Автодеформация и ее виды

2 ВИДА РАЗМЕРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ:

-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

-ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ

В технической литературе при рассмотрении остаточных напряжений в процессе термообработки изделий используется такое понятие как автодеформация ( В.Г.Воробъев), под которым следует понимать явление и процесс самопроизвольного (непреднамеренного) изменения формы (размеров) обрабатываемого изделия или объема металла под влиянием внутренних факторов (структурные, термические напряжения, изменение физического состояния металла и т.д.).

Существуют классификации изделий по деформируемости, в которых к основным классификационным факторам относятся:

-общая характеристика формы изделия (разделяют удлиненные; плоскостные и объемные формы);

-сравнительная жесткость внутри одного из указанных классов изделий (в зависимости от соотношения главных размеров разделяют на 5 основных категорий жесткости - классификация В.Г.Воробъева);

-размерная группа.

Технологический смысл критериев жесткости состоит в том, что детали, имеющие одинаковый фактор жесткости, при прочих равных условиях получают одинаковую деформацию.

По геометрическому признаку различают следующие основные виды автодеформации:

1) изменение (увеличение или уменьшение) объема тела сопровождающееся пропорциональным изменением всех размеров; начальная и конечная фигуры сохраняют полное геометрическое подобие; происходящим при этом малым изменением кривизны поверхностей, вследствие изменения их радиусов, обычно можно пренебречь (например: подобные деформации шара, куба, сплошного диска);

2) искажение геометрической фигуры, характеризуемое изменением кривизны элементов фигуры и (или) их относительным угловым смещением, первый параметр применим в равной мере к осям и поверхностям (включая прямолинейные и соответственно плоские, или криволинейные), а второй описывает поворот одной части (или сечения) исходной геометрической фигуры относительно другой.

3) изменение (увеличение или уменьшение) объема тела сопровождающееся пропорциональным изменением всех размеров; начальная и конечная фигуры сохраняют полное геометрическое подобие; происходящим при этом малым изменением кривизны поверхностей, вследствие изменения их радиусов, обычно можно пренебречь (например: подобные деформации шара, куба, сплошного диска);

4) искажение геометрической фигуры, характеризуемое изменением кривизны элементов фигуры и (или) их относительным угловым смещением, первый параметр применим в равной мере к осям и поверхностям (включая прямолинейные и соответственно плоские, или криволинейные), а второй описывает поворот одной части (или сечения) исходной геометрической фигуры относительно другой.

Возникновение возможных деформаций изделий при их термической обработке должно учитываться еще на стадии конструирования и поэтому для конструкторов существует целый ряд рекомендаций, позволяющих повысить технологичность операций обработки деталей и их качество.

Вероятные причины автодеформации при термической обработке.

Причинами деформации могут быть высокие напряжения, изменения удельного объема сплава и физическое состояние материала, обусловливающее его податливость деформации в момент превращения. Последние играют важную роль в механизме деформации во время термической обработки.

При качественной оценке характера деформации целесообразно учитывать следующее правило: все факторы, обусловливающее увеличение объема участка металла монолитной детали (нагрев; фазовые превращения, идущие с увеличением удельного объема), вызывают в нем сжимающие напряжения, а в остальной массе металла, сохранившей к этому моменту меньший удельный объем и сдерживающей расширение первой, соответственно – растягивающие напряжения – и обратно.

Существенный уровень напряжений, возникающих при закалке стали, может вызываться следующими причинами:

- термическими напряжениями в результате неравномерного нагрева и охлаждения изделия (напряжения 1-го рода);

- термическими напряжениями в результате наличия градиента температуры в самом изделии (напряжения 1-го рода, см.табл. 3);

- структурными напряжениями, возникающими в результате превращений, сопровождающихся изменением объема (напряжения 1-го рода, см.табл.3);

- структурными напряжениями, обусловленными расширением и искажением кристаллической решетки, например, за счет принудительного растворения углерода в ячейках решетки при образовании мартенсита или за счет выделений частиц вторичной фазы из пересыщенного (насыщенного) твердого раствора при старении, отпуске в процессе достижения частицами критического размера (напряжения 2-го рода, см.табл. 4).

Таблица 4 -Результаты рентгеноструктурного исследования стали 15ХСНД толщиной 20мм после различных режимов термической обработки

Режим термической обработки	Уровень микродефор-маций,х 10^-3	Плотность дислокаций, r, х10^10, см^-2
Термическое упрочн.(ТУ) в горячей воде (³90^0С)	0,27	1,94
ТУ+ отпуск 300^0С	0,60	4,98
ТУ+ отпуск 400^0С	0,37	1,89
ТУ+ отпуск 500^0С	0,29	1,21
ТУ+ отпуск 600^0С	-	0,90
ТУ+ отпуск 700^0С	-	0,65

Известно, что при отпуске закаленной стали происходит распад мартенсита и образование частиц карбидов (цементита при температурах ≥250-260⁰С и специальных карбидов при температурах ≥500⁰С) – явления дисперсионного твердения и вторичной твердости. Уровень напряжений в металле с мартенситной структурой в процессе отпуска при достижении частицами вторичной фазы критического размера и потери когерентности с матрицей резко увеличивается. Аналогичная картина процесса карбидообразования наблюдается и в сталях, имеющих структуру: бейнита, феррито-бейнитную или феррито-мартенситную (данные табл.4 для стали с Ф+Б структурой после термического упрочнения).

