Размерной обработке

равновесия в полученном слоистом материале необходимо к обратной стороне материала подложки присоединить такую же пластину, что позволит избежать размерной нестабильности, возникающей в противном случае при изменении температуры и влажности окружающего воздуха. Этот слой на обратной стороне, как правило, не является декоративным, но по всем остальным свойствам совершенно аналогичен пластине на лицевой стороне.

Существенное влияние на стабилизацию структуры сплава Д16 оказывает искусственное старение при температуре 180° С в течение 8 ч. Увеличение продолжительности выдержки до 12— 18 ч не изменяет эффекта. Весьма хорошие результаты дает обработка сплава холодом в сочетании с последующим нагревом. Один цикл охлаждения до температуры —70° С и нагрева до температуры 180° С более эффективен, чем старение при температуре 190° С в течение 5 ч. Величина размерной нестабильности магниевого сплава МЛ5 уменьшается в 2—4 раза в результате старения при температуре 200° С в течение 8—16 ч. Для деталей из магниевых сплавов также весьма эффективна обработка холодом.

Рассмотренные автором примеры роли фазовых превращений, конечно, не исчерпывают всего многообразия структурной и размерной нестабильности металлов. Они лишь иллюстрируют вопросы, встречающиеся при исследовании поведения металлов и сплавов при периодическом тепловом воздействии. Поэтому предлагаемая читателю книга не претендует на полноту изложения проблемы. В ней в основном приведены результаты исследований механизма необратимого увеличения объема и формоизменения металлических тел под влиянием многократных фазовых переходов. Автор стремился систематизировать накопленные материалы и привлечь внимание читателей к затронутым вопросам.

Необратимое формоизменение имеет место и при термоциклировании изотропных в отношении термического расширения металлов. В отличие от анизотропных металлов, формоизменение которых обусловлено релаксацией термоструктурных напряжений (напряжения II рода), в металлах могут возникать необратимые деформации под действием напряжений, вызванных температурными градиентами (напряжения I рода). С этим видом размерной нестабильности связано большое число встречающихся в технике случаев. При равномерных нагревах и охлаждениях, когда термические напряжения вообще не возникают, нельзя ожидать и заметного формоизменения. С появлением температурных градиентов в сечении образца, определяющих величину и знак термических напряжений, создаются условия для размерных изменений.

Одной из причин размерной нестабильности при термоциклировании металлов могут быть фазовые переходы. Многие из них сопровождаются объемными изменениями, и создание условий для неодновременного развития их служит предпосылкой появления необратимой деформации тел. Этому способствуют температурные градиенты, наличие физической неоднородности и др. Но и при одновременном развитии фазовые переходы часто вызывают необратимые размерные изменения, связанные, например, с накоплением пор. Если периодическое термическое воздействие сопряжено с механическим, влияние фазовых превращений становится заметнее. Наиболее изучен эффект полиморфных превращений, процессов растворения и выделения избыточных фаз, процессов оплавления и затвердевания. Они и рассматриваются в этой главе. Результатом многократного чередования их при термоциклировании является изменение формы тел с сохранением объема или увеличением его вследствие накопления пор, что может и не сопровождаться искажением геометрии тел. Механизм роста чугуна и стали при термоциклировании с переходом через критический интервал усложнен участием нескольких видов фазовых превращений и поэтому обсуждается в отдельной главе.

Авторы работы [324] привели многочисленные примеры размерной нестабильности различных углеродистых и легированных сталей при термоциклировании, сопровождающемся полиморфными превращениями. Литые образцы мало изменяли свои размеры, горячедеформированные — сильно. В зависимости от того как вырезанный образен ориентирован относительно направления деформации, при термоциклах длина его увеличивалась или уменьшалась. Авторы [324] не обнаружили влияния скорости нагрева и охлаждения на формоизменение стали при термоциклировании. Линейные изменения образцов при варьировании темпа смены температуры 12 и 80 град/сек были близкими. Коэффициент роста составлял приблизительно 0,1%, и наблюдалась относительная независимость его от числа циклов. Приведенные в работе [324] данные свидетельствуют о том, что при термоциклировании технических сталей возникают факторы, действие которых перекрывает эффект температурных градиентов. Причины необратимого формоизменения деформированной стали в указанной работе не обсуждаются, возможно, они связаны с текстурой и химической неоднородностью образцов.

Одним из распространенных в технике примеров размерной нестабильности, обусловленной развитием фазовых превращений, является рост графитизированных сплавов железа. Периодические нагревы и охлаждения настолько изменяют размеры чугунных отливок, что дальнейшее использование их может оказаться невозможным. Сотни теплосмен, например, могут увеличить объем отливок в два-три раза, и чугун становится таким рыхлым, что режется ножом [303]. Но и в тех случаях, когда увеличение объема невелико, а свойства ухудшаются незначительно, изменение размеров чугунных отливок может вызвать появление напряжений и разрушение сопряженных с ними деталей. Опасность роста возрастает, если на чисто термическое воздействие накладывается влияние агрессивных сред, механических нагрузок и др. В качестве примера приведем иллюстрации роста чугунных отливок до и после термоциклирования (рис. 46 и 47) [314, 345].

Снижение сопротивления пластической деформации в момент перекристаллизации играет большую роль в формоизменении химически неоднородных материалов при термоциклировании. В этих условиях отклонение состава приповерхностных участков от среднего, обусловленное обезуглероживанием, цементацией или поверхностным легированием, может служить причиной размерной нестабильности стали при теплосменах даже в условиях равномерного изменения температуры. Отсутствие полиморфизма, однако, не является достаточным для того, чтобы неоднородные материалы не приобретали остаточных изменений размеров в результате равномерных периодических нагревов. Необратимое формоизменение происходит и в случае большого различия коэффициентов термического расширения элементов сложного по структуре материала, как это имеет место, например, в жаропрочных волокнистых композициях.

