Упрочнение давлением
Картинка Onlyyouqj, Freepik
В массовом сознании распространён стереотип, что упрочнение металлов возможно только с применением некой закалки («ну да, в воду или в масло вроде как окунают, и металл повышает свою прочность»). Особенно это мнение распространено среди людей, не имевших дела с процессами обработки металлов. Тем не менее, существует ещё один интересный вариант упрочнения, который позволяет увеличить механическую прочность металлов даже без применения закалки! Об этом и поговорим ниже…
Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!
Сразу оговоримся, что возможностей упрочнения металлов существует некоторое количество, и они не ограничиваются только закалкой окунанием или остужением на воздухе, а также описанным ниже способом. Возможны и химические способы, среди которых можно назвать цементацию (насыщение поверхностного слоя углеродом) и азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом) — они используются для увеличения твёрдости и износоустойчивости.
Причём зачастую эти химические способы применяются для того, чтобы исключить закаливание детали и сохранить её вязкую сердцевину, придав, однако, повышенную прочность её поверхности. Такой подход позволяет увеличить надёжность детали, так как благодаря своей вязкой сердцевине она сохраняет гибкость и не переламывается при нагрузках, в то же время, оставаясь износоустойчивой.
Широко известный пример такого подхода — впускные и выпускные клапаны двигателей автомобилей. Благодаря своей поверхностной прочности, они остаются достаточно износоустойчивыми, но, в то же время, могут легко согнуться при обрыве ремня газораспределительного механизма, когда, к несчастью водителя, «и встретятся поршни с клапанами» :-)
Однако мы рассмотрим ещё один — исключительно механический способ.
Почему вообще возник интерес к этой теме: в свою бытность, когда я делал в качестве хобби самодельный воздушный компрессор на более чем 400 бар, пришлось столкнуться со спонтанным упрочнением поверхности цилиндра высокого давления, после чего механическая его обработка стала весьма затруднительной и в нём стал застревать инструмент и скользить свёрла, и, соответственно, именно тогда и возник интерес к этому явлению.
▍ Небольшой исторический экскурс
Тысячи лет назад, с возникновением и развитием металлурги, у людей появилась новая возможность получать качественно лучший инструментарий для жизни, и именно металл стал одним из самых важных факторов, двигающих технический процесс развития цивилизации. Деревянные, костяные и каменные орудия труда постепенно сменились медными и бронзовыми, которые хоть и оказали существенное влияние на развитие цивилизации, но только с появлением способа выплавки железа из руды произошёл настоящий скачок в развитии.
Исторический процесс совершенствования технологий металлургии тесно связан со способами обработки металлов, важнейшим из которых является обработка давлением. Самым первым способом обработки, который возник в момент перехода от каменного века к бронзовому, является ковка. С её применением начали обрабатывать медь в виде самородков ещё в тот период, когда люди не были знакомы с технологией её целенаправленной выплавки из руды. Именно ковка была тем самым единственным способом обработки, который позволил древним металлургам повышать прочность металла с помощью её «нагартовки».
Нагартовка — механический способ обработки металла, при котором он подвергается холодной пластической деформации, что приводит к изменению его свойств, заключающихся в увеличении прочности, твёрдости и предела текучести.
С развитием металлургии совершенствовались и способы обработки давлением, на основе которых создавались разнообразные молоты, волочильные станки, штамповочные машины, чеканочные аппараты и другие механизмы.
В настоящее время подавляющее количество металлической продукции, использующейся цивилизацией, изготавливается именно с использованием обработки металлов давлением: прокатка, ковка, штамповка, волочение, прессование, чеканка.
Обработка давлением литого металла улучшает его структуру, повышает прочность и долговечность изделий из него.
Кроме придания свойств попутного упрочнения, обработка давлением имеет преимущества, например, перед обработкой резанием, так как даёт меньше отходов, а также позволяет сразу получать конечное изделие требуемой формы и размеров.
▍ Теория процесса
Твёрдые физические тела характеризуются большой силой взаимодействия между составляющими их атомами, что позволяет им успешно противостоять силе тяжести и сохранять свою форму и физические размеры. Если же приложить к такому телу внешнее усилие, то это приведёт к изменению его формы и размеров.
При этом если подобные изменения, обусловленные воздействием внешних сил, исчезают после окончания их действия, а физическое тело восстанавливает свою форму и размеры, то подобная деформация называется упругой.
