Методы упрочнения сплавов

Принципы упрочнения

Основной принцип, лежащий в основе повышения прочности металлов и сплавов, — создание препятствий, затрудняющих перемещение дислокаций. Упрочнение достигается путем термической обработки или пластической деформации металлов и сплавов за счет увеличения плотности дефектов (см. рис. 1.16).

Термическая обработка — процесс теплового воздействия на материалы для целенаправленного изменения их структуры и свойств.

Возможность упрочнения сплавов с помощью термической обработки определяется превращениями определенного типа, которые происходят в сплавах, находящихся в твердом состоянии. Эти превращения могут быть диффузионными и бездиффузионными.

При бездиффузионных превращениях атомы перемещаются па весьма малые расстояния, не более 1…2 периодов кристаллической решетки. Скорость превращений очень велика и значительно превосходит скорости нагрева и охлаждения сплавов при термической обработке, поэтому управлять такими превращениями или регулировать их весьма трудно или невозможно. Примером бездиффузионного превращения может служить полиморфное превращение, например, Fea — Fe .

При диффузионных превращениях атомы перемещаются на значительные расстояния (до нескольких мм), превращения протекают медленно (например, продолжительность процесса азотирования, описанного ниже, достигает нескольких суток). Поэтому степень прохождения этих превращений можно регулировать при термической обработке, изменяя скорость нагрева или охлаждения, температуру или время выдержки. Примером диффузионного превращения может служить частичный распад твердого раствора, при котором в результате уменьшения растворимости одного из компонентов при понижении температуры из твердого раствора выделяется вторичная фаза (см. 3.4.4 и рис. 3.8).

Следует иметь в виду, что упрочняющей обработке подвергают заготовки, имеющие определенную форму, полученную в результате формообразующих операций (например, обработкой резанием). Для облегчения выполнения таких операций металл должен обладать хорошими технологическими свойствами — невысокими твердостью и прочностью, это достигается специальными видами термической обработки.

Упрочнение термической обработкой

Перекристаллизация

Этот метод упрочнения основан на бездиффузионных превращениях. При перекристаллизации упрочнение сплавов достигается за счет измельчения зерен, которое происходит при полиморфном превращении (изменение типа кристаллической решетки) в процессе нагрева и охлаждения сплава.

Рассмотрим процесс перекристаллизации на примере сплавов системы «Fe — Cr» (рис. 3.14). На диаграмме? — твердый раствор хрома в Fea;? — твердый раствор хрома в Fe. Эти твердые растворы отличаются типом кристаллической решетки: a-твсрдый раствор имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку; ?-твердый раствор — кубическую гранецентрированную. Перекристаллизация возможна в сплавах, концентрация хрома в которых ниже определяемой проекцией точки а — а'.

Рассмотрим превращения, протекающие при нагреве и охлаждении в одном из таких сплавов. До упрочнения структура сплава (заготовки) состоит из крупных зерен ?-твердого раствора (рис. 3.15, а). Прочность сплава в таком состоянии невелика, так как мала протяженность межзеренных границ, которые являются препятствиями на пути перемещения дислокаций. При нагреве сплава крупнозернистая структура сохраняется до точки 1 — температуры начала полиморфного превращения (см. рис. 3.14). При температуре выше точки 1

Рис. 3.14. Фрагмент диаграммы состояния «Fe — Cr» .

Рис. 3.15. Изменение структуры сплава при его упрочнении перекристаллизацией:

а — в — нагрев; в — д — охлаждение.

?-твсрдый раствор становится неустойчивым и по границам его зерен происходит образование новой фазы — ?, размеры зерен которой значительно меньше зерен ?-фазы (рис. 3.15, 6). При дальнейшем повышении температуры (до точки 2) количество ?-фазы увеличивается за счет образования новых мелких зерен. В точке 2 полиморфное? >? превращение заканчивается, ?-фаза полностью заменяется ?-фазой, имеющей более мелкие зерна (рис. 3.15, в). Нагрев выше точки 2 (до точки 3) не изменяет фазового состава сплава, но приводит к укрупнению зерен ?-фазы. В связи с этим при проведении термической обработки сплав нагревают лишь немного выше точки 2 (на 30…50 °С), что гарантирует завершение? >? превращения, но не вызывает увеличения размеров зерен ?-твердого раствора.

После нагрева до указанной температуры и необходимой выдержки сплав охлаждают. Охлаждение выполняют медленно для получения равновесной структуры и снятия напряжений, возникающих при фазовых превращениях. При охлаждении до точки 2 начинается обратное (? > а) полиморфное превращение с образованием по границам зерен ?-твердого раствора кристаллитов ?-фазы, более мелких, чем у исходной ?-фазы (рис. 3.15, г). При понижении температуры до точки 1 количество ?-фазы возрастает за счет появления новых мелких зерен. В точке 1 полиморфное превращение заканчивается, структура сплава, сформированная окончательно в результате двойной перекристаллизации, состоит из мелких зерен ?-твердого раствора (рис. 3.15, l)).

Таким образом, в результате термической обработки фазовый состав сплава не изменился, изменилась его структура — из крупнозернистой превратилась в мелкозернистую. Уникальность этого метода упрочнения заключается в том, что в результате измельчения зерна повышается не только прочность, но и пластичность сплава. Все остальные методы, повышающие прочность сплавов, одновременно снижают их пластичность.

Полная перекристаллизация, т. е.? >? и? >? превращения при нагреве и охлаждении соответственно, во всем объеме возможна только в сплавах с концентрацией хрома не более b' — проекции точки b (см. рис. 3.14). Сплавы, лежащие в интервале b' — а', невозможно упрочнить во всем объеме, так как при нагреве не произойдет полной перекристаллизации, возможно лишь превращение? >? +? и, таким образом, лишь частичное упрочнение.

Помимо рассмотренной диаграммы состояния упрочнение за счет полиморфного превращения возможно в сплавах, диаграмма состояния которых представлена на рис. 3.16. Здесь сплавы с содержанием компонента В до F можно упрочнить во всем объеме, лежащие в интервале F — D частично. Сплавы с содержанием компонента В более D упрочнить невозможно, поскольку при нагреве их структура не меняется вплоть до начала плавления.