Большую роль в развитии структурной и размерной нестабильности металлов играют фазовые превращения. Результатом их многократного повторения может быть образование трещин и пор. В других случаях нарушения сплошности не возникают, однако происходит большее формоизменение тел. Благодаря фазовым превращениям явление термической усталости металлов усложняется, а вследствие большого увеличения объема и изменения формы детали часто становятся непригодными задолго до разрушения.

Анализ причин размерной нестабильности деталей приборов показал [14], что изменение размеров деталей в процессе эксплуатации приборов или длительного их хранения в принципе вызвано нестабильностью фазового состава и структурного состояния сталей и сплавов после окончательной термической и механической обработки деталей, причем самопроизвольный переход к более стабильному фазовому составу или структурному и напряженному состоянию дополнительно стимулируется эксплуатационными и остаточными напряжениями, возникшими в деталях в процессе различных технологических операций. На практике размерная нестабильность изделий является результатом протекания релаксации конструкционных (эксплуатационных) и остаточных напряжений, причем эти процессы особенно интенсивно развиваются в сплавах с метастабильным фазовым и структурным состоянием, а наименее интенсивно — в сплавах со стабильной структурой, в том числе и дислокационной, для которых характерно высокое сопротивление малым пластическим деформациям (последнее обстоятельство позволяет оценивать степень размерной стабильности металлов и сплавов показателями сопротивления микропластическим деформациям).

Сказанное выше относится не только к деталям приборов, изготовляемым из холоднодеформированного металла. Необходимо также учесть, что пластически деформированный наклепанный слой возникает на поверхности деталей из любых сплавов в результате механической обработки. Такой поверхностный слой также может явиться причиной размерной нестабильности изделий, особенно миниатюрных или тонкостенных, поэтому применение дорекристаллизационного отжига в качестве стабилизирующей обработки является эффективной мерой повышения размерной стабильности большого числа деталей приборов.

При размерной обработке заготовок установка работает в импульсном режиме, что обеспечивает локальный нагрев заготовки. В зоне обработки температура достигает 6000 °С, а на расстоянии 1 мкм от кромки луча не превышает 300 °С. Продолжительность импульсов и интервалы между ними подбирают так, чтобы за один цикл успел нагреться и испариться металл только под лучом. Длительность импульсов составляет 10~4—10~6 с, а частота 50—6000 Гц. Диаметр сфокусированного электронного луча — несколько микрометров.

Однако сварка возможна только до плотности мощности 102...104 Вт/мм2, так как большие удельные мощности приводят к выплескам и испарению материала, полезному лишь при резке и размерной обработке изделий. Удельная мощность луча и энергетические коэффициенты наплавки, расплавления и другие (см. гл. 3) пригодны для оценки только отдельных видов источников энергии или методов сварки. Для оценки эффективности разных классов сварочных процессов и разных методов сварки и пайки целесообразно использовать значения удельной энергии ЕСВ и еи, необходимой при сварке данного соединения.

В закрытых системах, где скорость отвода продуктов обработки, следствие применяемой схемы формообразования, ограничена, например, при электрохимической размерной обработке, размер элемента структуры равен объему межэлектродного промежутка. Чем выло частота повторения состояния рабочей среды и меньше размеры межэлектродного промежутка, тем выше геометрические показатели обработки.

и производят ударное действие на поверхность обрабатываемой детали. Ультразвуковой размерной обработке подвергают твердые и хрупкие нетокопроводные материалы (стекло, германий, кремний и т. п.), причем обработка идет за счет мельчайшего механического скалывания. Обработка вязких материалов этим методом невозможна, так как частицы абразива, обычно карбида бора, при этом будут просто шаржировать (насыщать) обрабатываемую поверхность.

При размерной обработке электроискровым разрядом производится эрозионное разрушение и снятие металла с детали, а при упрочнении и наращивании детали при помощи разряда электричества металл наносится на деталь с обрабатывающего электрода-инструме-нта.

При размерной обработке металлов обрабатываемая деталь подключается к аноду (положительный полюс), а электрод-инструмент— к катоду (отрицательный полюс). Обработка производится в жидком диэлектрике (непроводнике тока).

— при механической обработке; 2 — при электрохимической размерной обработке

мической размерной обработке, местная за-

При размерной обработке заготовок установка работает в импульсном режиме, что обеспечивает локальный нагрев заготовки. В зоне обработки температура достигает 6000 °С, а на расстоянии 1 мкм от пятна фокусировки не превышает 300 °С. Продолжительность импульсов и интервалы между ними подбирают так, чтобы за один цикл успел нагреться и испариться только металл, находящийся под непосредственным воздействием луча. Длительность импульсов составляет 10"4 ... 10Г6 с, а частота 50 ... 6000 Гц.

Электронно-лучевая размерная обработка (ЭЛО). При электроннолучевой размерной обработке для съема материала при формообразовании используют кинетическую энергию сфокусированного пучка электронов (рис. 32.9). Процесс ЭЛО осуществляется в вакууме при остаточном давлении газа 5-Ю"2—10"3 Па.

При размерной обработке наиболее целесообразным является импульсный режим воздействия луча на материал. На практике используют длительности импульсов от 1 мкс до 0,01 с при частоте следования импульсов от единиц до 104 Гц.