Глава II . Способы целенаправленного управления структурой материалов

 

17.Способы целенаправленного изменения объемной структуры и свойств металлических материалов (краткое описание, цель, примеры).

 

1. Наклеп (нагартовка);

2. Термическая обработка (ТО);

3. Термомеханическая обработка (ТМО).

С изменением химического состава материал:

1. Легирование.

Наклеп (нагартовка) – повышение прочности материала в результате ХПД (сопровождается снижением пластичности).

Термическая обработка – технологический процесс, состоящий, как минимум, из трех стадий:

 • нагрев материала до заданной температуры (с целью получения требуемого фазового состояния);

 • изотермическая выдержка в течение заданного времени (полный прогрев, обеспечение прохождения диффузионных процессов);

 • охлаждение с заданной скоростью (управление диффузией на финальной стадии ТО, определяет вид окончательной структуры материала).

ТМО – технологический процесс, совмещающий в единой схеме пластическое деформирование материала с его термической обработкой (закалкой). В результате ТМО окончательная микроструктура материала формируется в условиях высокодисперсных зерен и повышенной плотности дислокаций, что обеспечивает получение более высокого комплекса механических свойств.

Легирование – введение в сплав дополнительных элементов (наряду с основными) с целью улучшения его механических, эксплуатационных и функциональных свойств.

 

18.Способы целенаправленного изменения структуры поверхностных слоев и свойств металлических материалов (краткое описание, цель, примеры).

 

Без изменения химического состава материала

• поверхностное пластическое деформирование (ППД);

• поверхностная закалка.

С изменением химического состава материала

• химико-термическая обработка (ХТО);

• нанесение функциональных защитных покрытий (ЗП).

Химико-термическая обработка ХТО – технологический процесс, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя материала различными химическими элементами с целью изменения состава, структуры и свойств поверхности относительно сердцевины.

 

Защитное покрытие (ЗП) – слой или совокупность слоев, целенаправленно нанесенных на поверхность защищаемого материала (на подложку). Покрытие характеризуется химическим составом, структурно-фазовым состоянием и толщиной, качественно отличающимися от аналогичных свойств подложки.

19.Холодная пластическая деформация и ее влияние на свойства металлов и сплавов. Наклеп (нагартовка). Механизм пластической деформации и упрочнения металлов.

 

Наклеп (нагартовка) – повышение прочности материала в результате ХПД (сопровождается снижением пластичности).

Причины повышения прочности (снижения пластичности):

1. Увеличение суммарной протяженности границ зерен в результате их дробления при деформации.

2. Увеличение плотности дислокаций Nд.

3. Повышение степени искаженности кристаллической решетки.

Итог: замедление скорости движения (скольжения) дислокаций в результате увеличения числа барьеров на их пути.

 

 

Виды обработки металлов давлением: - прокатка; - волочение; - штамповка; - прессование; - ковка.

20.Влияние нагрева на свойства холоднодеформированных металлов и сплавов. Возврат и рекристаллизация. Механизм разупрочнения деформированных металлов при нагреве.

 

Возврат – процесс тонкоструктурного совершенствования материала при нагреве до T < Tр , заключающийся в аннигиляции (уничтожении) дефектов с противоположным знаком (вакансии и междоузельные атомы, положительные и отрицательные дислокации). Микроструктура материала не изменяется.

 

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированных материалов(возврат)

T ↑ => активация диффузии U ↓ – движущая сила диффузионных процессов

Аннигиляция точечных дефектов (вакансий и междоузельных атомов) и аннигиляция дислокаций

 

Рекристаллизация – процесс микроструктурного совершенствования материала при нагреве до T ≥ Tр , заключающийся в образовании и росте зерен, свободных от искажений после пластической деформации.

Итог: увеличение пластичности и снижение прочности в результате снижения числа барьеров на пути движения дислокаций.

 

21. Основные виды термической обработки сплавов. Характеристики и назначение каждого вида

 

Виды термической обработки:

1. Отжиг I рода (нефазовый) – нагрев материала на температуру ниже фазовых превращений, выдержка, медленное охлаждение (вместе с печью). Цель –получение равновесной структуры материала (отвечающей диаграмме состояния),проведение рекристаллизации и гомогенизации (выравнивание химического состава сплава по его объему).

2. Отжиг II рода (фазовый) – нагрев материала на температуру выше фазовых превращений в твердом состоянии, выдержка, медленное охлаждение (вместе с печью). Цель – снятие остаточных (термических) напряжений, получение равновесной структуры материала, подготовка к закалке, проведение рекристаллизации и гомогенизации. Отжиг I и II рода вызывают разупрочнение, повышение пластичности материала

3. Нормализация – нагрев материала на температуру выше фазовых превращений в твердом состоянии, выдержка, охлаждение на воздухе. Цель – получение однородной мелкозернистой структуры материала, подготовка к закалке. Приводит к повышению прочности и твердости на 10-15% (по сравнению с состоянием после отжига).

4. Закалка – нагрев материала на температуру выше фазовых превращений в твердом состоянии, выдержка, быстрое охлаждение (например, в воде). Цель – значительное повышение прочности и твердости материала. Быстрое охлаждение обеспечивает подавление диффузионных процессов, в результате чего в сплавах образуется неравновесная структура (не отвечающая диаграмме состояния, например, пересыщенный твердый раствор).

