Файл: Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник.pdf

После быстрого нагрева до высокой температуры (например, при нагреве в селитровой ванне до 500°С) сразу развивается интенсив­ ная первичная рекристаллизация из многих центров и зерно полу­ чается мелким.

Скорость охлаждения с температуры рекристаллизационного отжига металлов и однофазных сплавов не сказывается на их свойствах. Полуфабрикаты из медных сплавов для лучшего отде­ ления окалины иногда охлаждают в воде. Если же сплав способен упрочняться при закалке и старении, то скорость охлаждения с температуры рекристаллизационного отжига иногда приходится регламентировать. Так, в термически упрочняемом алюминие­ вом сплаве В95 при отжиге после холодной деформации, кроме ос­

щим старением. В результате при отжиге не достигается необходи­ мое смягчение материала. Поэтому сплав В95 следует медленно охлаждать вместе с печью с температуры рекристаллизационного отжига (380—430°С) до температуры li50°C (со скоростью не бо­ лее 30°С/ч).

Неполный рекристаллизационный отжиг проводят при темпе­

ратурах выше tp , но ниже tрС целью частичного устранения накле­ па. Он позволяет, например, производить полунагартованные лис­ ты из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов. Структу­ ра получается частично рекристаллизованной, а частично полигонизованной.

Текстурирующий отжиг применяют для получения выгодной анизотропии свойств в трансформаторной стали, железоникеле­ вых сплавах с постоянной магнитной проницаемостью (сплавы ти­ па изоперм) и некоторых других текстурованных материалах. Вы­ бор оптимальных режимов отжига здесь — наиболее сложная за­ дача (см. § 14).

Список литературы

Г о р е л и к С. С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М., «Металлургия»,

Г л а в а I I I

ОТЖИГ, УМЕНЬШАЮЩИЙ НАПРЯЖЕНИЯ

При обработке давлением, литье, сварке, термообработке, шлифовании, обработке резанием, электроосаждении металла и других технологических процессах в изделии могут возникать внутренние напряжения, которые взаимно уравновешиваются внутри тела без участия внешних нагрузок. В большинстве случа­

110

ев внутренние напряжения полностью или частично сохраняются в металле после окончания технологического процесса и поэтому называются остаточными напряжениями.

■В данной главе рассмотрены только макронапряжения, урав­ новешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макро­ частей. Такие напряжения называют также зональными или на­ пряжениями I рода.

§ 16. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Причинами возникновения внутренних макронапряжений яв­ ляются неодинаковая деформация или разное изменение удельно­ го объема в различных точках тела.

Следующий простой пример поясняет возникновение остаточ­ ных напряжений при неодинаковой пластической деформации в разных участках металла (рис. 64). Представим себе, что полоса

рых посредине значительно больше, чем по концам. Центральные слои -полосы получают большее обжатие, чем крайние. Если бы за­

со своим обжатием: центральные прутки должны были бы вытя­ нуться сильнее, чем крайние. Но полоса металла в действитель­ ности является монолитным телом, в котором центральные и край­ ние слои не могут изолированно одни от других вытягиваться на разную длину. Поэтому центральные слои, которые стремятся сильнее вытянуться, будут испытывать сдерживающее влияние крайних слоев и окажутся недовытянутыми. Иначе говоря, в цент­ ральных слоях возникнут сжимающие внутренние напряжения. Крайние слои, наоборот, будут под действием центральных слоев вытянуты на величину больше той, которая определяется их обжа­ тием. Поэтому в крайних слоях возникнут растягивающие внут­ ренние напряжения (рис. 64). Напряжения разного знака взаимно уравновешиваются внутри полосы и сохраняются в металле пос­ ле окончания прокатки.

111

Удельный объем меняется при термическом сжатии й расшире­ нии, кристаллизации расплава, фазовых превращениях в твердом состоянии и изменении химического состава поверхностных слоев. Если бы термическое расширение или сжатие, кристаллизация расплава и фазовые превращения в твердом состоянии проходи­ ли одновременно и в одинаковой степени по всему объему тела, то внутренние напряжения не возникали бы. Но при нагреве и ох­ лаждении всегда имеется градиент температур по сечению тела и поэтому указанные выше изменения удельного объема в разных точках металла протекают неодинаково, в результате чего возни­ кают внутренние напряжения.

Различают термические и фазовые (структурные) внутренние напряжения, которые возникают соответственно в результате тер­ мического сжатия или расширения и фазовых превращений в твердом состоянии при наличии в теле градиента температур. Внутренние напряжения могут возникнуть практически при лю­ бой обработке, причем одна технологическая операция может при­ вести к созданию разных по своему происхождению остаточных напряжений: термических, фазовых и напряжений от неоднород­ ной пластической деформации. Например, при горячей обработке давлением, кроме напряжений, образовавшихся из-за неоднород­ ной пластической деформации, могут возникнуть термические, а также фазовые напряжения, если торячедеформированный сплав охлаждается ускоренно и в нем протекает фазовое превращение. При литье, сварке и закалке возникают термические и фазовые напряжения. Различные по своему происхождению остаточные напряжения алгебраически складываются и очень часто дают весьма сложные эпюры.

