Pro úplné odstranění tvrdnutí je nutné zahřátí na teplotu vyšší než v klidu. V tomto případě dochází v kovu k procesu rekrystalizace, který spočívá v obnovení původních vlastností kovu opracovaného za studena. [2]
Pro úplné odstranění vytvrzení se kov zahřívá na vyšší teploty, aby byla zajištěna vysoká rychlost rekrystalizace a úplnost jejího výskytu. [4]
Pro úplné odstranění kalení se kovy zahřívají na vyšší teploty, aby byla zajištěna vysoká rychlost rekrystalizace a úplnost jejího výskytu. [5]
Pro úplné odstranění vytvrzení se kov zahřívá na vyšší teploty, aby byla zajištěna vysoká rychlost rekrystalizace a úplnost jejího výskytu. [7]
U ocelí by se úplné odstranění kalení při rekrystalizaci mělo projevit tvorbou více či méně rozdrcených zrn s normální (nezkreslenou) krystalovou mřížkou a při této struktuře by vlastnosti oceli měly odpovídat stavu původní (nedeformované ) ocel. [8]
U ocelí by se tedy úplné odstranění kalení při rekrystalizaci mělo projevit tvorbou více či méně rozdrcených feritových zrn s normální (nezkreslenou) krystalovou mřížkou a při této struktuře by vlastnosti oceli měly odpovídat stavu původní (nedeformovaná) ocel. [9]
To umožňuje, k prvnímu přiblížení, určit teplotu počátku primární rekrystalizace pro olovo – 33 C a pro měď – 270 C. Pro úplné odstranění kalení se kov zahřeje na vyšší teploty, aby byla zajištěna vysoká rychlost rekrystalizace a úplnost jejího výskytu. [10]
U tepelně kalených slitin jako je dural jsou tři druhy žíhání: 1) zpětné žíhání pro částečné odstranění kalení, 2) rekrystalizační žíhání pro úplné odstranění kalení předem deformovaných polotovarů, 3) žíhání polotovarů výrobky dříve zpevněné tepelným zpracováním – tvrzením a stárnutím. [jedenáct]
Kalení v kovech je zničeno při dosažení určité teploty – prahu rekrystalizace – a spočívá v obnově zrn s normálním uspořádáním částic v mřížce a destrukci pnutí a dalších následků kalení. Například u ocelí by se úplné odstranění kalení při rekrystalizaci mělo projevit tvorbou drcených feritových zrn s normální (nezkreslenou) krystalovou mřížkou a při této struktuře by vlastnosti oceli měly odpovídat stavu původní nedeformované oceli. ocel. U nízkouhlíkových ocelí je teplota rekrystalizace 450 C. [12]
U různých značek žáruvzdorných slitin je teplotní práh, při kterém dochází k relaxaci zbytkových napětí a poklesu tvrdosti, odlišný. Například u slitiny KhN77TYu není úplné odstranění vytvrzení pozorováno ani při 900 C. Obvykle platí, že čím vyšší je tepelná odolnost slitiny, tím vyšší je tato teplota. [13]
Je technologicky vyspělý: dobře se deformuje, má vysoké odlévací vlastnosti, snadno se obrábí, lze jej snadno pájet a svařovat bodovým a obloukovým svařováním. Při zpracování za studena se mosaz stává pevnější. K úplnému odstranění mechanického zpevnění se používá žíhání při 500 – 600 C. Tvrzená mosaz je náchylná ke vzniku trhlin, tzv. sezónnímu praskání, způsobenému korozními vlivy prostředí. Nízké žíhání na 300 C, aniž by se výrazně změnila pevnost mosazi, snižuje nebo zcela odstraňuje vnitřní pnutí a eliminuje sklon k sezónnímu praskání. Suché tření mosaz rychle opotřebovává. [14]
Technologický faktor je spojen s vlivem mechanického zpevnění a zbytkových napětí z mechanického zpracování. Vliv tohoto faktoru je eliminován při výrobě vzorků s velkým počtem řezů a postupným snižováním hloubky řezu a posuvu. V tomto případě jsou tloušťka kalené vrstvy a zbytková napětí minimální a výrazně neovlivňují odolnost proti únavě.V řadě studií byly vzorky žíhány ve vakuu, aby se zcela odstranilo kalení a zbytková napětí. Po vyloučení vlivu metalurgických a technologických faktorů je výrazný pokles mezí únosnosti spojen se statistickým faktorem a je dobře kvantitativně i kvalitativně popsán rovnicemi vyplývajícími ze statistické teorie podobnosti únavového porušení. [15]
Kalení a rekrystalizace
Jak vyplývá z tahových diagramů, při deformaci ocelí při pokojové teplotě se mez kluzu zvyšuje s rostoucí deformací, to znamená, že materiál za těchto podmínek sílí.
kalení – změna struktury a vlastností kovového materiálu způsobená plastickou deformací.
