30 235 subscribers

Как работает закалка?

9,1k full reads

Многие знают, что закалка материала повышает его прочностные свойства. Но почему? Что именно является причиной такого упрочнения?

Давайте заглянем в механизм процесса закалки и на примере металлов разберемся какие изменения влияют на формирование новых характеристик. Кстати говоря, не только металлы умеют закаливаться, но об это как-нибудь в другой раз.

Процесс закалки

Процесс закалки весьма незамысловатый и разглядеть тут какие-то принципиальные изменения металла не так-то просто.

Взяли железку, нагрели и опустили в холодную воду или другую охлаждающую среду, она побурлила и стала прочнее.

Так делается подкова
Так делается подкова

Магия, не иначе! Собственно говоря, так и подумали наши предки, когда случайно наткнулись на некоторые рецепты металлообработки. По их представлением меч закаливался и становился
прочнее не из-за формирования мартенсита, а из-за перехода силы человека мечу.

Научным языком закалка будет описываться чуть сложнее. Нам нужно взять диаграмму состояния, посмотреть по ней существование нужной фазы для конкретного сплава и определить температуру, до которой нам её нужно нагреть, чтобы нужная фаза появилась. Дальше нагреть образец до этой температуры и охладить с заданной скоростью.

Определение температуры по диаграмме
Определение температуры по диаграмме

В результате этого процесса в металле происходит ряд изменений. Всё зависит от типа металла. Разберем возможные варианты.

Изменения в металле если есть полиморфное превращение

В таких сплавах, как сталь, процесс закалки может происходить с полиморфным превращением. Для того, чтобы понять, что это вообще такое, нужно вспомнить самые азы.

Сталь - это сплав железа с углеродом, который может содержать и другие легирующие добавки. Это не чистый металл и не чистый Fe из таблицы Менделеева. Это очень важное обстоятельство.

Для простоты восприятия предположим, что мы взяли сталь, состоящую только из феррита. Это такая фаза, которая содержит только железо и только углерод. Логично следует, что и железо, и углерод должны как-то сосуществовать в одной системе.

Выплавка стали и фазы

Вспомним, как происходит выплавка стали. Образно говоря, это как приготовление компота. Взяли железо, взяли углерод, расплавили вместе, а потом изготовили из этого киш-миша слиток,

Атомы железа и атомы углерода должны как-то взаимно расположиться в этом слитке, а мы помним, что почти у всех металлов есть кристаллическая решетка.

В итоге для феррита, который мы выбрали, мы получаем твёрдый раствор внедрения углерода в альфа железо. Это такая форма взаимного существования атомов железа и углерода в одном соединении.

Решетка феррита
Решетка феррита

Она подразумевает, что атомы углерода воткнулись где-то между атомами железа. При этом кристаллическая решетка тут - ОЦК. Это ещё один важный момент.

Для того, чтобы понять смысл манипуляций с кристаллическими решетками и аббревиатуры ОЦК и ГЦК, советую прочитать эту мою статью. Тут всё разложено по полочкам.

Что происходит при нагревании, который нужен для закалки

Когда мы нагреваем феррит с кристаллической решеткой ОЦК, он не просто нагревается, а претерпевает изменения. Тип решетки стали меняется с ОЦК на ГЦК при достижении сталью определенной температуры.

Картинка с сайта lektsii.org Превращение одной решетки в другую при нагревании
Картинка с сайта lektsii.org Превращение одной решетки в другую при нагревании

Это полиморфное превращение. Феррит превратился в так называемый аустенит, то есть фазу, имеющую решетку ГЦК. Углерод перераспределяется внутри этой решетки.

Что происходит при охлаждении?

Полученный нагретый стальной образец с кристаллической решеткой ГЦК мы начинаем резко охлаждать. Это следующий этап процесса.

Решетка ГЦК начнет вновь превращаться в ОЦК при охлаждении. Такое уж свойство у сталей. Только превращаться она будет не постепенно, а резко. Углерод не успеет перераспределиться внутри новой решетки. В итоге вместо формирования равновесной решетки ОЦК, она формируется криво. Ведь внутри остался углерод, который не успел равномерно распределиться.

Превращение ОЦК в ОЦК мартенсита
Превращение ОЦК в ОЦК мартенсита

Эффект примерно такой же, как взять кур, посадить в клетку и потом попробовать переделать форму клетки вместе с курами. Курам хана :)...Ну а в нашем случае тут углерод, который просто так не поддается.

В итоге на этой стадии решетка ОЦК формируется тетрагональная. Вместо куба получается параллелепипед, а углерод пропихивается по его пространству и так фиксируется.

Был феррит
Был феррит
А стал мартенсит
А стал мартенсит

Формируется структура мартенсит, а решетка будет ОЦК, только вытянутая.

Как это может повлиять на свойства?

Теперь вы знаете механику процесса, но возможно не совсем понимаете, откуда же всё же берутся новые свойства. Можно выделить как минимум три причины:

  • Мартенсит при закалке имеет множество внутренних напряжений, как пружинный матрас. Происходит внутренний наклеп, а это влияет на упрочнение металла. Примерно как сделать ребро на листе бумаги. Это ребро помешает бумаге гнуться.
  • Образуется множество препятствий для движения дислокаций. А именно дислокации у нас являются причиной разрушения, исходя из имеющейся теории.
  • Взаимодействие между частицами выходит на новый уровень Межатомное взаимодействие становится более интенсивным и разрушить такие связи сложнее.

Закалка без полиморфного превращения и что происходит в металле

Всё это время мы обсуждали ситуацию, где одна решетка превращалась в другую. Но оказывается, закалка возможна и без превращения решеток. Большинство цветных сплавов могут быть закалены без полиморфного превращения. Или, без изменения типа решетки при нагреве.

В этом случае всё намного проще, правда и такого резкого изменения свойств не будет.

Сплав нагревается до температуры, определяемой по диаграмме состояния этой системы. При этом происходит растворение включений и соединений. Затем, тоже происходит резкое быстрое охлаждение.

Только в этом случае скорость охлаждения у нас превышает скорость протекание диффузионных процессов и образующиеся при нагреве артефакты не возвращаются к обычному их состоянию. В итоге в охлажденном материале мы фиксируем те соединения, которые образовались при нагреве.

Откуда тут берется упрочнение?

Причины упрочнения в данном случае такие же, как это было и в случае с полиморфным превращением. Только в качестве элементов структуры для упрочнения тут выступают не искажения решетки и не конвульсии углерода, а новые артефакты, появившиеся внутри металла. Это могут быть различного рода карбиды, соединения и прочее прочее. Они также мешают движению дислокаций, также усиливают связи частиц и также вызывают наклеп (правда наклеп тут весьма условный).

Ещё бывает старение

В некоторых случаях, после закалки без полиморфного превращения возможно старение. При старении диффузионные процессы берут верх над новыми образованиями, о которых мы писали выше, и заставляют их в итоге частично раствориться. Это растворение улучшает связи и повышает механические свойства.

Дополнение

В комментариях к этой публикации просили рассказать, как именно проводится закалка. Самый простой способ практического применения знаний и алгоритм я описал здесь.

Полезная книга от меня по основам физики (механики)

------------

Обязательно оцените статью лайком, напишите комментарий и подпишитесь на проект! Это очень важно для развития канала.

-------------

Советую также прочитать на нашем канале:

-----

Смотрите нас на YouTube и присоединяйтесь к телеге!