Нагартовка и наклеп – принципиальна ли разница?

1 Явление наклепа и нагартовки – зачем оно нужно?

Наклеп является одним из видов упрочнения металлов и их сплавов путем пластической деформации, проходящей при температуре, которая ниже температуры рекристаллизации. Осуществляется этот процесс через изменение структуры материала и фазового состава. Явление наклепа сопровождается дефектами кристаллической решетки, выходящими на поверхность образца. В результате увеличиваются твердость и прочность, но при этом снижаются такие характеристики, как ударная вязкость, пластичность и сопротивляемость материала деформации противоположного знака, также снижается и его устойчивость к коррозии.

У ферромагнитных же металлов, например у железа, возрастает коэрцитивная сила, а магнитная проницаемость, напротив, становится меньше. Остаточная индукция при небольших степенях деформации падает, но если этот параметр увеличить, то она резко возрастет. Кроме того, более пластичные материалы создают большее трение, наклеп деформируемого металла упрочняет его и, соответственно, данный показатель становится ниже.

Что же насчет нагартовки, так она, по сути, является тем же наклепом. Просто последний может быть полезным либо вредным (неумышленным). Например, в результате резанья происходит интенсивный наклеп, металл упрочняется и становится более хрупким, хотя мы не хотели такого результата. В общем, все произошло само собой, без нашего желания и потребности. А вот нагартовка – это осознанное упрочнение, когда хотят добиться такого эффекта.

2 Наклеп металла – типы и физика этого процесса

Данное упрочнение бывает двух видов. В случае если в металле произошли фазовые изменения, в результате чего образовались новые фазы, имеющие иной удельный объем, то такой процесс будет, соответственно, называться фазовым наклепом. А когда изменения кристаллической решетки произошли в результате воздействия каких-то внешних сил, то это будет деформационный. Он, в свою очередь, делится на центробежно-шариковый и дробометный наклеп.

Так, при первом на обрабатываемую поверхность воздействуют шарики, которые располагаются на периферии обода и затем отбрасываются вглубь гнезда. Дробеструйное (дробометное) упрочнение достигается посредством кинетической энергии быстрого потока (его скорость достигает 70 м/с) круглой дроби диаметром в пределах от 0,4 до 2 миллиметров. Часто для этой цели используют чугунные, керамические, стальные элементы.

Разберемся в физике этого процесса. Если на металл производить некую нагрузку, которая будет превышать предел текучести, то при этом возникнут напряжения, а после снятия давления материал будет деформирован. В случае же повторного "нагружения" способность данного изделия к пластическим деформациям снизится, и его предел текучести повысится до значения возникших ранее напряжений. Материал, очевидно, станет прочнее. И тогда чтобы опять вызвать очередное изменение формы с остаточным изгибом, необходимо будет прикладывать более высокую нагрузку.

Вообще, пластическая деформация является следствием перемещения дислокаций. И пара движущихся дефектных линий в кристаллической решетке способна породить сотни новых, результатом этого является повышение предела текучести. Но такое явление значительно отражается на строении металла. Его решетка искажается, а беспорядочно ориентированные кристаллы поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации. И чем последняя окажется больше, тем заметнее будет увеличиваться степень структурированности, другими словами, все зерна станут ориентированы одинаково. При этом мнение, будто зерна измельчаются, весьма ошибочно, они только лишь деформируются, сплющиваются, но сохраняют площадь поперечного сечения.

Таким образом, наклеп металла представляет собой физический процесс, в результате которого изменяется кристаллическая структура материала, и металл становится более прочным, твердым, но в то же время и хрупким.

3 Нагартовка – оборудование и технологический процесс

Данный способ упрочнения нашел свое применение в том случае, когда необходимо повысить устойчивость деталей к растрескиванию, а также предотвратить усталость материала. Он часто используется в таких областях, как автомобиле- и авиастроение, в нефтяной и строительной индустриях. Немаловажным в этом вопросе является и качество оборудования, с помощью которого производят наклеп металла. Сегодня выбор установок довольно велик, причем они могут быть как общего назначения, так и созданные для какого-то конкретного ассортимента, например болтов, пружин и т. д. При этом независимо от размеров и вида обработки, процесс полностью автоматизирован, каждая установка позволяет регулировать как количество дроби, так и скорость, с которой она подается.

Как говорилось выше, данное явление может быть желаемым и наоборот. Желательное (полезное) – его называют нагартовкой – в основном применяют, когда нет возможности упрочнить металл путем термической обработки, также тогда находят свое применение операции, осуществляемые путем холодного деформирования. Это накатка, волочение, холодная прокатка, дробеструйная обработка и т. д. В основном нагартовке подвергаются медь, некоторые алюминиевые сплавы и сталь с содержанием углерода менее 0,25 %.

Что же насчет вредного наклепа, так здесь тоже все понятно, он возникает как бы сам собой и является нежелательным результатом какого-либо механического воздействия. Таким образом, проводить дальнейшую обработку металла зачастую становится невозможно, потому что можно повредить как инструмент, так и само изделие. Еще одним поводом для нежелательного упрочнения может служить нагрузка, повторявшаяся несколько раз, и в каждом случае было превышение предела текучести материала. Вследствие чего металл может быть подвержен полному разрушению.

В случае, когда необходимо вернуть образцу первоначальные свойства, производят снятие наклепа. Осуществляется данная процедура путем нагревания металла, так как тогда движение атомов становится более интенсивным, что способствует протеканию процессов, которые возвращают его в более устойчивое состояние. При этом следует иметь в виду, если нагрев относительно невысокий, тогда происходит возврат (снятие микронапряжений второго рода и частичного искажения кристаллической решетки).

Но если температуру и дальше увеличивать, тогда атомы становятся все более и более подвижными, в результате чего появляются новые равноосные зерна. Данное явление носит название рекристаллизационный отжиг. Этот процесс является по своей сути диффузионным, первыми возникают зародыши новых зерен в местах, где плотность дислокаций повышена и сосредоточены наибольшие искажения кристаллической решетки. Далее же происходит рост очагов в результате перехода атомов от проблемных участков. В конце концов деформированные зерна исчезают полностью, а металл состоит из новых, равноосных. Так становится видно, что наклеп и рекристаллизация являются противоположными процессами.