Способы упрочнения металлов и сплавов

СОДЕРЖАНИЕ
Техническая и теоретическая прочность металлических материалов.
Металлы и сплавы с бездефектной структурой, с повышенной плотностью дефектов.
Деформационное упрочнение, твердорастворное упрочнение, дисперсное и зернограничное упрочнение.
Измельчение зерна.

СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ СПЛАВОВ.
Наклёп – упрочнение металлов и сплавов в результате измельчения зерна при холодной пластической деформации. Перекристаллизация – упрочнение в результате измельчения зерна при полиморфном
превращении. Дисперсионное твердение – упрочнение сплавов в результате выделения мелких частиц второй фазы из пересыщенного твёрдого раствора.

ОДНИМ ИЗ ШИРОКО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРОИЗВОДСТВЕ МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ЯВЛЯЕТСЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, ЕЕ СТЕПЕНЬ И СПОСОБЫ НЕВЕРОЯТНО ВЕЛИКИ И РАЗНООБРАЗНЫ! ЭТО ТАК НАЗЫВАЕМАЯ ХОЛОДНАЯ ПРОКАТКА ЛИСТОВОЙ СТАЛИ, ВОЛОЧЕНИЕ ПРОВОЛОКИ, РАЗЛИЧНЫЕ СПОСОБЫ ПЕСКОСТРУЙНОЙ И ДРОБЕСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ, НАКЛЕП РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗАКАЛЕННЫМИ ШАРИКАМИ, НАКЛЕП РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ОКОНЧАТЕЛЬНО ОБРАБОТАННЫХ ШЕЕК ВАЛОВ ЗАКАЛЕННЫМИ РОЛИКАМИ, НАКЛЕП РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ШТАМПОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЩЕТКАМИ. ЭТИ СПОСОБЫ СУЩЕСТВЕННО УВЕЛИЧИВАЮТ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ.
Другим способом упрочнения металлов является легирование (для изготовления оружия и домашней утвари)

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
ТЕХНИЧЕСКАЯ (РЕАЛЬНАЯ) ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ В 10-1000 РАЗ МЕНЬШЕ, ЧЕМ ИХ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ, ОПРЕДЕЛЯЕМАЯ СИЛАМИ МЕЖАТОМНОГО СЦЕПЛЕНИЯ. НАПРИМЕР, ДЛЯ ЖЕЛЕЗА ТЕОРЕТИЧЕСКИ ВЫЧИСЛЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТРЫВУ SОТ = 2100 КГС/ММ2 .
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ЖЕЛЕЗА: SОТ = 70 КГС/ММ2 , ΣВ = 30 КГС/ММ2 . ТАКОЕ БОЛЬШОЕ РАЗЛИЧИЕ ОБЪЯСНЯЕТСЯ ТЕМ, ЧТО ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ СООТВЕТСТВУЕТ ИДЕАЛЬНОЙ БЕЗДЕФЕКТНОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ МЕТАЛЛА.
В РЕАЛЬНЫХ МЕТАЛЛАХ ВСЕГДА ИМЕЮТСЯ ДИСЛОКАЦИИ И ДРУГИЕ ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ, ВКЛЮЧЕНИЯ, МИКРОТРЕЩИНЫ И Т. П., ПОНИЖАЮЩИЕ ПРОЧНОСТЬ И ИНИЦИИРУЮЩИЕ РАЗРУШЕНИЕ.
РИС.3 ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ ОТ КОЛИЧЕСТВА ДИСЛОКАЦИЙ И ДРУГИХ ДЕФЕКТОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ (СХЕМА И. А. ОДИНГА): 1 - ЧИСТЫЕ, ОТОЖЖЕННЫЕ МЕТАЛЛЫ; 2 - СПЛАВЫ, УПРОЧНЕННЫЕ ЛЕГИРОВАНИЕМ, ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ, ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ (НАКЛЕП) И Т. П.
МИНИМАЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ ИМЕЮТ ЧИСТЫЕ, ОТОЖЖЕННЫЕ МЕТАЛЛЫ ПРИ ПЛОТНОСТИ ДИСЛОКАЦИЙ ОКОЛО 107 -108 СМ-2 . С УМЕНЬШЕНИЕМ КОЛИЧЕСТВА ДИСЛОКАЦИЙ СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЮ, Т. Е. ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛА, ВОЗРАСТАЕТ И МОЖЕТ ДОСТИГАТЬ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
УБЕДИТЕЛЬНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СПРАВЕДЛИВОСТИ ЭТОГО ПОЛОЖЕНИЯ БЫЛИ ПОЛУЧЕНЫ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ УСОВ - НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ ТОЛЩИНОЙ 0,5-2 МКМ И ДЛИНОЙ ДО 10 ММ С ПРАКТИЧЕСКИ БЕЗДЕФЕКТНОЙ (БЕЗДИСЛОКАЦИОННОЙ) КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ. УСЫ ЖЕЛЕЗА ТОЛЩИНОЙ 1 МКМ ИМЕЮТ ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ ΣВ = 1350 КГС/ММ2 , Т. Е. ПОЧТИ ТЕОРЕТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ. ВВИДУ МАЛЫХ РАЗМЕРОВ УСЫ ПРИМЕНЯЮТ ОГРАНИЧЕННО. УВЕЛИЧЕНИЕ РАЗМЕРОВ УСОВ ПРИВОДИТ К ПОЯВЛЕНИЮ ДИСЛОКАЦИЙ И РЕЗКОМУ СНИЖЕНИЮ ПРОЧНОСТИ.
ЭТО ИСПОЛЬЗУЮТ ПРИ ТАКИХ СПОСОБАХ УПРОЧНЕНИЯ, КАК ЛЕГИРОВАНИЕ, ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ХОЛОДНАЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И Т. Д.
ОСНОВНЫМИ ПРИЧИНАМИ УПРОЧНЕНИЯ ЯВЛЯЮТСЯ УВЕЛИЧЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА (ПЛОТНОСТИ) ДИСЛОКАЦИЙ, ИСКАЖЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ, ВОЗНИКНОВЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ, ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ЗЕРЕН МЕТАЛЛА И Т. Д., Т. Е. ВСЕ ТО, ЧТО ЗАТРУДНЯЕТ СВОБОДНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ.
ПРЕДЕЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ ДИСЛОКАЦИЙ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ СОСТАВЛЯЕТ ПРИМЕРНО 1012 СМ-2 . ПРИ БОЛЬШЕЙ ПЛОТНОСТИ В МЕТАЛЛЕ ОБРАЗУЮТСЯ СУБМИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ТРЕЩИНЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ РАЗРУШЕНИЕ

СОЗДАНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ С БЕЗДЕФЕКТНОЙ СТРУКТУРОЙ; ПОВЫШЕНИЕМ ПЛОТНОСТИ ДЕФЕКТОВ, ЗАТРУДНЯЮЩИХ ДВИЖЕНИЯ ДИСЛОКАЦИИ. В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ ПОЛУЧЕНЫ НИТЕ- ВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ (УСЫ), ПРОЧНОСТЬ КОТОРЫХ В 50-15 РАЗ БОЛЬШЕ ПРОЧНОСТИ ОБЫЧНОГО МЕТАЛЛА.

ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ
ЗДЕСЬ ОГРАНИЧУСЬ ЛИШЬ ТЕМ, ЧТО СКАЖУ, ЧТО ДИСЛОКАЦИИ ПРИ СВОЕМ ДВИЖЕНИИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ДРУГИМИ ДИСЛОКАЦИЯМИ [2, СТР. 28] СОЗДАЮТ НОВЫЕ ДИСЛОКАЦИИ, КОТОРЫЕ ЗАТЕМ САМИ ЖЕ СТАНОВЯТСЯ ПРЕПЯТСТВИЕМ ДЛЯ ИХ ДВИЖЕНИЯ. ЭТО КАК В МЕТРО НА ПЕРЕХОДЕ: С УТРА НОРМАЛЬНО, БЫСТРО ПРОСКОЧИШЬ, А В ЧАС ПИК СТОЛЬКО НАРОДУ НАБЕЖИТ, ЧТО ПОТОМ И ТОПЧУТСЯ ВСЕ У ЭСКАЛАТОРА, ПЕРЕВАЛИВАЯСЬ, КАК ПИНГВИНЫ (НА ВЛАДИМИРСКОЙ Я ЧАСТЕНЬКО БЫВАЛ ОДНИМ ИЗ ТАКИХ).
ТВЕРДОРАСТВОРНОЕ УПРОЧНЕНИЕ
АТОМЫ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПРИМЕСЕЙ МОГУТ НАХОДИТЬСЯ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ
КАК АТОМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ (АТОМ ЭЛЕМЕНТА ВСТАЕТ НА МЕСТО АТОМА ОСНОВНОГО ХИМ. ЭЛЕМЕНТА, ОБРАЗУЮЩЕГО РЕШЕТКУ;
КАК АТОМЫ ВНЕДРЕНИЯ, НАХОДЯСЬ В МЕЖДОУЗЛИЯХ РЕШЕТКИ.
И В ТОМ И В ДРУГОМ СЛУЧАЕ ПРОИСХОДИТ ИСКАЖЕНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ, И ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ ДИСЛОКАЦИИ СОЗДАЕТСЯ ПРЕПЯТСТВИЕ, ТАКОЕ, КАК, НАПРИМЕР, СОЗДАЕТ “ЛЕЖАЧИЙ ПОЛИЦЕЙСКИЙ” АВТОМОБИЛЮ.

ЗЕРНОГРАНИЧНОЕ УПРОЧНЕНИЕ
ГРАНИЦА ЗЕРНА ЯВЛЯЕТСЯ НЕПРЕОДОЛИМЫМ ПРЕПЯТСТВИЕМ ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ ДИСЛОКАЦИЙ . И ЧЕМ БОЛЬШЕ ГРАНИЦ ЗЕРЕН, ТЕМ МЕЛЬЧЕ, ЗНАЧИТ, ЗЕРНО, И ТЕМ БОЛЬШЕ УПРОЧНЕНИЕ.
ДАННЫЙ МЕТОД ИМЕЕТ КОЕ-КАКОЕ ПРЕИМУЩЕТВО ПЕРЕД БОЛЬШИНСТВОМ ОСТАЛЬНЫХ: ЗЕРНОГРАНИЧНОЕ УПРОЧНЕНИЕ НЕ СОПРОВОЖДАЕТСЯ ОХРУПЧИВАНИЕМ . БОЛЕЕ ТОГО, НЕКОТОРЫЕ УЧАСТКИ ГРАНИЦ ЗЕРЕН ВО ВРЕМЯ ДЕФОРМАЦИИ САМИ ЯВЛЯЕТСЯ ИСТОЧНИКОМ ДИСЛОКАЦИЙ, А ЕСЛИ ДИСЛОКАЦИЙ В ОБЪЕМЕ СТАНОВИТСЯ БОЛЬШЕ, ТО ПРИ СВОЕМ ДВИЖЕНИИ ОНИ ЕЩЕ БОЛЬШЕ НАЧИНАЮТ ДРУГ ДРУГУ МЕШАТЬ. ОПЯТЬ ЖЕ УПРОЧНЕНИЕ...