Исследования показали, что и в малоуглеродистых низколегированных сталях, имеющих после термического упрочнения феррито-бейнитную или бейнитную структуру при последующем отпуске в интервале температур примерно 260-350⁰С происходит существенное увеличение напряжений 2 родя (см.табл.4) из-за выделения частиц вторичной фазы – цементита. В таблице 4 приведены значения микродеформаций (напряжений 2 и 3 рода) и плотности дислокаций, определенных в стали 15ХСНД с феррито-бейнитной структурой методом рентгеноструктурного анализа после термического упрочнения и последующего отпуска при разных температурах.

Из приведенных экспериментальных данных наглядно видно, что при нагреве термически упрочненной стали с феррито-бейнитной структурой до 300⁰С происходит повышение уровня микродеформаций и плотности дислокаций по сравнению с другими режимами обработки металла. При нагреве термоупрочненного металла до температур 500⁰С и выше уровень напряжений (микродеформаций), определяемый рентгеноструктурным методом, уже не фиксируется.

При рихтовке термически упрочненных металлоизделий к этому добавляются деформационные напряжения 1-го рода. Кроме того, при наличии фаз с различным коэффициентом теплового расширения возникают обусловленные температурой напряжения 2-го рода; напряжения 2-го рода возникают также при деформации, обусловленной анизотропией пластического течения металла.

При одинаковом или сравнимом внешнем воздействии остаточные напряжения обнаруживают зависимость от свойств материала: понижаются с уменьшением коэффициента усадки при затвердевании расплавленного металла, модуля упругости, предела текучести, коэффициента линейного расширения, в особенности в температурном интервале перехода от пластической деформации к упругой. Эти напряжения понижаются также с увеличением структурной однородности по сечению детали, с уменьшением релаксационной стойкости, теплостойкости, температуры рекристаллизации, и с уменьшением различия в удельных объемах твердого раствора и вновь образующихся или выделяющихся из него при охлаждении вторичных фаз.

Влияние остаточных напряжений может проявляться также при хранении изделия в изотермических условиях, без нагрузки. При эксплуатационном нагружении изделия, его размерные изменения протекают под действием суммарного поля напряжений – остаточных и возбуждаемых внешними силами, - включая изменение температурного режима. При этом важны соотношения между пиковыми величинами и знаками остаточных (а также суммы: остаточные+действующие) напряжений и прочностными свойствами материала, в том числе – сопротивлением малым пластическим деформациям. Повышение прочностных свойств может быть одним из путей обеспечения постоянства размеров изделий, в т.ч. и прецизионных.

Трудность сохранения постоянства размеров детали при высоких остаточных напряжениях, помимо возможных формоизменений при релаксации, обнаруживается сильнее, если их равновесие в металле нарушается операциями механической обработки детали (поэтому после предварительной и финишной механической обработки рекомендуется подвергать детали термообработке).

В отличие от напряжений, вызванных действием внешних нагрузок и исчезающих при снятии с детали нагрузки, остаточные внутренние напряжения, после того как они однажды возникли в материале детали, могут быть устранены только в результате пластической деформации.

Для устранения нежелательных остаточных (внутренних) напряжений и особенно пиковых напряжений, необходимо разрабатывать конструкции, которые мало подвержены короблению и возникновению этих напряжений; с этой целью следует умело выбирать и сочетать методы обработки и их параметры. Поскольку, несмотря на все усилия, нельзя изготовить деталь без остаточных (внутренних) напряжений, после отдельных процессов обработки, чтобы уменьшить напряжения для обеспечения качества и надежности детали, применяют специальный нагрев, так называемый отжиг для снятия напряжений.Полное снятие напряжений с помощью термообработки принципиально невозможно. Более того, даже принципиально возможный минимум остаточных напряжений в реальных условиях производства обычно не достигается, так как требуемая для этого предельно малая скорость охлаждения не может быть реализована по соображениям получения в металле определенного типа структуры и свойств. Поэтому в технической литературе существует тезис, что снижение всех остаточных (внутренних) напряжений ниже 50 Н/мм² является достаточным.

