Волочением обрабатывают стали разнообразного химического состава, а также практически все цветные металлы (золото, серебро, медь, алюминий, и др.) и их сплавы. Изделия, полученные волочением, обладают высоким качеством поверхности и высокой точностью размеров поперечного сечения. Однако, как и при прокатке, удельное электросопротивление изделий из-за образования физических дефектов решетки повышается.
Влияние термических воздействий на свойства металлов и
Сплавов
Термическое воздействие заключается в нагреве изделия до заданной температуры, выдержке его при этой температуре в течении некоторого времени и охлаждении с различными скоростями [1]. Процесс термической обработки существенно влияет на механические, электрические и магнитные свойства металлов и сплавов, так как при нагреве и охлаждении происходят изменения в их кристаллическом строении [2]. Применяется термическая обработка для повышения износостойкости, усталостной прочности, улучшения других механических и физических свойств деталей и конструкций.
Способность некоторых металлов при термической обработке образовывать несколько типов кристаллических решеток называется полиморфизмом. Различные типы кристаллического строения называют аллотропической формой или аллотропической модификацией.
Процесс перехода из одного типа кристаллического строения в другое называется аллотропическим превращением.
Рассмотрим особенности аллотропических превращений железа.
Аллотропические модификации железа принято обозначать буквами греческого алфавита: d — дельта; g — гамма; b — бета; a — альфа.
При нагревании железа до температуры 1539 °С и выше оно из твердого состояния переходит в жидкое. При охлаждении ниже этой температуры начинается процесс кристаллизации, причем в начале образуется d-железо, имеющее решетку объемноцентрированного куба. При дальнейшем охлаждении железа до 1400 °С d-железо принимает аллотропическую форму g-железа: решетка объемно-центрированного куба перестраивается в решетку гранецентрированного куба.
В интервале температур от 1400 до 910 железо находится в аллотропической форме g-железа с решеткой гранецентрированного куба.
Охлаждение от 910 °С до 768 °С вызывает переход g-железа в b-железо и восстановление магнитных свойств железа.
При охлаждении железа до температуры 768 °С магнитные свойства железа полностью восстанавливаются, так как доменная структура железа при достижении температуры 768 °С оказывается полностью сформированной.
Охлаждение железа ниже температуры 768 °С вызывает переход b-железа в a- железо: решетка гранецентрированного куба перестраивается в решетку объемноцентрированного куба (рис.1.1).
Кроме железа, аллотропические превращения могут испытывать кобальт, олово, марганец и другие металлы. Температуры, при которых происходят структурные превращения, называются критическими точками [3].
Твердый раствор углерода в a-железе принято называть ферритом (от латинского слова «феррум» — железо). В твердом растворе a-железа в узлах кристаллической решетки железа находятся атомы углерода. При температуре 768 °С в a-железе может содержаться до 0,02% углерода, а при 20 °С — лишь 0,006% углерода.
Феррит обладает высокой пластичностью, но относительно низкими твердостью и прочностью. Его магнитные свойства сохраняются при нагревании до точки Кюри (768 °С). Под микроскопом структура феррита отличается наличием светлых зерен. Кристаллическая решетка феррита — кубическая, объемно-центрированная.
Химическое соединение железа с углеродом называют цементитом (карбидом железа). Цементит содержит 6,67% углерода и при нагревании до 210 °С сохраняет магнитные свойства. Цементит обладает высокой твердостью (НВ 760...800) и повышенной хрупкостью. Под микроскопом в структуре стали и чугуна цементит наблюдается в виде игл и отдельных включений.
Твердый раствор углерода и других элементов в g-железе принято называть аустенитом (по имени английского металлурга У. Роберта Аустена). Аустенит немагнитен, отличается высокой пластичностью, значительными прочностью и вязкостью. Твердость аустенита лежит в пределах НВ 170...220. Микроструктура аустенита представляет собой зерна в виде многогранников. Кристаллическая решетка — кубическая гранецентрированная.