В соответствии с названием технологического процесса разли­ чают литейные, сварочные, закалочные, шлифовочные и другие ос­

остаточные напряжения, так как они, складываясь с растягиваю­ щими напряжениями от внешних нагрузок, приводят к разруше­ нию, хотя эти нагрузки могут быть и невелики.

Особенно опасны растягивающие напряжения при трехосном растяжении. Как известно, напряженное состояние при трехосном

или равны нулю, вследствие чего создаются благоприятные усло­ вия для хрупкого разрушения. Остаточные напряжения особенно опасны также в изделиях из малопластичных сплавов и таких, ко­ торые становятся хрупкими при понижении температуры.

При больших остаточных напряжениях разрушение часто происходит от не­ значительных по величине нагрузок (особенно ударных). Так, например, трещн-

112

ны в стальных отливках могут возникать при очистке их пневматическим молот­ ком и даже от сквозняка зимой (из-за добавления термических напряжений к остаточным). Крупные слитки полунепрерывного литья из малопластичных алю­ миниевых сплавов через некоторое время после окончания литья могут разру­ шаться от случайных небольших сотрясений или ударов; освобождающаяся при разрушении упругая энергия так велика, что одна часть слитка весом в сотни килограммов с сильным треском отрывается и отлетает на расстояние в несколь­ ко метров.

Остаточные растягивающие напряжения в сварных конструкциях приводят иногда к серьезным авариям. Разрушения сварных мостов и цельносварных су­ дов часто связывают с проявлением больших остаточных напряжений, близких к разрушающим. Цельносварные суда из-за остаточных растягивающих напря­ жений иногда разрушались под воздействием незначительных внешних факто­

Растягивающие остаточные напряжения в поверхностных слоях особенно вредны для деталей, работающих при знакопеременной нагрузке, так как такие напряжения способствуют усталостному разрушению (напомним, что усталостная трещина зарождается на поверхности изделия).

Вредное действие остаточных напряжений сказывается в повышении общей химической активности металла. Особенно вредно усиление межкристаллитной коррозии под действием растягивающих остаточных напряжений (сезонное раст­ рескивание латуни).

В металле с остаточными напряжениями существуют области упругих деформаций разного знака. Упругому, т. е. обратимому, снятию макронапряжений мешают межатомные силы, связываю­ щие разнородно деформированные участки металла в единое твердое тело. Если разрезать изделие или срезать (а также стра­ вить) с него поверхностный слой, то становится возможным упру­ гое снятие макронапряжений. Например, если срезать или стра­ вить сжатый остаточными напряжениями поверхностный слой, то растянутая остаточными напряжениями внутренняя область тела, освободившись от сдерживающего влияния поверхностных слоев, сможет теперь упруго сжаться. На измерении упругих деформа­ ций, возникающих при разрезке изделия, снятии или стравлива­ нии с него слоев, основаны механические методы определения ве­ личины и знака остаточных напряжений (напряжения вычисляют по деформациям).

ботке резанием, так как удаление слоя металла нарушает равно­ весие остаточных напряжений. Например, если от полосы на рис. 64 отрезать с одной стороны слой, в котором действуют рас­ тягивающие напряжения, то полоса выгнется в плоскости черте­ жа из-за нарушения равновесия растягивающих и сжимающих ос­ таточных напряжений.

Самопроизвольные изменения размеров и коробление при хра­ нении деталей происходит из-за постепенного перераспределения остаточных напряжений йри их релаксации. Иногда поэтому пос­

113-

ле сборки станков появляются недопустимые зазоры в сопряжен­ ных деталях, ранее точно пригнанных одна к другой.

Создавая контролируемые остаточные напряжения, которые вычитаются из рабочих напряжений, можно повысить эксплуата­ ционные свойства металла. Чаще всего в поверхностном слое на­ меренно создают сжимающие остаточные напряжения, которые уменьшают опасные растягивающие 'рабочие напряжения. С этой целью 'применяют дробеструйный наклеп, азотирование и другие

виды поверхностной обработки металлов.

В подавляющем большинстве случаев величина, знак и распре­ деление остаточных напряжений по объему изделия неизвестны. Для определения этих характеристик требуется нарушить целост­ ность изделия.

Рентгенографический метод позволяет по относительному из­ менению межплоскостного расстояния оценить остаточные макро­ напряжения только в поверхностном слое. Поэтому всегда можно ожидать, что неконтролируемые остаточные напряжения от обра­ ботки давлением, литейные, сварочные, закалочные и другие ос­ таточные напряжения могут ухудшить свойства металла и ока­ заться опасными при его обработке и эксплуатации изделия. IB об­ щем случае желательно полностью или хотя бы частично снять не­ контролируемые остаточные напряжения.

§ 17. УМЕНЬШЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ОТЖИГЕ

Избыточная энергия в упругодеформированных областях мо­ жет понизиться без нарушения целостности тела, если разрядка остаточных напряжений произойдет путем пластической деформа­ ции. Следовательно, чтобы добиться полного или частичного сня­ тия остаточных макронапряжений в изделии, необходимо вызвать в нем пластическое течение.

Остаточные напряжения при отжиге уменьшаются двумя путя­ ми: 1) вследствие пластической деформации в условиях, когда эти

114