Термомеханическая обработка.

Наука о металле настолько древняя, что, казалось бы, в этом материале вовсе не осталось никаких загадок. А уж что касается термообработки – закалки и отпуска, то тут и подавно всё известно и открывать совершенно нечего. Но открытия были. Причем чем больше металлурги применяли для своих исследований новейшие достижения современной физики, тем открытий становилось больше и тем они были значительней.

Общеизвестно, что закалка улучшает прочностные характеристики стали, металл становится более упругим, детали из него более жизнеспособными.

Основным путем увеличения прочности стали, как правило, было одно легирование. Поэтому обычная машиноподелочная сталь выдерживает нагрузку до 60-80 кг/мм², а так называемые специальные сплавы выдерживают чуть ли не вдвое больше. А почему? Ведь, в сущности говоря, прочность металла на разрыв по идее определяется силой межатомного притяжения. В кристаллической решетке металла атомы находятся в строго определенном порядке и прочность решетки (а, следовательно, и металла) определяется силой межатомных связей. Очевидно, что они огромны.

Действительно, советский ученый Я.И. Френкель ещё более 30 лет назад подсчитал, что в этом случае прочность чистого железа на разрыв должна была составить 10000 кг/мм². А вот инженеры с полным основанием утверждают, что чистое железо выдерживает лишь 20 кг/мм² и поэтому никакого интереса для техники не представляет. Впрочем, Я.И. Френкель, сопоставив 10000 и 20, выдвинул гипотезу о дефектах в кристаллической решетке, о так называемых вакансиях и дислокациях.

В любом школьном кабинете физике есть модели кристаллических решеток с разноцветными атомами-шариками на переплетении прутьев. Вытащим несколько атомов-шариков; на их месте будут торчать голые концы прутьев, символизирующих межатомные связи. Итак, на месте атома оказалась пустота, названная вакансией. Если бы решетка оказалась без вакансии, то, безусловно, металл был бы необычно прочен. Но раз решетка «дырявая», то не напоминает ли она неустойчивостью, скажем, стул с отломанной ножкой? Становится понятным, почему реальная прочность не соответствует расчетной. Но раз сама решетка оказывается неустойчивой, то целые ряды атомов начинают перемещаться по объемам кристаллической решетки. Вот эти перемещающиеся ряды и называются дислокациями.

Эти теоретические соображения приводят к практическим выводам, люди ищут способы упрочнения. Прежде всего это наклёп – операция, известная давно. Приповерхностный слой обстреливают дробью, оббивают молотком, давят на прессах и т.д. Зачем?

Дело в том, что если одна дислокация «наедет» на другую, то они, столкнувшись, как бы заклинятся, потеряют возможность двигаться и, кроме того, забаррикадируют дорогу другим дислокациям. Следовательно, чем больше таких своеобразных баррикад образуется в решетке, тем прочнее становится металл – ведь баррикады своеобразно связывают дислокации между собой, «штопают» пустоты решетки. И всё это благодаря наклёпу, искажающему кристаллическую решетку.

Но, естественно, возникает вопрос. Раз наклёп дает такие хорошие результаты – упрочнение чуть ли не вдвое по сравнению с первоначальным, то не следует ли как можно сильнее «надавить» на металл для того, чтобы получить ещё лучшие результаты? Нет, этого делать нельзя – можно разрушить изделие. Так что подвергать сталь механическому наклёпу с целью образования дислокаций, которые упрочняют металл, можно лишь до определенного предела. Задача состоит в том, чтобы найти новый источник дислокаций, который бы дополнительно упрочнял металл, не разрушая его.

Но в науке простые решения на деле вовсе не так просты, как это кажется на первый взгляд. Теперь может возникнуть другой вопрос. Если доказано, что металл с идеальной решеткой может отличаться фантастической прочностью, то почему бы его не получать?

Чтобы ответить на это, прежде всего вспомним, как получают сейчас металл. Ответ ясен: в результате доменного и сталеплавильного передела мы получаем расплавленную сталь. Затем из расплава кристаллизуется слиток. Именно в этот момент в структуре металла возникают несовершенства, потому что и это своеобразное упущение природы подвластно закону, гласящему: все процессы в природе протекают с минимальными затратами энергии. И природа «скроила» кристаллическую решетку, оставляя в ней вакансии. Ведь, примерно спустя 25 лет после того, как покойный Я.И. Френкель высказал свою гипотезу (кстати, почти одновременно с ним эту же мысль подал и английский физик Дж. Тейлор), ученые стали получать первые образцы металла, обладающего сверхъестественной прочностью. Так, например, несколько лет тому назад член-корреспондент АН СССР И.А. Одинг получил в своей лаборатории тоненький «ус» металла (меди), который выдержал нагрузку более чем в 700 кг/мм². А американским ученым удалось вырастить «ус» кристалла железа, выдерживающий 1430 кг/мм².

