Одним из основных методов регулирования дислокационной структуры является пластическая деформация. Поэтому пришли к выводу о целесообразности соединения пластической деформации и фазовых превращений в единой технологической схеме обработки сплавов.
Такое комплексное воздействие на стуктуру металлического сплава и составляет суть термомеханической обработки (ТМО).
Термомеханническую обработку надо понимать как совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения (в различной последовательности), в результате которых формирование окончательной структуры металлического сплава, а следовательно, и его свойств происходит в условиях повышенной плотности и соответствующего распределения несовершенств строения, созданных пластической деформацией.
При термомеханической обработке сочетают деформацию аустенита с образованием определенной субзеренной и дислокационной структуры и закалку с образованием мартенсита. Затем осуществляют отпуск стали.
Основными параметрами термомеханической обработки, от которых зависит ее эффективность, является температура, скорость, степень, дробность и схема (способ) деформации, а также продолжительность пребывания стали в аустенитном состоянии после деформации. Чем ниже температура и больше степень деформации аустенита, тем больше прочность после термомеханической обработки. Существует приблизительно линейная зависимость между упрочнением аустенита при деформации и образовавшегося из него мартенсита. После деформации при относительно высоких температурах, когда деформационное упрочнение аустенита в той или иной мере снимается быстро протекающими процессами разупрочнения, достигается значительно меньшее повышение сопротивления деформации.
В зависимости от требуемого уровня свойств и состава стали температура деформации принимается от 950…900 °С до 500 °С, а степень — от 15…20 % до 90 %. При сравнительно высоких температурах (700.. .950 °С) степень деформации обычно не превышает 30.. .40 %; при повышении скорости деформации, дробности ее и легировании элементами, задерживающими рекристаллизацию, суммарная степень деформации может быть увеличена. Термомеханическая обработка приводит к повышению степени упрочнения по мере повышения степени деформации (обычно принимается степень деформации до 75…90 %). Такой вид обработки приводит к существенному уп — рочненнию материалов.
Рост прочности стали после термомеханической обработки объясняется повышением плотности дислокаций в мартенсите, дроблением его кристаллов на отдельные фрагменты величиной в доли микрометра, разделенные дислокационными границами или скоплениями дислокаций.
Технологические процессы ТМО применяются в машиностроении и металлургии. При этом деформирование выполняется путем прокатки, волочения, выдавливания, выкаткой в ковочных вальцах или штамповкой.
Особенно сильно ТМО сказывается на кратковременных прочностных характеристиках, в меньшей мере — на параметрах длительной высокотемпературной прочности. Однако практически для каждого материала, который может быть подвергнут термомеханической обработке, существует область рабочих температур, где ТМО может быть эффективна и при длительной эксплуатации.
При определенных условиях проявляется так называемый эффект наследования. Он выражается в том, что упрочненная ТМО сталь может быть подвергнута высокому отпуску и затем обычной термической обработке, закалке и отпуску. При этом упрочняющий эффект ТМО частично сохраняется.
Физические причины, определяющие повышение прочности в результате термомеханической обработки, заключаются в том, что те изменения в строении аустенита, которые создаются при его деформации, «наследуются» образующимся при последующей закалке мартенситом.
При деформации аустенита увеличивается плотность дислокаций в нем, кристаллы аустенита дробятся на отдельные фрагменты. В зависимости от температуры деформации формируется та или иная субструктура (внутризеренная структура) аустенита. При относительно низких температурах деформации плотность дислокаций больше; при более высоких температурах—меньше, но их расположение более упорядоченное, и внутри зерен аустенита образуются дислокационные субграницы; при еще более высоких температурах деформации, уже в ходе ее начинается рекристаллизация. Если деформация аустенита осуществляется при
таких температурно-временных условиях, которые приводят к частичной рекристаллизации, но без роста зерен, может быть получено весьма мелкое зерно аустенита (блоки зерен меньше в 2,. .4 раза), а при последующей закалке — соответственно кристаллы мартенсита очень малых размеров. Это приводит к повышению временного сопротивления, предела текучести и понижению критической температуры хрупкости, увеличению пластичности и ударной вязкости.
Процессы разрушения деталей развиваются, как правило, с поверхности и начинаются в наиболее нагруженных участках. Это зоны концентрации напряжений, создаваемые конфигурацией деталей, например, галтели, переходы от одного сечения к другому, различные виды надрезов и др. Выполнение локального упрочнения ТМО может решить проблему значительного повышения прочности.
На рис. 2.25 приведена схема устройства ТМО после скоростного индукционного нагрева ТВЧ поверхностного слоя, подвергаемого затем местной пластической деформации и закалке. Цифрой 1 обозначена обрабатываемая деталь, 2 — нагревательный индуктор, а 3 и 4 — ролики, производящие обжим нагретой зоны. Для предотвращения нагрева роликов в электромагнитном поле индуктора установлен экран 5. Интенсивное охлаждение участков, подвергаемых местной пластической деформации на глубину t, производится при помощи спрейера б.
Наиболее широкое применение при обработке стали в современном машиностроении получила собственно термомеханическая обработка — высокотемпературная (ВТМО) и низкотемпературная (НТМО). Принципиальная схема ВТМО и НТМО представлена на рис. 2.26.
При высокотемпературной ВТМО деформация осуществляется выше температуры
рекристаллизации аустенита. Обычно это температура, которая лежит выше точки Ас3, т. е. сталь деформируют в зоне существования стабильного аустенита. При этом в зернах аустенита формируется развитая полигональная структура, фиксируемая быстрой закалкой (рис. 2.26).