Největší odolnost proti plastické deformaci by měl poskytovat kov s velmi nízkou hustotou dislokací r. S rostoucí hustotou dislokací r klesá odolnost proti plastické deformaci (obr. 3.8).
Rýže. 3.8. Závislost odporu proti deformaci na hustotě dislokace
K tomu dochází, dokud není dosaženo určité kritické hodnoty hustoty dislokace rcr, kdy začíná interakce silových polí obklopujících dislokace, což způsobuje zvýšení odolnosti proti plastické deformaci.
V důsledku toho lze zvýšení odolnosti proti plastické deformaci dosáhnout dvěma způsoby: kalením kovu za studena, tj. přímým zvýšením hustoty dislokací nebo snížením hustoty dislokací na velmi nízkou hodnotu.
vytvrzený tzv. kalení kovu při plastické deformaci za studena. V důsledku kalení se pevnost (σВ, str0,2, tvrdost atd.) se zvyšuje a tažnost a rázová houževnatost (δ, ψ, KSU) klesá. Ke kalení dochází v důsledku zvýšení počtu defektů v krystalové struktuře, které brání pohybu dislokací a následně zvyšují odolnost proti deformaci a snižují tažnost.
Kalení je jedním z nejdůležitějších způsobů změny vlastností, zejména u slitin, které nejsou vytvrzeny tepelným zpracováním a u kovů, které mají tažnost. Způsoby kalení lze rozdělit na povrchové (válcování, tryskání) a průchozí (válcování plechů, tažení drátu). Zpracování kovů řezáním vede také k mechanickému zpevnění a změně struktury v tenké povrchové vrstvě, s čímž je nutné počítat při následném provozu výrobků.
Plastické deformace tedy způsobují zvýšení hustoty dislokací, deformaci krystalové mřížky a vedou ke zvýšení napětí, při kterém jsou možné další deformace.
Druhý způsob – vytváření kovů a slitin s bezvadnou strukturou – je progresivnější. V současné době se prakticky bez dislokací získávají krystaly malých rozměrů (2–10 mm dlouhé a 0,5–2,0 μm tlusté), tzv. „whiskery“, s pevností blízkou teoretické. Takové krystaly našly své uplatnění pro vyztužování vláknitých kompozitních materiálů, v mikroelektronice atd.
Rýže. 3.9. Textura, která se objevuje při plastické deformaci: a) počáteční struktura, b) textura během tahu, c) textura během stlačení, d) textura během smyku
Při deformaci se zaoblená zrna nahrazují ve směru deformace podlouhlými, t. zv textura (textura – tkanina, spojení, struktura) – anizotropní polykrystalické nebo amorfní prostředí skládající se z krystalů nebo molekul s převládající orientací. Textury mohou být axiální – s preferovanou orientací prvků textury vzhledem k jednomu speciálnímu směru, ploché – s orientací vzhledem ke speciální rovině a plné – za přítomnosti speciální roviny a speciálního směru v ní (obr. 3.9). Textura vytváří anizotropii vlastností.
Zpevněný kov má zvýšený přísun vnitřní energie, tj. je v nerovnovážném stavu. Aby se kov dostal do rovnováhy, musí se zahřát. Když se za studena opracovaný kov zahřívá, probíhají v něm následující procesy:
· částečné obnovení strukturální dokonalosti v důsledku snížení bodových defektů v důsledku zvýšení atomové mobility (nadbytečné volné a intersticiální atomy se vzájemně ovlivňují a jsou také absorbovány dislokacemi během redistribuce druhých během zahřívání) a snížení vnitřního napětí (proces zpáteční);
· snížení hustoty dislokací v důsledku anihilace dislokací opačného znaménka a vytvoření subzrn (polygonů) bez lineárních nedokonalostí v důsledku vyrovnání dislokačních stěn (proces polygonizace);
· nukleace a růst nových rovnoosých zrn namísto orientované vláknité struktury deformovaného kovu (proces rekrystalizace).