Путь получения такого металла был, разумеется, необычайным. Раз из расплава бездислокационный металл получать нельзя, то при высокой температуре в водородной среде стали пропускать пары хлористого железа. В небольшом тигле выросли тоненькие

«усы» длиной в несколько миллиметров. Это и были первые образцы. Но хотя и гипотеза ученых блестяще подтвердилась, и научные поиски продолжаются, но промышленного значения «усы» сегодня не имеют: ещё не найдено способа получать такие «усы» в большом количестве и, главное, в подходящих для техники размерах.

Вернемся к дислокациям в обычном металле. Что касается наклёпа, то предел использования его в общем-то ограничен. Но всех инженеров всегда интересовало самое главное - прочность стали. И основной путь её получения – термообработка. Упрочняющая термообработка это, в сущности, только две операции – закалка и соответствующий отпуск.

Но вот опять возникают несколько вопросов.

Очень часто металл подвергают такой термической операции, как отжиг. Причем в этот момент из него как бы «откачивают» некоторое количество энергии. А ведь чем больше энергии заключено в металле, тем, казалось бы, лучше. И это так: высокопрочное состояние металла – всегда высокоэнергетическое. Но зачем тогда отжигать металл? Мысленно заглянем в кристаллическую решетку в тот момент, когда его подвергают термообработке. И вновь мы увидим там дислокации. А причем здесь термообработка? Оказывается, связь есть. Дело в том, что при закалке изменяется структура металла. В стали образуется мартенсит. Его длинные клинья как бы растягивают монолит металла и, следовательно, деформируют кристаллическую решетку. А это значит, что появляются дислокации, которые упрочняют металл. Кстати, сами металловеды называют эти дислокации, появляющиеся после закалки, следствием фазового наклёпа, т.е. наклёпом, появившимся в металле в результате так называемых фазовых превращений (когда изменяется структура металла, в отличие от механического наклёпа, вызванного внешними силами).

А потом металл вновь медленно подогревают. При этом дислокаций становится всё меньше и меньше – ведь внешний подвод тепловой энергии позволяет частично «штопать» кристаллическую решетку. Затем следует такое же медленное остывание, при котором происходит дальнейшее исчезновение дислокаций. И всё это результат отжига, который проводят, не зная физики процесса.

Или другой вариант. Разогретый металл проходит через валки прокатного стана. Если в этот момент мысленно заглянуть в раскаленную болванку, то нашему взору предстанет удивительное зрелище изобилия дислокаций. С одной стороны, большое количество фазовых дислокаций, а с другой стороны, к ним присоединяются дислокации механические – рожденные давление валков. Если в этот момент резко охладить изделие – зафиксировать это огромное число дислокаций, то, очевидно, мы получим металл удивительной прочности. Причем его не надо ни легировать, ни дополнительно термически обрабатывать. Нужно лишь уловить это мгновение, и возможно получение металла, обладающего повышенной прочностью.

Но вернемся к физике процесса. Теперь становится ясным: когда установлена связь между дислокациями «фазовыми» и «механическими», задача в том, чтобы, как выражается один из авторов метода профессор М.Л. Бернштейн, «захлопнуть» максимальное количество дислокаций в металле.

Так в технике появилось новое направление, называемое ТМО – термомеханическая обработка. Рецепты ТМО необычайно просты. Сталь нагревают – при этом её структура становится аустенитной; наклёпывают – и в ней возникают дислокации (механические); затем при резком охлаждении получают мартенсит, который присовокупляет свои фазовые дислокации; затем быстро нагревают, следя, чтобы драгоценные дислокации «не выскочили» из металла, и снова быстро охлаждают. Прочность стали теперь возрастает до 240-280 кг/мм² против 160-180 кг/мм², получаемых в обычных условиях.

Теория ТМО дала ключ к разгадке очень странного явления. Известно, что изделия, получаемые из металла одной и той же марки, сорта, химсостава и т.д., не обладают одинаковой прочностью. Оказывается, если один кусок стали, из которого сделана деталь, подвергся ранее наклёпу, то его кристаллическая решетка получает своеобразную структуру. И эта структура решетки устойчиво сохраняется. Таким образом, если деталь подвергали механической обработке, то «заряд дислокаций», полученных сталью, когда-то оборачивался, спустя много времени, неожиданным упрочнением. Это дает возможность открыть в технике огромные резервы.

Уже сейчас автомобиль ЗИЛ-164 на рессорах из стали, обработанной ТМО, прошел путь в два раза больше положенного, причем рессоры и не «думают» ломаться. Подшипники из стали, обработанной ТМО, тоже перекрыли все расчетные сроки работы.

Исследования доктора технических наук М.Л. Бернштейна позволили Симферопольскому заводу, производящему ножи уборочных машин, резко повысить их стойкость. Каждый простой, каждая поломка, даже просто смена режущего инструмента уборочных машин может привести к тому, что на уборке часть урожая пропадает. Поэтому ножи уборочных машин, выпуск которых исчисляется миллионами штук, должны обладать повышенной стойкостью. Для её достижения есть два пути. Первый – это легирование. Но нетрудно себе представить, сколько дорогостоящих и дефицитных металлов придется израсходовать, если один только Симферопольский завод производит в год миллионы ножей. Другой (и самый рациональный и дешевый) путь – это ТМО. Новые ножи в полтора-два раза более износоустойчивы, нежели обычные, а по себестоимости от них почти не отличаются.

Кстати, следует особо сказать и об экономичности ТМО и о том, что её применение по сути дела не требует сложной новой аппаратуры и машин, а лишь ограничивается усовершенствованием технологии.

Магнит упрочнят сталь. Для того чтобы сталь стала твердой, её надо закалить. Это общеизвестно. Но можно ли только ограничиваться закалкой? Посмотрим в окуляр микроскопа на только что закаленный образец. На фоне аустенитного поля отчетливо видны узкие светлые клинья мартенсита.

Аустенит – это твердый раствор углерода в гамма-железе. Оставшийся в стали после закалки он весьма коварен. Например, по истечении некоторого времени он неожиданно начинает изменяться в объеме. Ясно, что деталь, сделанная из него, самопроизвольно изменяясь в размерах, выведет из строя узел, а то и всю машину. Поэтому-то и закаленную сталь подвергают отпуску: нагревают и выдерживают при этой температуре некоторое время. Например, быстрорежущую сталь Р-18, из которой изготавливают сверла, резцы, фрезы и другой режущий инструмент, после закалки трижды по часу выдерживают при температуре 560°.

В результате такой термообработки аустенит, распадаясь, становится мартенситом. Но подобное превращение связано с очень сложной технологией, требующей много времени, которая сегодняшней технике досталась в принципе ещё с древнейших времен.

Новый способ отпуска стали был разработан группой ученых под руководством профессора Московского института стали и сплавов М.Л. Бернштейна. Отпускаемый образец был помещен в мощное магнитное поле. Дело в том, что аустенит парамагнитен, т.е. обладает очень слабо выраженными внешними магнитными свойствами. А мартенсит, как ферромагнетик, обладает ими в полной мере. Помещение образцов в магнитное поле ускорило распад аустенита.

Это превращение образно можно себе представить как ледяное поле – аустенит, в которое вмерзли стальные балки – мартенситные клинья. Если у этого поля мы поставим мощные магниты, то стальные балки – домены под действием магнитного поля займут строго определенное положение между полюсами магнита. А это перемещение балок, вмерзших в лед, естественно, вызовет разрушение ледяного поля.

Примерно то же будет происходить в микроструктуре металла. Когда несколько сверл после закалки нагрели и поместили на полчаса в магнитное поле, магнитные силы ускорили «распад» аустенита в стали в шесть раз. Но, кроме того, структура стали после термомагнитного отпуска значительно улучшилась и поэтому оказалось не удивительным, что стойкость новых сверл по сравнению с обычными повысилась.

Остроумная идея термомагнитной обработки дала эффект дважды: резко сократила технологию изготовления и увеличила стойкость инструмента.

Сейчас термомагнитный отпуск начинает внедряться в производство на заводах нашей страны.