ВТМО закаливающихся сталей проводится по следующей схеме:
— нагрев до температур
1050.. . 1100 °С с целью перевода стали в аустенитное состояние;
— подстуживание до температур несколько выше точки Ас$, (900…950 °С);
— пластическая деформация в этих условиях на 25…40 %;
— закалка в воде или масле;
— низкотемпературный отпуск при температуре 100…200 °С.
При высоких температурах с довольно большой скоростью происходят процессы возврата и полигонизации, контролируемые диффузионными перемещениями атомов основы, легирующих элементов и примесей. Для подавления рекристаллизации, сводящей на нет результаты нагартовки, пластическую деформацию следует производить при возможно более низкой температуре — лишь несколько выше точки Acj, после чего необходимо сразу осуществлять быстрое охлаждение (в некоторых случаях требуется небольшая последе — формационная пауза).
Механические свойства стали, подвергнутой ВТМО, во многом зависят от режимов обработки и последующего отпуска; главным образом от степени деформации и температуры отпуска (табл. 2.9). ВТМО по сравнению с обычной закалкой ведет к получению повышенной прочности при сохранении относительно высокой пластичности (табл. 2.10).
При низкотемпературной НТМО деформация проводится ниже порога рекристаллизации аустенита. Обычно это соответствует температурной области неустойчивого аустенита (метастабильного), т. е.
|
Зависимость механических свойств стали от режимов ВТМО
Таблица 2.10 |
|
Механические свойства стали при закалке и ВТМО
|
ниже точки Аср но выше температуры начала мартенситного превращения (рис. 2.26). Этот метод обработки получил за рубежом наименование «аусформинга».
Сущность низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО) заключается в деформировании (с обжатием 75…95 %) переохлажденного аустенита в области его относительной устойчивости ниже температуры рекристаллизации (при температуре 400…600 °С) с последующей немедленной закалкой на мартенсит и низким отпуском (100…200 °С). Высокую эффективность упрочнения при НТМО можно достигнуть, использовав легированные стали с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в зоне оптимальных температур деформирования. При высокой степени деформирования (є = 75…95 %) происходит дробление зерен аустенита на очень мелкие блоки, размером 1,5…2,0 мкм. Следующая затем закалка приводит к возникновению мелкокристаллического мартенсита.
Аналогичная структура мелкодисперсного мартенсита возникает при проведении поверхностной закалки после скоростного нагрева стали ТВЧ. Механические свойства стали, подвергнутой НТМО, ВТМО и обычной закалке, приведены в табл. 2.11.
Таблица 2.11
|
Механические свойства сталей после закалки, НТМО и ВТМО
|
Из данных таблиц 2.9—2.11 следует, что термомеханическая обработка является весьма эффективным средством повышения прочности деталей. При этом преимуществом НТМО по сравнению с обычной закалкой является достижение более высоких прочностных свойств, а преимуществом ВТМО также и более высокой пластичности.
К числу недостатков методов упрочнения НТМО и ВТМО следует отнести необходимость применения мощного оборудования для обработки давлением. Существенным недостатком является необходимость изготовления деталей в их почти окончательных форме и размерах, так как повышение прочности и твердости стали крайне усложняет последующую механическую обработку, почти полностью исключая резание лезвийным инструментом.
Разработан и используется в машиностроении один из способов термомеханической обработки — высокотемпературная термомеханическая поверхностная обработка (ВТМПО), заключающаяся в нагреве поверхностного слоя детали ТВЧ, обкатке ее роликами и немедленной закалке. В результате такой обработки мартенситное превращение происходит в предварительно деформированном аустените. При этом структура и соответствующие свойства сердцевины детали создаются в результате предварительной термической обработки. ВТМПО наиболее эффективна для деталей (валов, осей, штоков и др.), от которых требуется повышенная контактная выносливость.
Оптимальными условиями осуществления технологической схемы ВТМПО цилиндрических деталей из стали 9Х являются:
— температура нагрева 900…950 °С;
— давление обкатки роликами 650 Н при скорости деформации 180 мм/мин и частоты вращения детали 720 мин”1;
— немедленная закалка в воде с температуры выше Ас3;
— заключительный низкий отпуск при 160..Л80 °С.
При использовании ВТМПО увеличивается контактная усталостная прочность сталей 40, 40Х и 9Х более чем в два раза по сравнению с обычной термической обработкой. Повышается износостойкость деталей. Например, износостойкость стали 40Х в результате ВТМПО повышается по сравнению с обычной поверхностной закалкой в 1,9…2,7 раза (в зависимости от режимов обработки), а износостойкость стали 38ХМ10А — в среднем на 70.„80 %.
В целом все виды термомеханической обработки вызывают значительное повышение плотности дислокаций по сравнению с закалкой. Плотность дислокаций при ТМО повышается с 2-Ю11 до 3,35*10п см2.
На основании изложенного можно сделать вывод, что под ТМО следует понимать процесс, при котором производится пластическая деформация высокотемпературной фазы, претерпевающей полиморфное превращение в наклепанном или частично рекристаллизованном состоянии. Эффект ТМО заключается в суммарном влиянии пластической деформации и полиморфного превращения.
Контрольные вопросы
1. Какие стадии деформационного упрочнения существуют?
2. Как осуществляется процесс пластической деформации?
3. Какие основные параметры характеризуют процесс поверхностной пластической деформации?
4. Как изменяется структура металла в процессе пластической деформации?
7 — 7736
5. Чем определяется выбор метода поверхностной пластической деформации поверхностного слоя деталей?
6. Как влияет усилие накатки и геометрия накатных роликов на поверхностную твёрдость и глубину наклёпа деталей?
7. Как осуществляется процесс упрочнения деталей дробеструйной обработкой?
8. Чем отличается холодная деформация от горячей деформации?
9. В чем заключается сущность термомеханической обработки (ТМО) деталей?
10. Как влияет ТМО на структуру металла?