ОГЛАВЛЕНМЁ СУЩНОСТЬ МЕТОДА УПРОЧНЯЮЩЕЙ ТЕРМОЦИКЛИ- I ЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТЦО)

из "Термоциклическая обработка металлов и деталей машин "

Метод ТЦО как способ термообработки (ТО) основа на постоянном накоплении от цикла к циклу положительных изменений в структуре Металлов. При этом важной особенностью цикла является его интенсивность, отсутствие или наличие небольших выдержек при крайних температурах, а также оптимальный диапазон изменения температуры. [c.5]
Современное оборудование позволяет вести процесс со скоростью нагрева от десятых далей гр дуса в секунду (печной нагрев) до сотен (нагрев с помощью ТВЧ). Температурный диапазон зависит от назначения термического воздействия, физико-механических и теплофизических свойств материала, а также от его структурного состояния. С другой стороны, варьируя число циклов, которое является величиной в значительной степени ограниченной, так как речь идет о технологическом термоциклировании, возможно дости) кение принципиально различных структур, а следовательно и свойств. Немаловажное значение имеет и такая обработка, следующая за ТЦО, как отжиг, искусственное старение и др. Поэтому очень важно при выборе окончательной операции не только сохрайить те положительные изменения, которые произошли в результате ТЦО, но также и усилить их. [c.5]
Разработка режимов ТЦО в каждом конкретном случае носит индивидуальный характер и не может быть механически перенесена от одного материала к другому. Однако представляется возможной формулировка общих принципов ТЦО для многих материалов. Поэтому в дальнейшем структурные изменения металлов при ТЦО рассмотрены в основном на примерах сталей, чугунов и алюминиевых сплавов. Следует отметить также, что принципиальных противопоказаний применения ТЦО к любым термоупрочняемым, а иногда и к нетермоупрочняемым материалам нет. Смысл заключается в том, чтобы из всего многообразия происходящих процессов, кристаллизации, растворения и выделение фаз, напряжений и деформаций дать развитие в нужной степени только тем, действие которых ведет к достижению оптимальных структуры и свойств. [c.5]
Переменная растворимость компонентов обеспечивает необходимые условия для перераспределения элементов и видоизменения фаз за счет многократного действия механизма растворение — выделение, свойствен- ного только процессу ТЦО. При полной растворимости может наступить момент, когда двухфазное состояние исчезнет, после чего возможности, ТЦО будут практически исчерпаны. Небольшие напряжения могут, возникать за счет наличия текстуры, разориентировки зерен, блоков и т. п. [c.6]
Наконец, полиморфные превращения, периодически повторяясь от цикла к циклу, служат мощным источником напряжений и, как следствие, деформаций. В связи с этим возможны способы ТЦО, принципиально различающиеся между собой, а именно термоциклирование с полной или частичной фазовой перекристаллизацией (рис. 1.1, а), термот. циклирование в области переменной растворимости элементов друг друге (рис. 1.1,6), а также обработка в интервале температур диспер- сионного твердения (рис. 1.1, в). [c.6]
Перестройка решетки происходит путем перемещения частичных дислокаций. В связи с изменением формы превращающейся области происходит релаксация упругих напряжений, следствием чего является образование дефектов кристаллического строения в мартенситной и исходной фазах. Когерентные (вйдманштеттовые) превращения осуществляются по сдвигово-диффузионному механизму с образованием фазы, отличающейся по составу, и изменением формы превращенного объеш. Нормальные (некогерентные) превращения протекают при значительно меньших переохлаждениях путем индивидуальных переходов атомов с образованием фазы, отличной по составу от исходной. [c.7]
На окончательную структуру влияют фазовые переходы, не связанные с существенными изменениями фазового сост,ава. Речь идет о сферо-идизации фаз и коалесценции. При этом движущими силами могут быть разница в удельной энергии межфазных границ, а кроме того, разница в свободной энергии более мелких и более крупных частиц (энергия Гиббса). На рис. 1.2 показано, что кривая изменения свободной энергии мелких частиц р-фазы С р расположена выше кривой изменения свободной энергии крупных частиц этой же фазы Ср, а концентрация а-твердого раствора, находящегося в равновесии с мелкими выделениями р-фазы, С больше, чем при равновесии с крупными выделения1ии,— С. Поэтому в твердом растворе существует градиент концентрации химического элемента между выделениями разного размера и может появиться направленный диффузионный поток атомов, что и вызывает коалесценцию. [c.7]