Глава 4. Влияние отпуска на уровень остаточных напряжений

Закалка стальных металлоизделий (особенно с полиморфными превращениями) приводит к существенному увеличению дефектности кристаллической решетки, уровня остаточных напряжений (термических и структурных), получению метастабильных структурных состояний, что требует проведения после закалки отпуска. В процессе отпуска в закаленном металле протекают следующие основные процессы, влияющие на уровень остаточных напряжений, коробление, деформацию и растрескивание металла изделий:

1-релаксация остаточных напряжений, которая зависит от температуры нагрева, скорости и равномерности нагрева, времени выдержки, от степени метастабильности структуры в закаленном металле, способа закалки, отпуска и др.;

2-выделение углерода (азота) из твердого раствора с образованием частиц вторичной фазы, их ростом до критического размера, потери когерентности и дальнейшей коагуляции и сфероидизации частиц;

3-распад остаточного аустенита;

Повышение температуры отпуска приводит к увеличению диффузионных процессов и возрастанию пластичности. На рис.12 приведены значения уровня остаточных напряжений в стали с 0,3% углерода при отпуске в течение 1,5 часа при разных температурах.

1 -осевые напряжения; 2 -окружные; 3 -радиальные.

Рис.12 - Влияние температуры отпуска на уровень остаточных напряжений (Нахимов Д.М.).

Предварительно цилиндрические образцы диаметром 50мм были нагреты до 600⁰С и охлаждены в воде (образовались термические напряжения). При температурах»250-450⁰С интенсивность изменения уровня остаточных напряжений уменьшается, что связано с процессами образования частиц вторичной фазы (цементита), их ростом до критического размера, потери когерентности их с матрицей.

На рис.13 приведены данные по влиянию длительности отпуска при разных температурах на уровень остаточных напряжений.

Рис.13 -Влияние продолжительности отпуска при различных температурах на уровень осевых напряжений (Бюлер и др.)

Интенсивность снижения уровня остаточных напряжений в металле деталей существенно зависит от состояния металла перед отпуском. На рис.14 приведены данные об изменении напряжений в кольцевых образцах из Cr-Ni-Mo стали с различным структурным состоянием (определяется предварительной обработкой) при отпуске в течение 2 часов при разных температурах.

Сплошная линия (¾) -предварительный режим обработки - закалка и отпуск при 180⁰С (HRC=49-51); Пунктирная линия (-- --) - закалка и отпуск при 650⁰С (HRC =30);.

Рис.14 - Снижение уровня напряжений при нагреве образцов с различным структурным состоянием (Нахимов Д.М.).

Образцы с различным структурным состоянием (после закалки и отпуска при 180⁰С и после закалки и отпуска при 650⁰С) подвергались операции механического нагружения для введения в металл примерно одинакового уровня напряжений. Для этого в зазор кольцевых образцов вводился клин с расчетом, что на всех образцах при этом создавались напряжения»500 Мпа (50 кг\мм²).

Результаты исследований показывают (рис.14 и 15), что интенсивность снижения уровня напряжений в кольцевых образцах увеличивается с повышением степени метастабильности исходного структурного состояния – в стали после закалки и низкого отпуска (180⁰С) степень метастабильности структуры существенно более высокая по сравнению с структурой сорбита отпуска. При этом наблюдается большое различие не только в интенсивности снижения напряжений, но и в уровне остаточных (в металле после отпуска) напряжений в зависимости от температуры и длительности отпуска (рис.15).

Зависимость пластической деформации некоторых сталей от температуры и длительности отпуска под нагрузкой показывает, что температура отпуска влияет значительно сильнее, чем выдержка. При этом следует отметить, что значительная часть пластического эффекта реализуется уже во время прогрева, и затем, в первые минуты выдержки при отпуске.

Сплошная линия (¾) -предварительный режим обработки- закалка и отпуск при 180⁰С (HRC=49-51); Пунктирная линия (-- --) - закалка и отпуск при 650⁰С (HRC =30);.

Рис. 15 –Влияние продолжительности нагрева при 250, 300 и 450⁰С на снижение уровня напряжений в кольцевых образцах

(НахимовД.М.).

Для сталей с повышенным содержанием остаточного аустенита после закалки в практике используют многократные отпуска в связи с тем, что распад А_ост протекает стадийно и на каждой стадии его распада в структуру мартенсита или бейнита уровень напряжений в металле повышается. Поэтому многократный отпуск предназначен как для перевода А_ост во вторичную структуру, так и для снижения уровня остаточных напряжений на каждой стадии его проведения.

При производстве инструмента, например, режущего, могут производить правку в процессе закалки, после закалки, при отпуске или после отпуска. Часто производят дополнительный отпуск для уменьшения уровня остаточных напряжений после финишной шлифовки или правки, но при этом температура отпуска должна быть ниже финишного отпуска после закалки.

Глава 5. Мероприятия, используемые на практике для уменьшения степени коробления и деформации металлоизделий. Явление сверхпластичности металлов и сплавов, обусловленное

Дата добавления: 2014-10-23