Если же после прекращения внешнего воздействия тело не восстанавливает свою исходную форму и размеры, то подобная деформация называется пластической.
Оба названных вида деформации протекают без разрушения физического тела как целиком, так и отдельных его частей.
Свойство твёрдых тел подвергаться подобным деформациям называется пластичностью, которую можно охарактеризовать как максимальную величину пластической деформации, которой может быть подвергнуто тело без его физического разрушения.
Тела состоят из атомов, и расстояние между атомами твёрдого тела определяется силовым взаимодействием между ними. Принято считать, что действующие между атомами силы притягивания и отталкивания взаимно уравновешивают друг друга на определённом расстоянии, и на этом расстоянии и располагаются атомы.
От того, насколько упорядоченно расположены атомы в твёрдом теле, различают аморфные тела и кристаллические тела, где кристаллическое строение подразумевает одинаковое по расстоянию расположение атомов между собой, а аморфное — отсутствие подобной упорядоченности.
Деформация твёрдых тел подразумевает смещение атомов, где упругая деформация подразумевает смещение атомов на расстояние, не превышающее их расстояния между соседними атомами, при этом происходит последующий возврат в предыдущее положение. К примеру, упругая деформация возникает, если приложить давление в 100 кгс/мм2, и для стали составляет порядка 0,6%, а для меди — 1,3%.
Интересным следствием здесь является то, что если твёрдое тело нагружено и воспринимает внешнее давление, то в этом состоянии атомы твёрдого тела всегда смещены из своего состояния покоя.
Любые металлы и сплавы из них на атомарном уровне представлены кристаллической решёткой, где трёхмерное расположение атомов в пространстве характеризуется равными расстояниями между ними:
Картинка: М.В. Сторожев, Е.А. Попов — «Теория обработки металлов давлением»
Процесс застывания расплавленного металла (как одного типа, так и сплавов) характеризуется кристаллизацией, и отличается этот процесс тем, что одновременно протекает во множестве центров кристаллизации, поэтому можно сказать, что с технической точки зрения металл представляет собой не единый кристалл с единым упорядочением атомов по всему объёму металла, а так называемый конгломерат зёрен, где в каждом зерне наблюдается своя упорядоченность атомов. Форма, размеры и направления кристаллографических осей зёрен зависят от условий кристаллизации и дальнейшей обработки.
Тем не менее, в настоящий момент существуют способы получать и монокристаллы металлов, причём настолько большого размера, что из них можно изготавливать целые изделия (например, лопатки турбин, насколько мне известно). Подобное строение металла придаёт ему повышенные прочностные характеристики.
Холодная пластическая деформация монокристалла (более простой случай) может осуществляться двумя способами: скольжением и двойникованием.
Скольжение является смещением тонких слоёв кристалла относительно друг друга, осуществляющихся параллельно.
Двойникование является смещением атомов, которые располагаются в плоскостях, параллельных некоторой плоскости, которая носит название плоскости двойникования.
Смещение осуществляется на расстояния, пропорциональные расстоянию этих плоскостей от плоскости двойникования.
А — скольжение, б — двойникование. Источник: edu.tltsu.ru
Если же осуществляется деформация поликристалла (более сложный случай), то деформация складывается как из смещения зёрен относительно друг друга, так и из смещения атомов внутри этих зёрен.
Для объяснения ряда наблюдаемых эффектов учёными была предложена так называемая теория дислокаций, которая описывает наличие своеобразных зон нарушений закономерности расположения атомов в составе решётки монокристалла. Это подразумевает, что при деформациях происходит смещение не всех атомов одной плоскости относительно другой, а смещение групп атомов, находящихся в этой плоскости, осуществляющееся последовательно.
Дислокации принято подразделять на 2 вида: краевые — когда с одной стороны плоскости, по которой осуществляется скольжение, перпендикулярных атомных плоскостей больше, чем с другой:
Картинка: М.В. Сторожев, Е.А. Попов — «Теория обработки металлов давлением»
И винтовые, где кристаллографические плоскости, перпендикулярные плоскости, по которым осуществляется скольжение, изгибаются в процессе деформации:
Картинка: М.В. Сторожев, Е.А. Попов — «Теория обработки металлов давлением»
▍ Возникновение эффекта повышения прочности при пластической деформации
По мере увеличения степени деформации увеличиваются все показатели, характеризующие сопротивление деформированию: предел упругости, текучести, прочности. Кроме того, увеличивается и твёрдость металла.