Механическая смесь кристаллов феррита и цементита называется перлитом. Эта структура образуется в результате распада аустенита при медленном охлаждении. Чистый перлит содержит 0,8% углерода. В зависимости от формы образования цементита перлит бывает пластинчатый (цементит в виде пластинок) и зернистый. Механические свойства перлита зависят от степени измельчения частичек цементита. Перлит с наиболее мелкими частицами цементита обладает высшими механическими свойствами. Твердость пластинчатого перлита лежит в пределах НВ 160...250, зернистого в пределах НВ 160...220.
Смесь, состоящую из кристалликов цементита и аустенита, называют ледебуритом. Она образуется при кристаллизации жидкого сплава, содержащего 4,3% углерода.
Рассмотрим основные виды термической обработки.
Полным отжигомпринято называть нагрев изделия до температуры выше верхней критической точки на (20...30) °С и выдержку при этой температуре определенное время с последующим медленным охлаждением. Применяется полный отжигдля уменьшения зернистости структуры и достижения требуемых механических свойств стали.
Неполным отжигомназывается нагрев изделия до температуры, лежащей между верхней и нижней критическими точками, и выдержка при этой температуре с последующим медленным охлаждением. Применяется неполный отжигглавным образом для заэвтектоидных сталей (сталей, содержащих более 0,8% углерода) с той же целью, что и полный отжиг.
Нормализациейназывается нагрев изделия до температуры выше верхней критической точки на (30...50) °С, выдержка его при этой температуре с последующим охлаждением на воздухе. Применяется нормализация для уменьшения зернистости структуры и достижения требуемых механических свойств низко- и среднеуглеродистых сталей, а также как подготовительная операция перед закалкой.
Полной закалкойназывается нагрев изделия до температуры выше верхней критической точки на (30...50) °С, выдержка при этой температуре и последующее его резкое охлаждение в воде, масле или в какой-либо другой закалочной среде (в зависимости от химического состава, объема и конфигурации закаливаемых изделий). Полная закалка стали применяется, главным образом, для получения высокой твердости.
Неполной закалкойназывается нагрев изделия до температуры, лежащей между верхней и нижней критическими точками, выдержка его при этой температуре с последующим резким охлаждением. Применяетсянеполная закалка, в основном, для заэвтектоидных сталей.
Поверхностной закалкой называется нагрев поверхностного слоя изделия до температуры закалки (посредством электрического тока, высокотемпературного пламени или другим способом) с последующим быстрым охлаждением. Применяется поверхностная закалка для получения высокой твердости в относительно тонком слое без изменения структуры и твердости более глубоко расположенных слоёв.
Отпуском называется нагрев закаленной стали до температуры ниже нижней критической точки и выдержка её при этой температуре с последующим быстрым или медленным охлаждением. Применяется с целью снятия остаточных напряжений, частичного снижения твердости, повышения вязкости и улучшения обрабатываемости резанием.
Отпуском низкимназывается нагрев закаленной стали до температуры (150…250) °С, выдержка её при этой температуре с последующим быстрым или медленным охлаждением. Применяется для снятия остаточных напряжений, частичного снижения твердости, хрупкости, повышения вязкости и улучшения обрабатываемости резанием.
Отпуском среднимназывается нагрев закаленной стали до температуры (350…475) °С, выдержка её при этой температуре с последующим быстрым или медленным охлаждением. Применяется для уменьшения внутренних напряжений, повышения пластических и упругих свойств пружин и рессор.
Отпуском высокимназывается нагрев закаленной стали до температуры (500…680) °С, выдержка её при этой температуре с последующим быстрым или медленным охлаждением. Применяется для уменьшения твердости, увеличения пластичности. При высоком отпуске почти полностью снимаются внутренние напряжения.
Термическим улучшением называется комплексная термическая обработка стали, состоящая из закалки и высокого отпуска.
Старением называется нагрев деталей до температуры (550…570) °С, выдержка при этой температуре в течение (3…5) ч. и охлаждение вместе с печью со скоростью (20…40) °С в час до температуры (150…200) °С, а затем охлаждение на воздухе. Применяется для деталей и инструментов с целью повышения прочности и стабильности их размеров.