Proces rekrystalizace začíná tvorbou zárodků nových zrn a končí úplným nahrazením deformovaného zrna malými rovnoosými zrny (primární rekrystalizace), v důsledku toho je zcela odstraněno zpevnění vzniklé při plastické deformaci (snižuje se pevnost a tvrdost kovu a zvyšuje se jeho tažnost), kov získává rovnovážnou strukturu s minimálním počtem defektů v krystalické struktuře (obr. 3.10). Hustota dislokací po rekrystalizaci klesá z 10 10 –10 12 na
10 –6 cm-10.
Rýže. 3.10. Změny pevnosti, tažnosti a struktury zrna
při ohřevu deformovaného kovu
S dalším zvýšením teploty se zvětšuje velikost největších zrn díky přidávání malých. S rostoucí teplotou se počet velkých zrn postupně zvyšuje, až se všechna malá zrnka přichytí k velkým zrnům – proces sekundární (kolektivní) rekrystalizace.
Teplota, při které začíná rekrystalizace, při které dochází k rekrystalizaci, měknutí za studena deformovaného kovu a obnovení jeho plasticity, se nazývá teplotní práh pro rekrystalizaci TPR.
Tato teplota není konstantní fyzikální veličinou, jako je teplota tání. Pro daný kov (slitinu) závisí na době ohřevu, stupni předběžné deformace, velikosti zrna před deformací atd. Teplotní práh pro rekrystalizaci klesá s rostoucím stupněm deformace, prodlužuje se doba ohřevu. nebo zmenšení velikosti zrna před deformací.
Teplota počátku rekrystalizace ТPR pro technicky čisté kovy je přibližně 0,4 TSub, u čistých kovů klesá na (0,1–0,2) TSuba u slitin se zvyšuje na (0,5–0,6) TSub.
Regenerace a rekrystalizace deformovaných kovů
Vlivem plastické deformace prudce narůstá hustota strukturních vad (soustružených i lineárních), dochází k deformaci krystalové mřížky kovu, vznikají vnitřní pnutí a zrna materiálu se natahují ve směru deformace. Materiál s takovou strukturou má zvýšenou volnou energii a proto je jeho stav nerovnovážný. Při delší expozici má kov tendenci ke stabilnějšímu, rovnovážnému stavu. Tento proces se zrychluje (aktivuje) se zvyšující se teplotou.
Přechod deformovaného kovu při zahřátí do stabilnějšího stavu se nazývá vrátit se. Teplota zpátečky – T
Úkol vytvrzování povrchové vrstvy kovového výrobku je v mnoha případech zcela relevantní, protože většina strojních součástí a různých mechanismů pracuje pod vlivem značného mechanického zatížení. Řešení tohoto problému umožňuje jak kalení, tak zpevňování, které i přes svou podobnost mají stále určité rozdíly.
Ve výrobě se problém kalení kovových povrchů řeší pomocí speciálního zařízení.
Podstata otužování a zpevňování
Kalení kovu je jedním ze způsobů, jak kalit kovový výrobek. K tomu dochází v důsledku plastické deformace, které je takový výrobek vystaven při teplotě nižší než je teplota rekrystalizace. Deformace během kalení vede ke změně jak vnitřní struktury, tak i fázového složení kovu. V důsledku takových změn v krystalové mřížce vznikají defekty, které se dostávají na povrch deformovaného výrobku. Tyto procesy přirozeně také vedou ke změnám mechanických vlastností kovu. Zejména se mu stane následující:
- zvýšená tvrdost a pevnost;
- snížená tažnost a rázová houževnatost, stejně jako odolnost vůči deformacím, které mají opačné znaménko;
- zhoršení odolnosti proti korozi.
Kalení kovového povrchu lze odhadnout ze změny mikrotvrdosti, která klesá se vzdáleností od povrchu
Fenomén mechanického zpevnění, pokud se týká feromagnetických materiálů (například železa), vede k tomu, že kov zvyšuje hodnotu takového parametru, jako je koercitivní síla, a jeho magnetická permeabilita se snižuje. Pokud byla zpevněná oblast vytvořena v důsledku mírné deformace, pak se zbytková indukce, která materiál charakterizuje, snižuje a pokud se míra deformace zvyšuje, pak hodnota tohoto parametru prudce roste. Z pozitivních důsledků kalení je třeba poznamenat, že může výrazně zlepšit vlastnosti tažnějších kovů, které během používání vytvářejí značné tření.