Таким образом, все фазовые переходы сопряжены со стремлением системы к энергетически более выгодному состоянию. При этом процесс диффузии атомов в зависимости от природы материала и его физикохимических свойств может идти по одному из рассмотренных выше механизмов. [c.7]
Рассмотрим более подробно процессы, происходящие при ТЦО. Фазовые и структурные превращения сопровождаются образованием, перемещением и аннигиляцией точечных и линейных дефектов, а также перераспределением легирующих элементов [85 . Интенсивность процессов зависит от многих технологических факторов, в том числе от температурного интервала, скоростей нагрева и охлаждения, числа превращений и др. В результате многократной аустенитизации, изгза разницы удельных объемов превращенных фаз в металле протекают процессы, свойственные нагреву слабодеформированных металлов, а именно диффузия точечных дефектов и их сток в дислокации и границы с попутной частичной их аннигиляцией перераспределение дислокаций формирование малоугловых границ миграция малоугловых границ с поглощением дефектов миграция межзеренных границ между рекристаллизованными зернами и укрупнение последних при одновременном снижении зернограничной и поверхностной энергий. [c.8]
При ТЦО не все процессы, свойственные нагреву слабо деформированных м еталлов, протекают одновременно, а именно в силу непрерывности изменения температуры могут идти одни, тормозиться другие и развиваться третьи. Если структурные составляющие материала деформированы не сильно, как это имеет место при ТЦО, то в полуцикле нагрева возможно протекание первичной рекристаллизации, а при меньших температурах — и полигонизации. Центры рекристаллизации образуются в первую очередь в тех участках решетки, которые наиболее искажены, в том числе у границ зерен и их стыков. Это ведет к формированию мелкозернистой структуры. Процесс рекристаллизации при ТЦО можно представить как многократные чередования малых деформаций и рекристал-лизационных отжигов. Однако механизм термонаклепа выражен не у всех полиморфных материалов одинаково. Так, фазовый наклеп при а р-превращениях в титановых сплавах настолько слаб ввиду малой разницы удельных объемов а- и р-фаз, что невозможно ожидать сколько-нибудь значительного искажения кристаллической решетки при многократных перекристаллизациях. [c.8]
Авторами ряда работ (8, 55, 120, 126] изучен характер изменения структуры и свойств, формы и размеров образцов из материалов на алюминиевой основе после ТЦО. Как отмечается, происходящие формоизменения являются в основном следствием возникающих внутренних напряжений. При этом наряду с внешним проявлением действия циклов (изменением формы и размеров) происходят и внутренние, такие, как дробление зерен и их разворот, образование блочной субструктуры и т. п. Сильное измельчение зерна (более чем в 10 раз) происходит, например, при термоцикЛировании сплава А1- -40%Еп по режиму 200 г 357°С [246]. Одновременно с этим растет и плотность дислокаций в алюминиевой матрице. [c.8]
В силумине, содержащем около 12 % Si, дробление зерен в алюминии сопровождается образованием субструктуры и разориентировкой суб-зер н при обработке по режиму 8 340 °С. Зерна кремниевой фазы остаются без изменений, меняется лишь их взаимное расположение из-за деформации алюминиевой матрицы [239]. [c.8]
Исследования, пройденные на германиевых кристаллах [214], выявили закономерность изменения дислокационной структуры. В процессе термоциклирования дислокации приходят в движение. Дислокации, имеющие два выхода на одну и ту же поверхность (Ь-, П-образные и др.), за 4—10 циклов режимов 400 850 °С полностью выходят на поверхность. Такое поведение дислокаций приводит к некоторому уменьшению их плотности в кристалле на начальных стадиях обработки. Параллельно этому процессу идет образование и размножение новых дислокаций, основными источниками которых служат несовершенства поверхности кристалла. Эти. дислокации, продвигаясь вглубь, увеличивают суммарную плотность. Однако обнаружено, что распределение дислокаций носит неравномерный характер возникающие в процессе ТЦО дислокации, сосредоточены главным образом в узких полосах деформаций, Аналогичное поведение дислокаций происходит при термоцикл ировании крупнокристаллического никеля [66]. [c.9]
