В металлургии , упрочнение — это процесс обработки поверхности металла для улучшения свойств его материала, обычно механическими способами, такими как удары молотка , дробью ( дробеструйная обработка ), фокусировкой света ( лазерная обработка ) или, в последние годы, ударами водяного столба (водоструйная обработка) и кавитационными струями (кавитационная обработка). [1] За исключением лазерной обработки, упрочнение обычно является холодным процессом обработки , стремящимся расширить поверхность холодного металла, тем самым вызывая сжимающие напряжения или снимая уже имеющиеся растягивающие напряжения . Оно также может способствовать деформационному упрочнению поверхностного металла.
Пластическая деформация от дробления вызывает остаточное сжимающее напряжение в дробленной поверхности, а также растягивающее напряжение внутри. Это напряженное состояние напоминает то, которое наблюдается в закаленном стекле , и полезно по аналогичным причинам.
Поверхностные сжимающие напряжения обеспечивают устойчивость к усталости металла и некоторым формам коррозии , поскольку трещины не будут расти в сжимающей среде. Преимущество достигается за счет более высоких растягивающих напряжений в глубине детали. Однако усталостные свойства детали будут улучшены, поскольку напряжения обычно значительно выше на поверхности, отчасти из-за поверхностных дефектов и повреждений.
Холодная обработка также служит для упрочнения поверхности материала. Это снижает вероятность образования трещин на поверхности и обеспечивает устойчивость к истиранию . Когда металл подвергается деформационному упрочнению, его предел текучести увеличивается, но его пластичность уменьшается. Деформационное упрочнение фактически увеличивает количество дислокаций в кристаллической решетке материала. Когда материал имеет большое количество дислокаций, пластическая деформация затруднена, и материал будет продолжать вести себя упруго далеко за пределами упругого предела текучести недеформационного упрочненного материала.
Пластическая деформация при проковке может быть полезна для растяжения поверхности объекта.
Одно из распространенных применений этого процесса проковки (растяжения) можно увидеть в авторемонте и производстве автомобилей на заказ, где ручная или машинная проковка используется для растяжения тонкого листового металла с целью создания изогнутых поверхностей. Ручной метод использует ручной молоток для проковки и является формой выравнивания . Существуют также машинные методы, которые используют версию механического молотка для проковки листового металла.
Другое применение процесса дробления — выравнивание листового металла, и оно, в частности, используется в качестве основного метода для выравнивания стальных лент, используемых в промышленных конвейерных и прессовых операциях. В этом процессе стальная лента, имеющая поперечную кривизну, может быть выравнивается дроблением вогнутой поверхности для ее растяжения и, таким образом, устранения поперечной кривизны путем выравнивания длины поверхности поперек ленты между ранее вогнутыми и выпуклыми поверхностями. Дробеструйное дробление стальных лент обычно достигается с помощью специализированного оборудования и специальной дроби для дробления.
Когда дробление используется для создания остаточного напряжения или упрочнения объекта, необходимо соблюдать осторожность с тонкими деталями, чтобы не растянуть заготовку. Если растяжение неизбежно, то, возможно, придется сделать допуски в конструкции детали или применении процесса.
Ручная проковка может также выполняться после сварки, чтобы помочь снять растягивающие напряжения, которые возникают при охлаждении в сварном металле (а также в окружающем основном металле). Уровень снижения растягивающего напряжения минимален и происходит только на поверхности сварного шва или вблизи нее. Другие методы, такие как точки нагрева (если применимо), помогают снизить остаточные растягивающие напряжения. Проковка вызовет более высокую твердость сварного шва, и этого следует избегать. По этой причине проковка обычно не допускается большинством кодексов, стандартов или спецификаций. [2] Любая проковка, которая выполняется на сварном шве, должна быть выполнена на образце для квалификационного испытания процедуры сварки.
Образец для квалификации процедуры сварки воспроизводит все основные переменные, которые будут использоваться в производственной сварке. Если сварной шов подвергается дроблению во время квалификации процедуры сварки, последующее механическое испытание образца для квалификации процедуры продемонстрирует механические свойства сварного шва. Эти механические свойства должны, как минимум, соответствовать механическим свойствам материалов, которые были сварены вместе. Если это не так, процедура не удалась, и процедура сварки не приемлема для использования в производственной сварке.
