Обработки на свойства конструкционных материалов

Термическая обработка заключается в нагреве материалов до определённых температур, выдержке их при этих температурах и последующем охлаждении с различной скоростью с целью изменения их структуры и свойств в нужном направлении. Основными видами термообработки являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск, улучшение, искусственное старение, термомеханическая обработка. Конкретные подвиды и режимы термообработки подробно рассматриваются в металловедении и поэтому в курсе ТКМ не излагаются.

Отжиг устраняет химическую, физическую и структурную неоднородность (ликвацию), снимает остаточные напряжения, сильно снижает пределы прочности и текучести, а также твёрдость, сильно повышает пластичность и ударную вязкость, улучшает ковкость и обрабатываемость.

Нормализация устраняет крупнозернистую структуру (измельчает зерно) и даёт повышение пределов прочности и текучести, твёрдости, пластичности, ударной вязкости и хладостойкости.

Закалка повышает пределы прочности и текучести, а также твёрдость и износостойкость, но снижает пластичность.

Отпуск является сопутствующей операцией после закалки и применяется для снятия остаточных напряжений и повышения пластичности, ударной вязкости и предела выносливости без существенного снижения прочности, твёрдости и износостойкости закалённого материала.

Улучшение по сравнению с отжигом и нормализацией одновременно повышает пределы прочности, текучести и выносливости, а также пластичность, ударную вязкость, хладостойкость и обрабатываемость. Однако износостойкость улучшенной стали не является высокой из-за её пониженной твёрдости по сравнению со сталью, закалённой и отпущенной при более низких температурах.

Искусственное старение уменьшает остаточные напряжения, пластичность и ударную вязкость, и одновременно увеличивает прочность и твёрдость. Его применяют при изготовлении изделий, изменение формы и размеров которых в процессе эксплуатации недопустимо (станин станков, оснований измерительных приборов и т.п.).

Термомеханическая обработка позволяет получить сочетание очень высоких пределов прочности и пластичности (в 1,5 раза выше, чем достижимые при обычной закалке с низким отпуском) с хорошей пластичностью (в 2 раза выше, чем достижимой при обычной закалке с низким отпуском), ударной вязкостью и хладостойкостью.

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение материалов нужным элементом при определённой температуре. Это насыщение обычно производится на глубину порядка 0,1–1 мм. В отличие от термической обработки химико-термическая обработка меняет не только структуру, но и химический состав поверхностного слоя, что позволяет в более широких пределах изменять его свойства. Следует указать, что для ещё большего усиления химико-термическая обработка часто дополняется последующей термической обработкой.

Перечислим основные виды химико-термической обработки стали.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Цементация значительно повышает твёрдость, прочность, усталостную прочность и износостойкость поверхностного слоя стали. Если, например, твёрдость углеродистой стали до цементации составляет HRC 20, то после цементации она достигает HRC 60–64 (HV 700–800).

Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом. Азотирование сильно повышает твёрдость, прочность, усталостную прочность, износостойкость и коррозионную стойкость поверхностного слоя стали. Твёрдость азотированного слоя (HRC 72 или HV 1200) заметно выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве стали до высоких температур (550°С), тогда как твёрдость цементованного слоя сохраняется только до 200°С. Предел выносливости гладких образцов возрастает на 40%, а при наличии концентраторов напряжений (острых надрезов) более чем на 100%.

Цианированием или нитроцементацией называется процесс одновременного насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом. По сравнению с цементацией цианирование требует меньшего времени и даёт более высокую твёрдость (HRC 69 или HV 1000), износостойкость, усталостную прочность и коррозионную стойкость.

Карбонитрированием называется низкотемпературная нитроцементация (твёрдость HRC 71 или HV 1100). Карбонитрирование рекомендовано в качестве замены азотирования и сохраняет все его положительные свойства.

Металлизацией называется насыщение поверхностного слоя стали металлами и близкими к ним элементами. Металлизацией достигают высокой твёрдости, износостойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности стали.

Перечислим основные виды металлизации.

Алитированием (алюминированием) называется насыщение поверхностного слоя стали алюминием. Алитирование сильно повышает жаростойкость (до 900°С) и коррозионную стойкость.

Никелированием называется насыщение поверхностного слоя стали никелем. Никелирование повышает твёрдость, коррозионную стойкость и износостойкость, а также служит защитно-декоративным целям.

Хромированием называется насыщение поверхностного слоя стали хромом. Хромирование сильно повышает твёрдость (HRC 73 или HV 1300), прочность, усталостную прочность, износостойкость, жаростойкость (до 800°С) и коррозионную стойкость.

Силицированием называется насыщение поверхностного слоя стали кремнием. Силицирование сильно повышает коррозионную стойкость, жаростойкость и менее сильно износостойкость.

Борированием называется насыщение поверхностного слоя стали бором. Борирование создаёт исключительно высокую твёрдость (HRC 80 или HV 1800–2000), износостойкость и коррозионную стойкость.