Число дислокаций зависит от продолжительности термоциклирования. Об этом свидетельствуют данные, полученные на монокристаллах молибдена [54, 180, 238], где в результате исследований обнаружено, что плотность дислокаций с увеличением времени термоциклирования (числа циклов) меняется по тому же закону, что и в германиевых кристаллах (табл 1.1). Разница между ними состоит только в числе циклов, определяющих минимум средней плотности дислокаций. У кристаллов германия минимум достигается при 4—10 циклах, а у кристаллов молибдена—при 150—525. [c.9]
На основании приведенных данных можно графически показать изменение числа дислокаций в кристалле при термоциклироваиии (рис. 1.3). Однако необходимо отметить, что при термо-циклировании железа, циркония, вольфрама, а также при низкотемпературном термоциклировании молибдена увеличение плотности дислокаций начинается сразу же после начала обработки [54, 63, 83, 238, 257]. Очевидно, эффективность ТЦО будет определяться степенью генерирования дефектов и, в первую очередь, дислокаций. [c.10]
Известно [140], что при заданной температуре старения скорость зарождения выделений определяется работой образования критического зародыша Afкp. Первыми появляются зародыши с минимальной А кр, а затем — зародыши с большей ее величиной. При температу ре Т (рис. 1.4) последовательность образования выделений такова сначала образуются зоны Гинье — Престона (ЗГП), затем по истечении времени Тр. — промежуточная р -фаза, а после выдержки тр — стабильная р-фаза. [c.10]
Для большинства сплавов максимальное упрочнение создается, когда в структуре отсутствуют некогерентные выделения. Существуют три возможных варианта образования более стабильных выделений, а именно прямое превращение менее устойчивых в более стабильные, а также независимое зарождение и рост стабильных фаз. При этом образование более стабильных фаз сопровождается одновременным растворением менее устойчивых. [c.10]
Так как упрочнение достигается за счет торможения дислокаций продуктами распада, в том числе полями упругих напряжений в матрице вокруг выделений при перерезании или огибании выделений дислокациями, то с точки зрения получения наибольшего упрочнения предпочтительно образование ЗГП и промежуточных фаз. Выделения стабильных фаз некогерентны матрице, не имеют полей упругих напряжений, а расстояния между ними сравнительно велики. Это делает возможным значительно более легкое огибание таких препятствий дислокациями. [c.10]
По имеющимся в литературе данным [43, 256], экстремальные свойства закаленных сплавов, в том числе дисперсионно-твердеющих, можно достичь путем использования так называемого динамического старения, в основе которого лежат превращения, проходящие непосредственно в поле напряжений. Создаваемое внешними источниками поле напряжений влияет не только на уровень микронапряжений, существующих в закаленных сплавах или возникающих в результате распада твердого раствора, но и на дислокационную структуру, субструктуру, а в конечном счете и на морфологию и на распределение частиц выделяющихся фаз. [c.10]
Характерные для ТЦО структурные изменения могут быть усилены путем пластической деформации. Как известно, пластическая деформация перераспределяет и повышает плотность несовершенств кристаллического строения — дислокаций, вакансий, дефектов упаковки, а кроме того, способствует образованию и развитию мало- й высокоугловых границ. Так как дефекты кристаллической решетки сильно влияют на формирование структуры сплавов при фазовых и структурных переходах, пластическую деформацию перед ними, а также в период их прохождения можно эффективно использовать для создания оптимальной структуры при ТЦО сталей и сплавов. Процессы пластического дефор мирования и ТЦО можно совмещать, но можно проводить и независимо друг от друга. При этом важйо, чтобы фазовые и структурные превращения проходили в но-Бйх, измененных условиях, характеризующихся повышенной плотностью дефектов, создаваемых пластической деформацией. Так, в опытах с предварительной холодной деформацией [76] при ТЦО возрастает число центров образующейся у-фазы и, как следствие, интенсивно измельчается зерно аустенита. Кроме того, при деформировании в межкритическом интервале температур в результате динамического у а-превращения [29] можно значительно ускорить процесс перекристаллизации, сильно наклепать составляющие структуры и измельчить зерно. [c.11]

Вернуться к основной статье

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...