Mechanicky zpevněná vrstva na povrchu kovového výrobku může být vytvořena jak záměrně, v tomto případě je takový proces užitečný, nebo neúmyslně, v tomto případě je považován za škodlivý. Nejčastěji dochází k nechtěnému povrchovému zpevnění kovového výrobku při řezání, kdy je na obráběný kov vyvíjen značný tlak řezným nástrojem.
Kalení (pracovní zpevnění) při řezání
Zvýšení pevnosti vede k tomu, že se povrch kovu stává křehčím, což je velmi nežádoucí důsledek zpracování.
Pokud se kalení může tvořit v důsledku vědomého i nevědomého jednání, pak je pracovní kalení vždy prováděno účelově a jde vlastně o plnohodnotnou technologickou operaci, jejímž účelem je povrchové kalení kovu.
Provozem došlo k deformačnímu utěsnění hrany této brány, což znamená, že ˜ tvrdne
Typy kalení
Existují dva hlavní typy kalení, které se liší procesy, ke kterým dochází při jeho vzniku v materiálu. Pokud v důsledku fázových změn vznikly v kovu nové fáze, vyznačující se jiným specifickým objemem, pak se tento jev nazývá fázové kalení. Pokud ke změnám, ke kterým došlo v krystalové mřížce kovu, došlo vlivem vnějších sil, nazývají se deformační zpevnění.
Deformační zpevnění může být zase odstředivé kuličkové nebo brokové. Pro provedení kalení prvního typu je ošetřený povrch ovlivněn kuličkami, které jsou zpočátku umístěny ve vnitřních objímkách speciálního ráfku. Při otáčení ráfku (což se provádí co nejblíže ošetřovanému povrchu) jsou kuličky pod vlivem odstředivé síly vymrštěny na jeho okraj a působí rázově na díl. Ke vzniku pracovního zpevnění u tryskacích strojů dochází vlivem proudu pelet pohybujících se vnitřní komorou takového zařízení rychlostí až 70 m/s na ošetřovaný povrch. Jako takové pelety, jejichž průměr může být 0,4–2 mm, lze pro kalení použít litinové, ocelové nebo keramické kuličky.
Schéma tradičního deformačního zpevňování a graf zvyšování tvrdosti materiálu
Abychom pochopili, proč zpevňování nebo zpevňování vede ke zpevnění kovu, je nutné porozumět procesům, které se při provádění takových postupů v materiálu vyskytují. Při plastické deformaci za studena, ke které dochází vlivem zatížení, jehož hodnota přesahuje mez kluzu kovu, vznikají napětí v jeho vnitřní struktuře. V důsledku toho se kov zdeformuje a zůstane v tomto stavu i po odstranění zátěže. Mez kluzu bude vyšší a její hodnota bude odpovídat velikosti napětí vznikajících v materiálu. K opětovné deformaci takového kovu bude nutné vynaložit mnohem větší úsilí. Kov tak zesílí nebo, jak říkají odborníci, přejde do stavu opracovaného za studena.
Při deformaci kovu za studena, ke které dochází v důsledku vystavení příslušnému tlaku (při tom např. kalení), se začnou pohybovat dislokace, které tvoří vnitřní strukturu materiálu. I jeden pár pohybujících se defektních čar vytvořených v krystalové mřížce může vést ke vzniku dalších a dalších podobných míst, což v konečném důsledku zvyšuje mez kluzu materiálu.
Změna struktury povrchové vrstvy v důsledku deformace za studena
Vnitřní struktura kovu prochází vážnými změnami, když se deformuje v procesu kalení nebo mechanického zpevňování. Zejména je deformována konfigurace krystalové mřížky a je uspořádána prostorová poloha krystalů, které jsou náhodně orientovány. Toto uspořádání vede k tomu, že osy krystalů, ve kterých mají maximální pevnost, jsou umístěny ve směru deformace. Čím aktivněji se deformace provádí, tím více krystalů zaujme podobnou prostorovou polohu. Existuje mylný názor, že zrna, která tvoří vnitřní strukturu kovu, jsou při jeho deformaci rozdrcena. Ve skutečnosti jsou pouze deformovány a jejich povrch zůstává nezměněn.
