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 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.
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.
В результате этого процесса в металле происходит ряд изменений. Всё зависит от типа металла. Разберем возможные варианты.
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.
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.
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.
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.
Формируется структура мартенсит, а решетка будет ОЦК, только вытянутая.
Теперь вы знаете механику процесса, но возможно не совсем понимаете, откуда же всё же берутся новые свойства. Можно выделить как минимум три причины:
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!