www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Представления о решающей роли структуры в формировании ряда важнейших, так называемых структурно-чувствительных свойств развились к настоящему времени в экспериментально доказанные положения о влиянии на эти свойства несовершенств строения реальных кристаллов. Показано, что несовершенства строения во многом определяют механизм и кинетику фазовых и структурных превращений при термической обработке, т.е. характер окончательной структуры, задающей свойства металлического сплава. Отсюда вытекает, что целесообразно управлять плотностью и распределением несовершенств (главным образом дислокаций) в металле на разных стадиях термической обработки с тем, чтобы рационально направить процессы структурообразования и получить оптимальные свойства. Одним из основных методов регулирования дислокационной структуры является пластическая деформация. Эти соображения приводят к выводу о целесообразности соединения пластической деформации и фазовых (структурных) превращений в единой технологической схеме обработки сплавов.

Такое комплексное воздействие на структуру металлического сплава и составляет суть термомеханической обработки (ТМО).

Термомеханическую обработку надо понимать как совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения (в различной последовательности), в результате которых формирование окончательной структуры металлического сплава, а следовательно, и его свойств происходит в условиях повышенной плотности и соответствующего распределения несовершенств строения, созданных пластической деформацией.

Это определение было дано в монографии М. Л. Бернштейна, выпущенной издательством «Металлургия» в 1968 г. Время, прошедшее с тех пор, показало, что стремление к наиболее широкому толкованию термина было оправданным. Определение, безусловно, сохраняет силу и сейчас; более того, оно наполняется новым содержанием.

Действительно, исследователи, работающие в области ТМО, вначале стремились к получению наиболее высоких характеристик прочности стали при испытании на растяжение. Соответственно наибольшее внимание уделялось двум основным схемам ТМО — низкотемпературной (НТМО) и высокотемпературной (ВТМО), предусматривающим закалку на мартенсит после теплой или горячей деформации аустенита. В дальнейшем появились другие схемы, условно названные изотермическими, которые связаны с получением окончательной ферритно-перлитной, перлитной или бейнитной структур, обеспечивающих более высокую вязкость стали при меньшей прочности на разрыв. Появились различные варианты контролируемой прокатки, применимые к низкоуглеродистым сталям, которые, как правило, вообще не закаливаются на мартенситную структуру. Все эти обработки, конечно, следует относить к ТМО. Сюда же, вероятно, относятся и технологические процессы, обеспечивающие получение высокой пластичности, наведенной превращением (ПНП-эффект) и сверхэластичного состояния металлов, так как нужные свойства аустенита в ПНП сталях или необходимое мелкозернистое строение сверхпластичных сплавов достигаются термодеформационным воздействием.

Процесс рекристаллизации в ходе ТМО заслуживает особого внимания. Остается справедливым высказанное ранее мнение о том, что благоприятный эффект ТМО устраняется только собирательной рекристаллизацией. Такие режимы обработки соответствуют определению ТМО лишь формально, так как при этом отпадает структурный фактор воздействия пластической деформации. Если же процесс рекристаллизации не достигает этой стадии, то такая обработка представляет собой ТМО по существу: формирование окончательной структуры происходит в условиях повышенной плотности несовершенств строения (к числу несовершенств, конечно, относятся и границы зерен, которые при обработке на начальные стадии первичной рекристаллизации могут играть основную роль).

