Процесс металлообработки
Закалка — это металлургический процесс обработки металла , используемый для повышения твердости металла. Твердость металла прямо пропорциональна одноосному пределу текучести в месте приложенной деформации. Более твердый металл будет иметь более высокое сопротивление пластической деформации, чем менее твердый металл.
Процессы
Пять процессов закалки:
- Метод Холла-Петча , или упрочнение границ зерен, заключается в получении мелких зерен. Более мелкие зерна увеличивают вероятность того, что дислокации войдут в границы зерен после более коротких расстояний, которые являются очень сильными барьерами для дислокаций. В целом, меньший размер зерна сделает материал более твердым. Когда размер зерна приближается к субмикронным размерам, некоторые материалы могут, однако, стать мягче. Это просто эффект другого механизма деформации, который становится легче, т. е. скольжения границ зерен. В этот момент все механизмы упрочнения, связанные с дислокациями, становятся неактуальными. [1]
- При деформационном упрочнении (также называемом упрочнением деформаций) материал деформируется за пределами своего предела текучести, например, при холодной обработке . Пластичный металл становится тверже и прочнее по мере его физической деформации. Пластическая деформация порождает новые дислокации. По мере увеличения плотности дислокаций дальнейшее движение дислокаций становится более затрудненным, поскольку они мешают друг другу, что означает увеличение твердости материала. [2]
- При упрочнении твердого раствора растворимый легирующий элемент добавляется к материалу, который необходимо укрепить, и вместе они образуют «твердый раствор». Твердый раствор можно рассматривать как «обычный» жидкий раствор, например, соль в воде, за исключением того, что он твердый. В зависимости от размера иона растворенного легирующего элемента по сравнению с ионами матричного металла, он растворяется либо замещающим образом (крупный легирующий элемент замещает атом в кристалле), либо интерстициально (мелкий легирующий элемент занимает место между атомами в кристаллической решетке). В обоих случаях разница в размерах инородных элементов заставляет их действовать как песчинки в наждачной бумаге, сопротивляясь дислокациям, которые пытаются проскользнуть, что приводит к более высокой прочности материала. При закалке раствора легирующий элемент не выпадает в осадок из раствора.
- Дисперсионное твердение (также называемое старением ) — это процесс, при котором вторая фаза, которая начинается в твердом растворе с матричным металлом, выпадает из раствора вместе с металлом по мере его закалки, оставляя частицы этой фазы распределенными по всему объему, чтобы вызвать сопротивление скользящим дислокациям. Это достигается путем предварительного нагрева металла до температуры, при которой элементы, образующие частицы, растворимы, а затем его закалки, захватывая их в твердом растворе. Если бы это был жидкий раствор, элементы образовали бы осадки, так же как перенасыщенная соленая вода осаждала бы мелкие кристаллы соли, но диффузия атомов в твердом теле происходит очень медленно при комнатной температуре. Затем требуется вторая термическая обработка при подходящей температуре для старения материала. Повышенная температура позволяет растворенным элементам диффундировать гораздо быстрее и образовывать желаемые осажденные частицы. Закалка необходима, поскольку в противном случае материал начал бы осаждать уже во время медленного охлаждения. Этот тип осаждения приводит к образованию небольшого количества крупных частиц вместо обычно желаемого обилия мелких осадков. Дисперсионное твердение является одним из наиболее часто используемых методов упрочнения металлических сплавов.
- Мартенситное превращение , более известное как закалка и отпуск , является механизмом закалки, специфичным для стали. Сталь должна быть нагрета до температуры, при которой фаза железа переходит из феррита в аустенит, т. е. меняет кристаллическую структуру с ОЦК ( объемно-центрированная кубическая ) на ГЦК ( гранецентрированная кубическая ). В аустенитной форме сталь может растворить гораздо больше углерода. После того, как углерод растворился, материал затем закаливается. Важно закаливать с высокой скоростью охлаждения, чтобы углерод не успел образовать осадки карбидов. Когда температура достаточно низкая, сталь пытается вернуться к низкотемпературной кристаллической структуре ОЦК. Это изменение происходит очень быстро, поскольку оно не зависит от диффузии и называется мартенситным превращением. Из-за экстремального пересыщения твердого раствора углерода кристаллическая решетка становится ОЦТ ( объемно-центрированная тетрагональная ). Эта фаза называется мартенситом и является чрезвычайно твердой из-за совместного эффекта искаженной кристаллической структуры и экстремального упрочнения твердого раствора, оба механизма которых противостоят скользящей дислокации.
Все механизмы упрочнения приводят к появлению дефектов кристаллической решетки, которые действуют как барьеры для скольжения дислокаций.
Приложения
Упрочнение материала требуется во многих областях применения:
- Режущие инструменты для станков (сверла, метчики, токарные резцы) должны быть намного тверже материала, с которым они работают, чтобы быть эффективными.
- Лезвия ножей – лезвие высокой твердости сохраняет остроту.
- Подшипники — должны иметь очень твердую поверхность, способную выдерживать постоянные нагрузки.
- Бронирование. Высокая прочность чрезвычайно важна как для пуленепробиваемых пластин, так и для сверхпрочных контейнеров для горнодобывающей промышленности и строительства.
- Противоусталостная прочность. Мартенситная закалка может значительно увеличить срок службы механических компонентов, подвергающихся многократной нагрузке/разгрузке, таких как оси и зубья.
Ссылки
- ^ Хансен, Нильс (2 июня 2004 г.). "Соотношение Холла–Петча и укрепление границ" (PDF) . Центр фундаментальных исследований: Металлические конструкции в четырех измерениях, Отдел исследований материалов, Национальная лаборатория Рисё . Получено 1 июля 2024 г. .
- ^ "Что такое упрочняющая сталь? - Titus Steel". Titus Steel . 19 октября 2023 г. . Получено 1 июля 2024 г. .