Z výše uvedeného můžeme usoudit, že v procesu zpevňování nebo zpevňování se krystalová struktura oceli nebo jiného kovu mění, v důsledku čehož se materiál stává tvrdším a pevnějším, ale zároveň křehčím. Pracně kalená ocel je tedy materiál, který byl záměrně podroben plastické deformaci za účelem zlepšení jeho pevnostních vlastností.
Otužování a vybavení k tomu
Provedení mechanického zpevnění ocelových výrobků je důležité zejména v případech, kdy je potřeba zvýšit jejich odolnost proti povrchovému praskání a také zabránit únavovým procesům v něm. Odvětví, ve kterých se tvrdě zpracované výrobky osvědčily zvláště dobře, jsou letectví a automobilový průmysl, výroba ropy, rafinace ropy a stavebnictví.
Zařízení průmyslového tryskacího zařízení pro zpracování trubek
Takové způsoby zpevňování kovů, jako je řízené zpevňování nebo zpevňování, lze realizovat pomocí různých zařízení, jejichž kvalita a funkčnost určují výsledek prováděných operací. Zařízení pro pracovní kalení výrobků z oceli nebo jiných slitin, které je dnes zastoupeno širokou škálou modelů, může být univerzální nebo speciální – za účelem zpracování dílů určitého typu (šrouby, pružiny atd.).
V průmyslovém měřítku se kalení provádí na automatizovaných zařízeních, jejichž všechny provozní režimy jsou nastaveny a řízeny pomocí elektronických systémů. Zejména u takových strojů jsou automaticky regulovány jak množství, tak rychlost posuvu broku použitého k provedení zpracování.
Tryskací stroj pro opracování plechových a profilových kovových výrobků
Kalení, při kterém je řízen proces jeho vzniku, se používá v případech, kdy ocelový výrobek nelze zpevnit tepelným zpracováním. Kromě mechanického zpevňování a zpevňování mohou pevnost povrchové vrstvy kovového výrobku zvýšit i jiné způsoby plastické deformace za studena. Patří sem zejména tažení, rýhování, válcování za studena, tryskání atd.
Kromě oceli, jejíž obsah uhlíku by neměl překročit 0,25 %, je tento způsob kalení nezbytný u výrobků z mědi, ale i některých slitin hliníku. Nerezová páska je také často kalená. Těžce opracovaná páska se používá v případech, kdy běžná páska z nerezové oceli není schopna vyrovnat se s vnímanou zátěží.
Těžce opracovaná páska z nerezové oceli má vyšší pevnost s určitou ztrátou houževnatosti a tažnosti
Kalení, které se vytvořilo na povrchu kovového výrobku v procesu jeho zpracování různými metodami, lze odstranit, k čemuž se používá speciální tepelné zpracování. Při provádění takového postupu se kovový produkt zahřívá, což vede k tomu, že se atomy jeho vnitřní struktury začnou aktivněji pohybovat. V důsledku toho přechází do stabilnějšího stavu.
Při provádění procesu, jako je rekrystalizační žíhání, je třeba vzít v úvahu stupeň zahřátí kovové části. Pokud je stupeň ohřevu nevýznamný, pak se v kovové struktuře odstraní mikronapětí druhého druhu a jeho krystalová mřížka je částečně deformována. Pokud se intenzita ohřevu zvýší, začnou se tvořit nová zrna, jejichž osy jsou orientovány ve stejné prostorové poloze. V důsledku intenzivního ohřevu deformovaná zrna zcela zmizí a vytvoří se ta, jejichž osy jsou orientovány stejným směrem.
Ruční kalení ohýbaného hřídele
Existuje i taková technologická operace, jako je mechanické zpevnění, s jehož pomocí se kovový hřídel nebo plech uvedou do původního stavu. K provedení takové operace, zaměřené na odstranění nesrovnalostí mezi geometrickými parametry a jejich požadovanými hodnotami, není třeba používat speciální stroj – provádí se pomocí klasického kladiva a ploché desky, na kterou je obrobek umístěn. Úderem takovým kladívkem na výrobek, jehož tvar je potřeba korigovat, se na jeho povrchu vytvoří pracovně zpevněná vrstva, která v konečném důsledku povede k dosažení požadovaného výsledku.
Video níže ukazuje proces kalení kol pro železniční vozidla v tryskacím stroji.