Исследования последних лет показали, что процессы рекристаллизации в ходе высокотемпературной деформации (динамические) или после нее (статические) отличаются рядом специфических черт от рекристаллизации при нагреве холоднодеформированного металла. В этой связи требуют серьезного уточнения различия между высоко- и низкотемпературными схемами ТМО и само понятие горячей деформации. То, что горячая деформация осуществляется при температурах, превышающих температуру рекристаллизации, еще не означает неизбежного получения рекристаллизованного состояния. Когда имеют в виду, что процесс идет выше температуры рекристаллизации, это означает лишь, что при данной температуре может быть получено полностью рекристаллизованное состояние. Но возврат, полигонизация и рекристаллизация — это сложные многостадийные процессы, идущие во времени; их развитие может быть в значительной мере подавлено даже при весьма высоких температурах. Так, варьируя четыре основных параметра деформации — степень, скорость, температуру и длительность последеформационной паузы, — можно получить полный набор структурных состояний, начиная от состояния горячего наклепа и до полного рекристаллизованного (даже при том условии, что температура деформации выше температуры рекристаллизации в указанном смысле). Таким образом, при горячей деформации можно получить структурное состояние, качественно сходное с тем, которое получается при низкотемпературной деформации. Это показывает, что различия между низко- и высокотемпературными схемами ТМО по существу определяются не положением температуры деформации, а доминирующим типом субструктуры. В первом случае это — субструктура наклепа, во втором стремятся к получению полигональной субструктуры, а иногда мелкозернистой рекристаллизованной структуры.

Это надо иметь в виду при рассмотрении предлагаемой ниже классификации методов ТМО. Следует учитывать также, что конкретное структурное состояние, достигаемое при использовании высокотемпературных схем, определяется указанными четырьмя параметрами обработки и, естественно, химическим составом сплава. Результаты могут быть весьма чувствительны к конкретным значениям этих параметров и даже к небольшим их изменениям.

Особое место среди схем ТМО занимают так называемые методы наследственного термомеханического упрочнения. В отдельных разделах книги представлены некоторые конкретные результаты исследования этих схем.

Фазовые переходы при термической обработке и пластическое течение совершаются в результате изменения положения одних и тех же атомов, связанных не только общими закономерными построениями, но и определенными, также в известной мере, закономерными отступлениями от этих построении, главными из которых являются дислокации.

Теоретическая оценка прочности идеальных кристаллических тел, т. е. свободных от макроскопических и микроскопических (в том числе и атомных размеров) дефектов, была дана Я. И. Френкелем еще в 1926 г.; для сопротивления разрушению и для напряжения течения она составляет примерно от 0,2 до 0,1 соответственно от модуля упругости и модуля сдвига.

Из общих теоретических рассуждений, лежащих в основе этого расчета, следует, что наибольшей прочностью должны обладать твердые кристаллические тела с ковалентной и ионной связью. Гилман использовал модель Френкеля, приняв допускаемое значение упругой деформации, равное 5 % (рис. 1). Он пришел к выводу, что в ряде случаев (удаление поверхностных дефектов, отсутствие ударных нагрузок, некоторые конструкторские приемы) эти материалы могут выдерживать напряжения 20 000—40 000 МПа. Расхождение между теоретической и реальной прочностью кристалов с ковалентной или ионной связью обусловлено поверхностными или внутренними трещинами макроскопического или микроскопического (но больше атомного) размера (А. Ф. Иоффе). Таким образом, ковалентные и некоторые ионные твердые кристаллические тела являются природнопрочными, но неизбежно присутствующие в них поверхностные и внутренние трещины вызывают начало преждевременного разрушения при нагрузках, намного меньших теоретически допускаемых.

В современных инженерных конструкциях, в которых неизбежны сложно-напряженные состояния и динамические нагрузки, предпочтение отдается вязким кристаллическим материалам, главным образoм металлам. Известно, что разница между теоретической и реальной прочностью металлических кристаллов определяется наличием в них дефектов — дислокаций, неизбежно присутствующих в любом твердом металле в количестве, зависящем от его чистоты и способа получения. Таким образом, металлические кристаллы в отличие от хрупких тел являются природнонепрочными, однако их можно упрочнить, создав условия для неподвижности дислокаций (обычно дислокации перемещаются при воздействии весьма малых напряжений).

Теоретические значения напряжения течения некоторых металлов, определенные по методике, аналогичной методике Гилмана, приведены на рис. 2. Для элементов платиновой группы (Ru, Re, Ir, Os) они больше 14 000, для переходных элементов (Fe, Ni, Co, Cr, Mo, W) больше 7000 МПа. Предел текучести наиболее прочных сплавов на основе титана и железа составляет около 40 % теоретически возможной величины (указан в скобках справа от обозначения элемента).