Этот процесс параллельно сопровождается уменьшением пластичности (удлинение, сужение, ударная вязкость). Кроме того происходит увеличение электрического сопротивления, уменьшается степень сопротивления коррозии, происходит изменение свойств ферромагнитных металлов и т. д.
Природа наблюдаемого явления упрочнения до конца точно не выяснена, но существует ряд предположений.
Предполагается, что увеличение прочностных характеристик металлов связано в основном с сопротивлением смещению со стороны дислокаций (как уже было сказано выше, групп атомов, смещающихся в виде групп и находящихся на одной плоскости).
При этом, по предположениям, одной из причин увеличения прочности являются места, где дислокации смещаются по плоскостям, пересекающимся друг с другом. Это приводит к их застреванию и последующему накоплению около них дислокаций с одинаковым знаком.
Кроме того, учёные полагают, что наблюдаемый эффект упрочнения является следствием не только того, что дислокации сопротивляются своему смещению, но и того, что при смещении происходит блокообразование, искривление плоскостей, по которым смещаются дислокации и возникают обломки кристаллов.
Также рядом учёных было выявлено, что если происходит силовое воздействие на сплавы, представляющие собой соединение метастабильных составляющих, то фазовые переходы этих составляющих также могут влиять на прочность.
Например, было выявлено, что у одного из типов стали в процессе пластической деформации на плоскостях скольжения выделяются микроскопические частицы карбидов, которые как микроклинья мешают скольжению плоскостей; в другом же случае, также касающемся стали, наблюдался переход аустенита в мартенсит по плоскостям скольжения.
Примерно аналогичное было выявлено и в процессе рентгенографического исследования деформации меди в алюминии, где наблюдался распад состава с выделением дисперсных частиц по плоскостям скольжения.
Причиной подобного выделения частиц и разложения метастабильных составов является резкое локальное повышение температуры в зонах смещения групп атомов относительно друг друга.
То есть в общем случае принято считать, что чем больше степень деформации (в известных пределах), тем больше изменяются и характеристики металла. Или, если сказать по-другому, энергия, затраченная на деформацию, расходуется на формирование дефектов кристаллической решётки. При этом происходит запасание 5–10% этой энергии, а плотность дислокаций атомов возрастает.
Перед проведением упрочняющей деформации (если делать всё «по науке») можно воспользоваться справочниками, где приведена информация в виде таблиц и соответствующих им графиков, где для разных металлов указано, насколько их надо деформировать для получения требуемой прочности (кликабельно):
Картинка: А.В. Третьяков, В.И. Зюзин — «Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением»
Пример графиков для металлов из таблицы (кликабельно):
Картинка: А.В. Третьяков, В.И. Зюзин — «Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением»
Либо же, можно осуществлять её интуитивно, если к результату не предъявлять каких-то особых требований. Например, в моём случае, как я уже писал выше, для создания ступени высокого давления воздушного компрессора на более чем 400 бар осуществлялось продавливание сквозь бронзовый цилиндр, в котором было сквозное отверстие, — шарикоподшипника чуть большего диаметра, чем проходное сечение канала, смазывая в процессе большим количеством машинного масла. Продавливание осуществлялось с помощью автомобильного домкрата и полированного стального штока. После подобного действия внутренний канал цилиндра приобрёл зеркальный вид и не царапался даже иглой (хотя и без особого рвения, т. к. для канала и этого уже было более чем достаточно):
Обычно применяют более малый перепад диаметров, но и такой сработал в моём случае вполне неплохо.
Кстати сказать, именно на этом эффекте основывается применявшаяся издревле на селе так называемая отбивка косы, когда узкая её режущая кромка обстукивается молотком на небольшой наковаленке, что увеличивает её прочность, так как ударное воздействие, как мы уже узнали, изменяет структуру металла:
Подытоживая, можно сказать, что упрочнение с помощью давления является исторически самым первым способом работы человека над металлом, и он не потерял свою актуальность даже по сей день, оставаясь одним из основных способов обработки.
▍ Список использованной литературы
- Ламан Н.К. — «Развитие техники обработки металлов давлением».
- М.В. Сторожев, Е.А. Попов — «Теория обработки металлов давлением».
- А.В. Третьяков, В.И. Зюзин — «Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением».
Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх
