Наклеп и нагартовка
Для того, чтобы увеличить прочность и твердость материалов, их подвергают тепловой обработке: нагревают и выдерживают в термопечи и охлаждают. Но этот метод не всегда подходит. В частности, его не используют для таких металлов, как медь и алюминий.
Тогда применяют нагартовку – технологическую обработку, которая включает изменение формы изделия посредством холодной пластической деформации. При этом твердость и прочность материала увеличивается, но падает пластичность – способность деформироваться без разрушения. Для некоторых сплавов нагартовка является единственно возможным способом увеличения прочности. К таким сплавам, например, относятся стойкие к коррозии сплавы хрома и никеля.
Исследование такого процесса, как нагартовка (наклеп металла) – одна из важных и интересных задач материаловедения. Например, в результате наклепа твердость поверхностных слоев стали увеличивается в несколько раз.
Термины наклеп и нагартовка часто считают практически синонимами, которые означают:
· процесс изменения структуры материала;
· повышение его твердости и прочности в результате этих изменений.
Но в части литературных источниках эти термины различают: под наклепом понимают процесс, который может быть как самопроизвольным, так и целенаправленным, а под нагартовкой – осознанный процесс, целью которого является упрочнение металла.
С этой точки зрения наклеп может быть процессом как полезным, так и вредным, а нагартовка – процесс, который может быть только полезным.
При повышении температуры способность к нагартовке заметно снижается. Например, нагартовка алюминия невозможна при температурах выше 200 °С. Эта температура (температура рекристаллизации) будет различной для разных веществ. Для легкоплавких металлов (к ним относятся цинк, свинец, олово) температура рекристаллизации может быть отрицательной.
Описание процесса
Рассмотрим сущность явления наклепа. Как известно, практически все металлы и их сплавы (например, алюминий или медь и их сплавы) имеют упорядоченную кристаллическую структуру. Но все не так просто. Они состоят из зерен, внутри которых расположение атомов является упорядоченным.Но сами зерна по отношению друг к другу располагаются хаотично, т. е. неупорядоченно.
При механической нагрузке в структуре вещества появляются дислокации (микроскопические дефекты). По мере увеличения нагрузки дислокации перемещаются и взаимодействуют друг с другом. Образуется другая структура.Она сопротивляется деформации, остающейся после снятия нагрузки (пластической деформации). Способность металла сопротивляться деформациям при этом увеличивается.
Но следует иметь в виду, что при наклепе пластические свойства материала становятся хуже. Например,пластичность низкоуглеродистой стали уменьшается в 5-6 раз. Также снижается устойчивость к сопротивлению пластической деформации при изменении ее знака (так называемый эффект Баушингера).
После наклепа состояние вещества является термодинамически нестабильным. Если пластичность необходимо увеличить, наклеп снимают рекристаллизационным отжигом, нагревая материал выше температуры рекристаллизации. При этом материал переходит в более стабильное состояние. Необходимость снятия наклепа возникает, например, в металлургии при производстве проволоки или ленты.
Плотность дислокаций при наклепе увеличивается, что приводит к уменьшению объемной плотности. При этом зерна металла вытягиваются по направлению сил, которые на них действуют. Такая ориентировка зерен называется текстурой деформации. Вследствие текстуры возникает анизотропия механических свойств металлов и сплавов.
Можно сделать следующие выводы:
· после нагартовки или наклепа твердость и прочность материала увеличивается;
· хрупкость материала тоже повышается.
В частности, нагартовка стали актуальная для изделий, в которых необходимо предотвратить поверхностное растрескивание и такое явление, как усталость металлов, что приводит к накоплению внутренних напряжений, возникновению трещини, в конце концов, к разрушению материала.
Виды наклепа
В основном, выделяют два вида наклепа:
· фазовый, когда изменения кристаллической решетки вызваны фазовыми изменениями;
· деформационный, когда изменения решетки вызваны внешними силами.
Формирование деформационного наклепа происходит при воздействии на обрабатываемую поверхность шариками или потока дробинок.
Оборудование для наклепа
Оборудование для процесса нагартовки алюминия и других металлов и сплавов достаточно разнообразно. В промышленности нагартовка полностью автоматизированный процесс, который выполняется на устройствах, контролируемых электроникой.
В частности, при формировании деформационного наклепа автоматически регулируется количество и скорость подачи дробинок.
Применение
В промышленности нагартовку применяют для придания прочности изделиям из нержавеющей стали, меди, алюминия и его сплавов. Это очень важно для машиностроения, поскольку различные узлы и механизмы часто работают в неблагоприятных условиях и со временем изнашиваются.
Нагартованная проволока из нержавеющей стали обладает повышенной твердостью и жесткостью и устойчива к колебаниям температуры. Такая проволока используется в машиностроении при изготовлении деталей различных видов автомобилей. Она также нашла широкое применение для изготовления очень прочных канатов, тросов и пружин. Еще нагартовку часто используют для производства нержавеющих лент.
Электропровода из нагартованной проволоки не подвержены коррозии и обладают длительным сроком службы.
Также нагартованная проволока может служить как материал для нержавеющих сеток, из которых делают перегородки.