 

5. Отпуск – нагрев закаленного материала на температуру ниже фазовых превращений, выдержка, охлаждение (в печи или на воздухе). Цель – снятие закалочных (термических) напряжений, повышение пластичности и ударной вязкости. Термин «отпуск» применяется к ТО сталей и других сплавов, испытывающих при закалке полиморфное превращение (двухфазные алюминиевые бронзы, некоторые сплавы на основе Ti, Zr и др.).

6. Старение – технологически совпадает с отпуском (нагрев закаленного материала на температуру ниже фазовых превращений, выдержка, охлаждение). Цель – дополнительное упрочнение материала. Распад неравновесной (после закалки) структуры приводит к образованию новых высокодисперсных структурных составляющих (зон, фаз), затрудняющих движение (скольжение) дислокаций и, как следствие, способствующих дополнительному повышению прочности материала. Термин «старение» применяется к ТО сплавов, не испытывающих при закалке полиморфного превращения (сплавы на основе Al, Ni, высоколегированные стали аустенитного и аустенитно-мартенситного классов и др.).

 

22.Термическая обработка сталей. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита (С-образные кривые). Отжиг. Нормализация.

Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали

 

 

Перлит, сорбит, тростит –пластинчатые ферритноцементитные смеси различной дисперсности;

Vкр – критическая скорость охлаждения – минимальная скорость охлаждения, в результате которого в структуре образуется только мартенсит;

Мн – температура начала мартенситного превращения;

Мк – температура окончания мартенситного превращения.

Полная закалка – нагрев стали на (30-50)°С выше линии А3 (для доэвтектоидных сталей) или линии Аcm (для заэвтектоидных сталей), выдержка и охлаждение со скоростью выше Vкр (например, в воде);

 

 

Неполная закалка – нагрев стали выше линии А1, но ниже линии А3 или Аcm, выдержка и охлаждение со скоростью выше Vкр (например, в воде);

Низкий отпуск – нагрев закаленной стали на температуру 180-200°С, выдержка и охлаждение. В результате в структуре образуется мартенсит отпуска (мартенсит с меньшей степенью тетрагональности решетки и когерентно связанные с ним высокодисперсные частицы карбида Fe2,4C).

Средний отпуск – нагрев закаленной стали на температуру 350-450°С, выдержка и охлаждение. В результате в структуре образуется тростит отпуска (смесь частиц феррита и цементита глобулярного (сфероидального) строения).

Высокий отпуск – нагрев закаленной стали на температуру 550-650°С, выдержка

и охлаждение. В результате в структуре образуется сорбит отпуска (смесь частиц

феррита и цементита глобулярного строения. Частицы более крупного размера,

чем у тростита отпуска).

Улучшение – закалка + высокий отпуск.

 

23.Термическая обработка сталей. Полная и неполная закалка конструкционных (доэвтектоидных) сталей. Отпуск. Улучшение.

24.Термическая обработка сталей. Полная и неполная закалка инструментальных (заэвтектоидных) сталей. Отпуск. Улучшение.

Мартенсит(М) – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в железо с решеткой ОЦТ (объемноцентрированная тетрагональная)

 

 

25. Термическая обработка алюминиевых сплавов. Отжиг. Закалка. Старение. Характеристики и назначение каждого вида.

26. Термическая обработка алюминиевых сплавов. Естественное и искусственное старение. Зоны Гинье-Престона. Модель когерентного и некогерентного выделения.

27.Термомеханическая обработка сталей. ВТМО и НТМО.

ТМО – технологический процесс, совмещающий в единой схеме пластическое деформирование материала с его термической обработкой (закалкой). В результате ТМО окончательная микроструктура материала формируется в условиях высокодисперсных зерен и повышенной плотности дислокаций, что обеспечивает получение более высокого комплекса механических свойств.

 

 

 

 

Особенности процесса ВТМО

1. ГПД стали осуществляется в аустенитном состоянии, т.е. выше линии А3(GS);

2. Степень деформации не должна превышать 20-30 %. Иначе будет развиваться рекристаллизация (зарождение новых зерен), снижающая прочностные свойства;

3. Для проведения ГПД не требуется оборудование повышенной мощности, т.к. стали легко деформируются при Т > Tр.

4. Требуется немедленное (без промедлений) охлаждение детали после ГПД во избежание развития рекристаллизации;

5. Процесс можно осуществлять как для обычных (сплавов в системе Fe-C), так и для легированных сталей.

НТМО

1 – нагрев под полную закалку;

2 – изотермическая выдержка;

3 – охлаждение со скоростью > Vкр в область переохлажденного аустенита и до температур < Tр.

4 – ХПД;

5 – охлаждение со скоростью > Vкр

Особенности процесса НТМО

1. ХПД стали осуществляется в состоянии переохлажденного аустенита,устойчивого в интервале температур ~ 400-600°C;

2. Степень деформации обычно составляет 75-95 %;

3. Для проведения ХПД требуется оборудование повышенной мощности, т.к. трудно

достигнуть высокой степени пластической деформации при относительно низких

температурах (Т < Tр);

4. Опасности развития рекристаллизации нет, т.к. Т < Tр;

5. Процесс можно осуществлять только для легированных сталей с высокой

устойчивостью аустенита в переохлажденном состоянии. Для обычных сталей

(сплавов в системе Fe-C) процесс не годится, т.к. время распада переохлажденного

аустенита мало и недостаточно для высокой степени деформации.