Реализация же требуемых свойств осуществляется на последующих этапах обработки, преследующих цель придать сплаву не только предусмотренные чертежом форму и размеры, но и рациональное внутреннее строение, под которым следует понимать структурно-фазовый состав и дислокационную структуру, от которых непосредственно зависит комплекс требуемых свойств. Важнейшими этапами обработки сплавов являются термическая обработка и поверхностное упрочнение. Термической обработкой обеспечивается заданный уровень свойств во всем объеме детали, а поверхностным упрочнением – только в определенных наиболее нагруженных и сильно изнашиваемых местах на поверхности детали.
Основные правила термической обработки были разработаны Д.К. Черновым и дополнены А.А. Бочваровым, Г.В. Курдюмовым, А.П. Гуляевым.
Под термической обработкой понимают комплекс операций нагрева и охлаждения сплава, осуществляемых по определенному режиму с целью изменения его строения и получения заданных свойств. Основу термической обработки составляет изменение структурно-фазового состава и дислокационной структуры сплава, которое может быть достигнуто путем использования таких ключевых факторов, как наличие в нем аллотропических превращений или зависящей от температуры ограниченной взаимной растворимости компонентов.
Все существующие виды термообработки, имеющие целью существенно изменить фазовую и дислокационную структуру сплавов и получить оптимальный комплекс эксплуатационных свойств, основаны на использовании одного из упомянутых факторов. При их отсутствии термообработкой можно получить лишь весьма ограниченные результаты. Две наиболее распространенные разновидности термической обработки. Одна из них основана на использовании специфики превращений в сплавах, обусловленной наличием в них аллотропических превращений, а другая базируется на переменной растворимости компонентов друг в друге при нагреве и охлаждении.
В обоих случаях фундаментальной основой технологии термической обработки, гарантирующей получение ожидаемых результатов, является ее режим. Он включает в себя следующие элементы: температуру нагрева, скорость нагрева до заданной температуры, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения.
Термическая обработка бывает предварительной и окончательной. Предварительная термическая обработка используется в тех случаях, когда материал необходимо подготовить к дальнейшим технологическим воздействиям – давлению, резанию и т. д. Окончательная термическая обработка применяется для подготовки свойств готового материала.
Конкретные величины, характеризующие каждый из элементов режима термообработки, зависят отхимического состава обрабатываемого сплава, размера детали и целевого назначения выполняемого вида термообработки. Варьируя эти величины, можно существенно изменять фазовую и дислокационную структуры сплава и придавать ему заданные свойства.
От температуры нагрева зависят характер происходящих в сплаве превращений и сама возможность получения после термообработки требуемой структуры. Она выбирается в зависимости от химического состава сплава и цели производимой термообработки.
Скорость нагрева выбирается таким образом, чтобы обеспечить минимальные потери времени на нагрев, и в то же время ее величина должна исключить возникновение в обрабатываемой детали опасных термических напряжений, могущих привести к короблению и растрескиванию детали, что наблюдается при слишком быстром нагреве.
Скорость нагрева зависит от теплопроводности обрабатываемого сплава, которая, в свою очередь, определяется его химическим составом. С усложнением состава теплопроводность ухудшается. Поэтому нагрев неблагоприятных по составу сплавов до определенных температур осуществляется очень медленно, а затем ускоренно.
Время выдержки детали по достижении заданной температуры должно быть достаточным для ее прогрева от поверхности до сердцевины в наибольшем сечении, а также для полного завершения в сплаве тех, имеющих диффузионный характер структурно-фазовых превращений, которые должны происходить в нем при заданной температуре.
Скорость охлаждения при термической обработке является очень важным элементом режима, от которого зависят особенности приобретаемой сплавом фазовой и дислокационной структуры. Она должна быть достаточной для протекания в сплаве необходимых превращений, но не слишком большой во избежание опасных термических и фазовых напряжений, могущих вызвать растрескивание или деформацию (коробление) детали.
Термическая обработка применяется для улучшения конструкционных материалов, в частности стали. Время проведения термической обработки напрямую зависит от размеров обрабатываемых материалов и деталей.
31. Применение термообработки в технологии производства заготовок и изделий из конструкционных материалов
Наиболее характерным и хорошо изученным процессом является термическая обработка стали. Данный процесс базируется на наличии в ней аллотропических превращений, которые происходят при нагреве и охлаждении в области определенных критических температур. Управляемые структурно-фазовые процессы в стали, которые обеспечивают получение требуемой фазовой и дислокационной структуры, происходят вследствие наличия аллотропии.
Конструктивная прочность – это определенный комплекс механических свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу материала в условиях его эксплуатации. Конструктивная прочность – это прочность материала конструкции с учетом конструкционных, металлургических, технологических и эксплуатационных факторов, т. е. это комплексное понятие. Считается, что как минимум нужно учитывать четыре критерия: жесткость конструкции, прочность материала, надежность и долговечность материала в условиях работы данной конструкции.
Жесткость конструкции. Для многих силовых элементов конструкций – шпангоутов, стрингеров, плоских пластинок, цилиндрических оболочек и т. п. – условием, определяющим их работоспособность, является местная или общая жесткость (устойчивость), определяемая их конструктивной формой, схемой напряженного состояния и т. д., а также и свойствами материала.
Показателем жесткости материала является модуль продольной упругости Е (модуль жесткости) – структурно нечувствительная характеристика, зависящая только от природы материала. Среди главных конструкционных материалов наиболее высокое значение модуля Е имеет сталь, наиболее низкое – магниевые сплавы и стеклопластики. Однако оценка этих материалов существенно изменяется при учете их плотности и использовании критериев удельной жесткости и устойчивости.
При оценке по этим критериям, выбираемым в соответствии с формой и напряженным состоянием, во многих случаях наиболее выгодным материалом являются магниевые сплавы и стеклопластики, наименее выгодным – углеродистые и легированные стали.
Прочность – способность тела сопротивляться деформациям и разрушению. Большинство технических характеристик прочности определяют в результате статического испытания на растяжение.
Эти характеристики зависят от структуры и термической обработки.
Оценивая реальную прочность конструкционного материала, следует учитывать характеристики пластичности, вязкость материала, т. к. эти показатели в основном определяют возможность хрупкого разрушения.
Это относится и к высокопрочным материалам, которые, обладая высокой прочностью, склонны к хрупкому разрушению.
Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Надежность конструкции – это также ее способность работать вне расчетной ситуации, например, выдерживать ударные нагрузки. Главным показателем надежности является запас вязкости материала, который зависит от состава, температуры (порог хладноломкости), условий нагружения, работы, поглощаемой при распространении трещины.
Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы конструкций.
Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможности его дальнейшей эксплуатации).
Долговечность конструкции зависит от условий ее работы. Прежде всего, это сопротивление износу при трении и контактная прочность (сопротивление материала поверхностному износу, возникающему при трении качения со скольжением). Кроме того, долговечность изделия зависит от предела выносливости, зависящего, в свою очередь, от состояния поверхности и коррозионной стойкости материала.
При термообработке материалов используется специальное оборудование: электропечи, газопламенные и элеваторные печи, закалочные баки, соляные ванны и т. д.