Закалка (металлургия)

Закалка – это металлургический процесс обработки металлов , используемый для повышения твердости металла. Твердость металла прямо пропорциональна одноосному пределу текучести в месте приложенной деформации. Более твердый металл будет иметь более высокую устойчивость к пластической деформации, чем менее твердый металл.

Процессы

Пять процессов закалки:

• Метод Холла-Петча , или упрочнение границ зерен, заключается в получении мелких зерен. Меньшие зерна увеличивают вероятность того, что дислокации врезаются в границы зерен на более коротких расстояниях, которые являются очень сильными дислокационными барьерами. Как правило, меньший размер зерна делает материал более твердым. Однако когда размер зерна приближается к субмикронным размерам, некоторые материалы могут стать мягче. Это просто эффект другого механизма деформации, который становится более легким, а именно скольжения по границам зерен. На этом этапе все механизмы упрочнения, связанные с дислокациями, становятся неактуальными.
• При деформационном упрочнении (также называемом деформационным упрочнением) материал подвергается деформации, превышающей предел текучести, например, при холодной обработке . Пластичный металл становится тверже и прочнее по мере его физической деформации. Пластическая деформация порождает новые дислокации. По мере увеличения плотности дислокаций дальнейшее движение дислокаций становится более затруднительным, поскольку они мешают друг другу, а значит, увеличивается твердость материала.
• При упрочнении твердым раствором к упрочняемому материалу добавляется растворимый легирующий элемент, и вместе они образуют «твердый раствор». Твердый раствор можно рассматривать как «обычный» жидкий раствор, например соль в воде, за исключением того, что он твердый. В зависимости от размера иона растворенного легирующего элемента по сравнению с ионом основного металла он растворяется либо замещением (крупный легирующий элемент заменяет атом в кристалле), либо межузельным (малый легирующий элемент занимает место между атомами в кристалле). решетка). В обоих случаях разница в размерах инородных элементов заставляет их действовать как песчинки в наждачной бумаге, сопротивляясь дислокациям, которые пытаются проскользнуть мимо, что приводит к более высокой прочности материала. При твердении на раствор легирующий элемент не выделяется из раствора.
• Дисперсионное упрочнение (также называемое старением ) — это процесс, при котором вторая фаза, которая начинается в твердом растворе с основным металлом, выделяется из раствора вместе с металлом по мере его закалки, в результате чего частицы этой фазы распределяются повсюду, чтобы вызвать сопротивление дислокациям скольжения. . Это достигается путем сначала нагревания металла до температуры, при которой элементы, образующие частицы, растворимы, а затем его закалки, улавливая их в твердом растворе. Если бы это был жидкий раствор, элементы образовывали бы осадки, точно так же, как перенасыщенная соленая вода выделяла бы маленькие кристаллы соли, но диффузия атомов в твердом теле происходит очень медленно при комнатной температуре. Затем для старения материала требуется вторая термообработка при подходящей температуре. Повышенная температура позволяет растворенным элементам диффундировать гораздо быстрее и образовывать желаемые осажденные частицы. Закалка необходима, поскольку в противном случае материал начал бы осаждаться уже во время медленного охлаждения. Этот тип осаждения приводит к образованию небольшого количества крупных частиц вместо обычно желательного обилия мелких осадков. Дисперсионная закалка — один из наиболее распространенных методов упрочнения металлических сплавов.
• Мартенситное превращение , более известное как закалка и отпуск , представляет собой механизм закалки, специфичный для стали. Сталь должна быть нагрета до температуры, при которой фаза железа переходит из феррита в аустенит, т.е. меняет кристаллическую структуру с ОЦК ( объемноцентрированной кубической ) на ГЦК ( гранецентрированную кубическую ). В аустенитной форме сталь может растворять гораздо больше углерода. После растворения углерода материал закаливают. Важно проводить закалку с высокой скоростью охлаждения, чтобы углерод не успел образовать выделения карбидов. Когда температура достаточно низкая, сталь пытается вернуться к низкотемпературной кристаллической структуре BCC. Это изменение происходит очень быстро, поскольку оно не зависит от диффузии и называется мартенситным превращением. Из-за чрезмерного перенасыщения углеродом в твердом растворе кристаллическая решетка вместо этого становится BCT ( тетрагональной объемно-центрированной ). Эта фаза называется мартенситом и чрезвычайно тверда из-за комбинированного эффекта искаженной кристаллической структуры и чрезмерного упрочнения твердого раствора, оба механизма которых противодействуют дислокации скольжения.

Все механизмы упрочнения приводят к появлению дефектов кристаллической решетки, которые действуют как барьеры для скольжения дислокаций.

Приложения

Закалка материала требуется во многих случаях:

• Чтобы быть эффективными, режущие инструменты (сверла, метчики, токарные инструменты) должны быть намного тверже материала, с которым они работают.
• Лезвия ножей – лезвие высокой твердости сохраняет остроту лезвия.
• Подшипники – необходимо иметь очень твердую поверхность, способную выдерживать постоянные нагрузки.
• Бронирование. Высокая прочность чрезвычайно важна как для пуленепробиваемых листов, так и для тяжелых контейнеров для горнодобывающей промышленности и строительства.
• Защита от усталости. Мартенситная цементация может значительно увеличить срок службы механических компонентов при многократной нагрузке/разгрузке, таких как оси и зубчатые колеса.