Для конструктора более важна не теоретическая прочность, а отношение прочности к удельному весу. Для металлов, рассмотренных на рис. 2, эти значения приведены на рис. 3. Сравнительно высокое отношение наблюдается для железа.

Таким образом, металлические сплавы, и в первую очередь сплавы железа, являются наиболее перспективными материалами современной техники. Отсюда понятно интенсивное развитие работ, направленных на изыскание способов повышения свойств сплавов железа и в первую очередь стали, изыскание путей использования заложенных в природе этих сплавов резервов прочности.

Термомеханическая обработка (ТМО) позволяет получить на технических сплавах значения прочности, большие, чем достигаемые при легировании и обычной термической обработке. При сравнимой прочности после ТМО по оптимальным режимам достигается более высокий уровень пластичности и вязкости, уникальное сочетание повышенной прочности и повышенного сопротивления разрушению, чем при легировании и обычной термической обработке.

Особенностью термомеханического способа упрочнения является то, что он соединяет обработку металлов давлением и термическую обработку; при этом создается непрерывная технологическая цепочка изготовления изделий — непосредственно за пластической деформацией следует термическая обработка. Деформация, при которой металлическим материалам придается определенная форма, должна обеспечить заданную форму и изменить структуру металла в желаемом направлении.

В зависимости от природы сплава следует применять те или иные схемы термомеханической обработки, которые определяются, в частности, многообразием возможных превращений. Выявление наиболее перспективных областей использования ТМО возможно при сравнительно широком исследовании с применением современных средств изучения строения и свойств материалов.

Решающая роль несовершенств реального строения в кинетике и механизме фазовых и структурных превращений наводит на мысль о целесообразности сознательного использования и регулирования плотности и характера распределения несовершенств в металле для управления результатами процессов термической обработки.

Рациональное регламентирование несовершенств строения в сочетании с термической обработкой по специальным режимам приводит к созданию оптимального тонкого строения металлических сплавов, что, в конечном счете, определит их более высокие эксплуатационные свойства. В этом преимущество термомеханической обработки, когда наличие несовершенств не игнорируется, а они в той или иной мере сознательно используются для достижения поставленных целей.

Наиболее удобный технологический способ управления несовершенствами — пластическая деформация.

Преимущество пластической деформации как способа создания несовершенств в том, что при этом способе создается их ориентированное расположение, причем характер ориентировки зависит от схемы деформации. В результате превращений при последующей термомеханической обработке созданные структурные составляющие должны иметь особое тонкое строение, отличающееся тем, что элементы его строго ориентированы. В случае зависимости ориентированности от схемы напряженного состояния, действующего на сплав извне, можно достичь максимального упрочнения, если "отодвинуть" плоскости легкого скольжения в ориентированной структуре от направления внешних касательных напряжений и, наоборот, резко повысить пластичность сплава даже в упрочненном состоянии, если ориентировать плоскости легкого сдвига по направлению касательных напряжений. Тогда нужно, чтобы в каждом конкретном случае были выбраны оптимальный способ пластической деформации; наиболее эффективная степень деформации; наилучшая схема совмещения термической обработки и пластической деформации; скорректированные режимы термической обработки.

Сделать это — означает создать термомеханическую обработку. Представляется целесообразным составить классификацию способов термомеханической обработки, выбрав в соответствии с изложенными принципами в качестве классификационного признака последовательность операций деформирования и термической обработки (рис. 4).

Итак, формирование структуры сплава в результате совместного влияния на него пластической деформации и превращений в твердом состоянии отлично от структурообразования при обычной термической обработке. Это объясняется повышенной плотностью несовершенств строения и их специфическим распределением.

Учет влияния несовершенств строения на процессы структурообразования в металлах и сплавах и на формирование важнейших структурно-чувствительных свойств позволил создать основу для развития нового способа упрочнения — термомеханической обработки.

Назад, на страницу описания