Лезвия кос и серпов традиционно затачивались путем периодической наковки с последующей частой заточкой в полевых условиях во время использования. Лезвие можно заточить, переформировав ковкую сталь для создания профиля кромки, который затем можно заточить . Зазубрины и порезы на кромке лезвия можно удалить с лезвия путем наковки, а затем сформировать новый профиль кромки для заточки.
Лезвия можно свободно затачивать, используя различные конструкции наковален, или обрабатывать на приспособлении для затачивания. Приспособление для затачивания может иметь сменные колпачки, которые устанавливают разные углы: грубый угол может быть установлен сначала примерно на 3 миллиметра (0,12 дюйма) назад от края, а затем на краю устанавливается тонкий угол, оставляя край, который легко поддается заточке. Затем лезвие можно затачивать, используя постепенно более тонкие хонинговальные камни, пока оно не будет готово к использованию. [3] [4]
Термин «щебень» предположительно произошел от древнешведского слова pæna , означающего «бить молотком». [5]
Использование чеканки для улучшения свойств материалов металлов восходит к древним временам. [6] Золото ковали для механического улучшения шлемов еще в 2700 году до нашей эры [7], а бронзу ковали для укрепления доспехов в Древней Греции. [8] [9] В Средние века чеканка использовалась для укрепления и придания формы мечам. Более поздние применения для улучшения прочности металла включают чеканку стволов артиллерийских орудий в 18 веке. [7] Аналогичным образом, кузнецы обычно использовали молот с шаровидным бойком для придания формы и улучшения срока службы рессор каретки. [8]
Первые научные исследования свойств металлов были проведены в 19 веке, в частности, в контексте усталостных разрушений в развитии железных дорог и промышленной революции. Вёлер, например, провел обширную работу по усталостной прочности металлов, подвергаемых циклам напряжения. [10] Киркалди провел эксперименты по пределу прочности на растяжение кованого железа и стали, а Баушингер проверил пределы упругости железа и стали при растяжении и сжатии. [11]
Только в начале 20-го века поверхностная обработка металлов начала развиваться в методы технической обработки, при этом дробеструйная обработка — по сути, множество мелких ударов молотка [8] — стала рассматриваться как альтернатива прокатке для повышения усталостной прочности. [7] В 1927 году Э. Г. Герберт описал эффект упрочнения при помощи процесса «ливневого дождя», во время которого поток мелких стальных шариков «проливал дождь» на стальную поверхность, в то время как О. Фёппль продемонстрировал благоприятное воздействие холодной обработки на повышение усталостной прочности в 1929 году. [6]
Первый патент на дробеструйную обработку был получен в Германии в 1934 году, но так и не был реализован в коммерческих целях. Независимо друг от друга в 1930 году несколько инженеров Buick заметили, что дробеструйная обработка (как она изначально называлась) делает пружины устойчивыми к усталости. Затем этот процесс был принят в автомобильной промышленности. Циммерли впервые опубликовал отчет в 1940 году. Джон Алмен провел больше исследований и во время Второй мировой войны внедрил его в авиационную промышленность. [12]
К 1950 году дробеструйная обработка стала общепринятым процессом и была включена в инженерную литературу. В том же году дробеструйная обработка была изобретена для формирования обшивки крыла самолета Super Constellation . [12]
Значительным новшеством в технологии молотковой обработки в начале 1970-х годов стала разработка Ефимом Статниковым ультразвуковой ударной обработки (УУО) [13] , которая использует направляемые стержневые инденторы для передачи высокочастотных импульсов на обрабатываемую поверхность. [14]
В начале 1970-х годов упрочнение претерпело еще одно крупное новшество, когда исследователи, такие как Аллан Клауэр из лаборатории Battelle в Колумбусе, штат Огайо, применили высокоинтенсивные лазерные лучи к металлическим деталям для достижения глубоких остаточных напряжений сжатия. Этот метод они запатентовали как лазерное ударное упрочнение, и в конце 1990-х годов он стал известен как лазерное упрочнение , когда его впервые применили к лопаткам вентилятора газового турбинного двигателя для ВВС США.